一种通断装置的制作方法 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术1.本实用新型专利涉及熄灭断点在断开时的电弧，特别涉及一种通断装置。背景技术：2.电弧是接触器、断路器、继电器之类机械开关，以及接插件、插头和熔断体等所形成的断点在断开时经常遇到的一种物理现象，原因在于断点在分断电流时，断点本身及周围的介质中含有大量可被游离的电子，在外加电压和断点接触点升温足够大时，产生强烈的电游离和热游离导致介质被击穿，进而产生电弧。电弧危害很大，一方面会影响供电系统的可靠性，另一方面可能造成火灾等安全事故，因此需要采取必要的灭弧措施可靠熄灭电弧。本实用新型将包含灭弧措施的断点称之为通断装置。3.将机械开关的触头设计成桥式双断点结构能提供灭弧能力，如图1所示为桥式双断点触头结构的机械开关示意图，该类机械开关能够灭弧的原因在于该设计将电弧分成两段，提高了电弧的起弧电压；同时利用两段电弧相互间的电动力将电弧向外侧拉长，增大了电弧与冷空气的接触面，实现了迅速散热而灭弧。4.一般情况下，额定电压在380v及以下、额定电流在20a及以下的小容量交流机械开关，利用电流自然过零时两断点的近阴极效应，即可熄灭电弧。但是，当机械开关的额定电流为20～80a时，即使将主触头设计成桥式双断点结构，还需要加装引弧片或利用回路电动力吹弧，才能有效灭弧，为了可靠起见，有时还需加装包含灭弧栅片或隔板等的灭弧室。当机械开关的额定电流大于80a时，则必须加装包含灭弧栅片或隔板等的灭弧室。而对于应用于直流供电系统的机械开关，由于电流不会自然过零，因此一般均需要加装灭弧室。5.因此，将机械开关的触头设计成桥式双断点结构后，断点增加了一倍，在需要加装灭弧室时，需要对每一个断点设计独立的灭弧室，这会使得装置的结构较为复杂，在一定程度上引起体积增加、成本上升。6.针对通断装置中包括两个断点的情形，现有技术也有采用灭弧电路进行灭弧的方案，但是一般是为每一个断点并联一个灭弧电路，本技术的发明人注意到，这样的电路方案会导致通断装置在断开后的隔离耐压不高，难以满足相关规范所要求的耐压值，原因在于电子灭弧电路的耐压能力有限，代表文献请参见公开号为cn103117528a和cn104979795b的中国专利文献，图2为公开号为 cn103117528a的专利文献中通断装置的一个实施例电路图；图3为公开号为 cn104979795b的专利文献中通断装置的一个实施例电路图。7.需要说明的是，上述公开于背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本技术的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。技术实现要素：8.有鉴如此，本实用新型要解决的技术问题是，提供一种通断装置，至少在一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。9.为此，本实用新型所提供的通断装置的实施例如下：10.一种通断装置，为两端结构，其中，包括：第一断点、第二断点和灭弧电路，所述第一断点和所述第二断点联动工作，即工作时同时闭合、同时断开；所述第一断点一端和所述灭弧电路一端连接在一起后与所述通断装置第一端连接，所述第一断点另一端同时连接所述灭弧电路另一端和所述第二断点一端，所述第二断点另一端与所述通断装置第二端连接；所述灭弧电路用于熄灭所述第一断点和所述第二断点在断开时产生的电弧。11.优选地，所述第一断点为桥式双断点触头结构机械开关中一个静触头与动触头形成的断点，所述第二断点为同一个桥式双断点触头结构机械开关中另外一个静触头与动触头形成的断点；12.或者所述第一断点为三簧片触头结构机械开关的第一簧片触头与第二簧片上触头形成的断点，所述第二断点为同一个三簧片触头结构机械开关的第二簧片下触头与第三簧片触头形成的断点。13.或者所述第一断点和所述第二断点k2均为没有天然联动控制特点的机械开关中动触头和静触头形成的断点。14.作为改进，所述灭弧电路为无控型灭弧电路。15.作为所述灭弧电路的一种具体实施方式，包括：二极管d1、二极管d2、电容c1和箝位器件；所述电容c1一端为所述灭弧电路一端，所述电容c1另一端同时连接所述二极管d1阳极和所述二极管d2阴极，所述二极管d1阴极和所述二极管d2阳极连接在一起后为所述灭弧电路另一端，所述箝位器件与所述电容 c1并联。16.进一步地，当所述通断装置为应用于直流单向供电系统场景之下的通断装置时，所述箝位器件为单向箝位器件。17.作为所述单向箝位器件的一种具体实施方式，为单向tvs管tvs1；18.所述单向tvs管tvs1阳极连接所述电容c1另一端，所述二极管d3阴极连接所述电容c1一端，此时所述通断装置需要连接在供电电源正端和负载一端之间的线路中，且所述通断装置第一端需连接所述供电电源正端；19.或者所述单向tvs管tvs1阳极连接所述电容c1一端，所述单向tvs管tvs1 阴极连接所述电容c1另一端，此时所述通断装置需要连接在供电电源负端和负载另一端之间的线路中，且所述通断装置第一端需连接所述供电电源负端。20.作为上述实施例的等同替换，将其中的单向tvs管tvs1替换为：多个单向 tvs管同向串联，或者二极管任意数量和单向tvs管任意数量组合后同向串联。21.进一步地，当所述通断装置为应用于交流供电系统或者直流双向供电系统场景之下的通断装置时，所述箝位器件为双向箝位器件。22.作为所述双向箝位器件的一种具体实施方式，为一个双向tvs管或者多个双向tvs管串联，一个压敏电阻或者多个压敏电阻串联，一个气体放电管或者多个气体放电管串联，或者双向tvs管、压敏电阻和气体放电管任意种类和任意数量组合后串联。23.进一步地，所述通断装置适用于n线供电系统，所述的n为大于或等于2 的自然数，所述通断装置的第一端和第二端用于连接至所述n线供电系统的同一条线路中。24.作为上述实施例的等同替换，将其中的二极管d1和二极管d2中的任一只或者两只替换为：多个二极管同向串联、一个单向tvs管或者多个单向tvs管同向串联，或者二极管任意数量和单向tvs管任意数量组合后同向串联。25.与现有技术相比，本实用新型实施例的通断装置至少具有如下有益效果：26.1、不会对装置的外观做出较大的改变，并且仍然为两端子结构，能够与采用现有技术的通断装置兼容，从而不会改变用户习惯。27.2、其中的灭弧电路为电子元器件组成，相较于现有技术采用灭弧室进行灭弧的方案，能够简化通断装置的结构，从而减小体积、降低成本。28.3、现有技术的通断装置虽然也有增加电子灭弧电路的方案，但是因为电子灭弧电路的耐压能力有限，导致通断装置在断开后的隔离耐压不高，难以满足相关规范所要求的耐压值，本实施例的通断装置中包括两个断点，灭弧电路只与第一断点并联，使得通断装置通过另一个断点的耐压能力能达到相关规范所要求的耐压值，从而确保了整个通断装置满足物理隔离要求。29.本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明30.图1所示为桥式双断点触头结构的机械开关示意图；31.图2为公开号为cn103117528a的专利文献中通断装置的一个实施例电路图；32.图3为公开号为cn104979795b的专利文献中通断装置的一个实施例电路图；33.图4为本实用新型通断装置实施例的原理框图；34.图5为三簧片触头结构机械开关示意图；35.图6为无然的联动控制特点两个断点实现联动控制的结构示意图；36.图7为本实用新型通断装置实施例的一种具体的电路图及其应用；37.图8为本实用新型通断装置实施例的另一种具体的电路图及其应用；38.图9为本实用新型通断装置实施例的另一种具体的电路图及其应用。具体实施方式39.基于本技术的发明构思，可以理解的是，本实用新型的创造性在于双断点两端结构的通断装置中的灭弧电路如何连接，从而实现了对第一断点和第二断点的灭弧，并确保整个通断装置满足物理隔离要求，而不在于采用了何种具体的灭弧电路与第一断点并联，图7和图9中给出的灭弧电路只是一种较佳的示例，在面对不同的应用场景时，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择或者另行设计，本实用新型对此不做限制。40.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合其它附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。41.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书中描述的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列元器件或单元电路不必限于清楚地列出的那些元器件或单元电路，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些电路固有的元器件或单元电路。42.另外，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。43.应该理解的是，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。44.图4为本实用新型通断装置实施例的原理框图，请参见图4，本实施例的通断装置，为两端结构，包括：第一断点k1、第二断点k2和灭弧电路，第一断点 k1和第二断点k2联动工作，即工作时同时闭合、同时断开；第一断点k1一端和灭弧电路一端连接在一起后与通断装置第一端连接，第一断点k1另一端同时连接灭弧电路另一端和第二断点k2一端，第二断点k2另一端与通断装置第二端连接；灭弧电路用于熄灭第一断点k1和第二断点k2在断开时产生的电弧。45.本实施例的工作原理为：通断装置中包括的灭弧电路，在两个断点分断过程中先熄灭第一断点的电弧，当第一断点电弧熄灭并断开后，供电回路中流过的电流会马上变为零，第二断点的电弧会即刻熄灭并随之实现分断。46.本实施例的通断装置不会对装置的外观做出较大的改变，并且仍然为两端子结构，能够与采用现有技术的通断装置兼容，从而不会改变用户习惯。47.其中的灭弧电路为电子元器件组成，相较于现有技术采用灭弧室进行灭弧的方案，能够简化通断装置的结构，从而减小体积、降低成本。48.本实施例的通断装置中包括两个断点，灭弧电路只与第一断点并联，使得通断装置通过另一个断点的耐压能力能达到相关规范所要求的耐压值，从而确保了整个通断装置满足物理隔离要求。而现有技术的通断装置虽然也有增加电子灭弧电路的方案，但是因为电子灭弧电路的耐压能力有限，导致通断装置在断开后的隔离耐压不高，难以满足相关规范所要求的耐压值。49.其中，第一断点k1和/或第二断点k2包括但不限于以下情形：50.(1)第一断点k1为桥式双断点触头结构机械开关中一个静触头与动触头形成的断点，第二断点k2为同一个桥式双断点触头结构机械开关中另外一个静触头与动触头形成的断点，参考图1，桥式双断点触头结构机械开关中的两个断点具有天然联动控制特点，当电磁线圈得电时，第一断点k1和第二断点k2会同时闭合，当电磁线圈失电时，第一断点k1和第二断点k2会同时断开。51.(2)第一断点k1为三簧片触头结构机械开关的第一簧片触头与第二簧片上触头形成的断点，第二断点k2为同一个三簧片触头结构构机械开关的第二簧片下触头与第三簧片触头形成的断点，三簧片触头结构构机械开关示意图请参考图 5，三簧片触头结构机械开关中的两个断点也具有天然联动控制特点，当对三簧片触头结构施加如图所示作用力f时，第一断点k1和第二断点k2会同时闭合，当所施加的作用力撤销后，第一断点k1和第二断点k2会同时断开。52.(3)第一断点k1和第二断点k2均为没有天然联动控制特点的机械开关中动触头和静触头形成的断点，如第一断点k1和第二断点k2均为单断点指形触头结构机械开关中的静触头与动触头形成的断点，此时请参考图6，图6为没有天然联动控制特点的两个断点实现联动控制的结构示意图，其中需要额外设置联动控制机构，用于实现第一断点k1和第二断点k2同时闭合、同时断开。53.进一步地，其中的灭弧电路为无控型灭弧电路，即灭弧电路中没有需要通过检测和触发才能工作的的元器件，如可控硅、晶闸管等，从而避免增加装置的复杂性。54.图7为本实用新型通断装置实施例的一种具体的电路图及其应用，图7应用场景为直流单向供电系统。直流单向供电系统指的是图7电路由供电电源u1向负载rl1供电，且供电电源u1输出的为直流电，从而电流方向只能单向流动，如从第一断点k1一端流向其另一端。55.请参见图7，其中的灭弧电路包括：二极管d1、二极管d2、电容c1和箝位器件；电容c1一端为灭弧电路一端，电容c1另一端同时连接二极管d1阳极和二极管d2阴极，二极管d1阴极和二极管d2阳极连接在一起后为灭弧电路另一端，箝位器件与电容c1并联。56.图7所示通断装置为应用于直流单向供电系统场景之下的通断装置，其中的箝位器件为单向箝位器件。57.具体地，该单向箝位器件为单向tvs管tvs1。58.请参见图7，单向tvs管tvs1阳极连接电容c1另一端，单向tvs管tvs1 阴极连接电容c1一端，此时通断装置需要连接在供电电源正端和负载一端之间的线路中，且通断装置第一端需连接供电电源负端。59.图7中的单向tvs管tvs1的连接关系也可以反向，此时请参见图8，图8 为本实用新型通断装置实施例的另一种具体的电路图及其应用，其中的单向tvs 管tvs1阳极连接电容c1一端，单向tvs管tvs1阴极连接电容c1另一端，此时通断装置需要连接在供电电源负端和负载另一端之间的线路中，且通断装置第一端需连接供电电源负端。60.本实施例第二断点k2的电弧在第一断点k1电弧熄灭并断开后，其中流过的电流会马上变为零，也能实现电弧的快速熄灭，故灭弧电路对第一断点k1进行灭弧是实现第二断点k2灭弧的基础，下面结合图7讲述第一断点k1在断开过程中灭弧电路对其灭弧的工作过程，具体如下：61.(1)点燃电弧阶段62.第一断点k1刚开始断开时，触头间会产生强烈的电游离和热游离，导致触头周围的空气介质被击穿，进而点燃电弧。63.(2)电弧持续燃烧阶段64.电弧点燃后，随着第一断点k1触头间隙逐渐增大，温度增加导致电弧电阻减小的速率会小于间隙增加导致电弧电阻增加的速率，电弧电阻开始增加，负载 rl1两端产生的电压随之减少，保证了第一断点k1两端电压uk1的增大趋势，电弧燃烧过程进入动态稳定状态。第一断点k1两端电压uk1上升速率与流经第一断点k1的电流i1减小速率会达成电弧稳定燃烧的条件，即电压值uk1与电流值i1之间的关系会沿电弧的负阻特性曲线图移动而自动调整。65.(3)电流注入时刻，电弧稳定燃烧的条件被破坏66.负载rl1两端产生的电压越来越小，当负载rl1两端电压降低到使得二极管 d1阴极的电压小于供电电源的电压u1减去二极管d1的正向导通压降vd1时，二极管d1导通，电容c1通过二极管d1充电，为负载rl1注入电流i2，使得流过第二断点k2和负载rl1的电流i3由i1变为(i1+i2)，第二断点k2和负载rl1 两端的电压增加，第一断点k1另一端的电压被抬高，第一断点k1两端的电压 uk1自然上升的速率被减小，破坏了上述第一断点k1两端电压uk1上升的速率与流经第一断点k1的电流i1减小速率之间稳定的负阻特性关系，即破坏电弧动态稳定燃烧的条件。67.(4)电流持续注入阶段，电弧燃烧进入负反馈，电弧趋于熄灭阶段68.第一断点k1断开过程中，触头分开的间隙越来越大，要使电弧稳定燃烧，击穿触头周围介质所需要的电压也越来越大，即第一断点k1两端的电压uk1需要越来越大，但是随着电流i2被注入负载rl1，第一断点k1第二端的电压被抬高，第一断点k1两端的电压uk1上升的速率小于维持电弧动态稳定燃烧的速率，电弧燃烧进入负反馈循环，即电弧越来越小，趋于熄灭。69.(5)寄生电感反向电动势续流阶段70.当负载rl1中包括电机之类的感性负载时，会产生寄生电感。电弧燃烧进入负反馈状态后，电流i1减小的速率非常快，寄生电感中的电流不允许突变(当寄生电感较大时会更加明显)，这会导致寄生电感产生反向电动势，电源u1、第一断点k1、第二断点k2和负载rl1组成的是一个电路环路，相当于在第一断点k1与第一电源u1之间串联了一个额外的电源，且该电源与第一电源u1同向串联，使得第一断点k1两端的电压增加。71.寄生电感产生的反向电动势先依次经过负载rl1、电源u1、电容c1和二极管d1形成的回路继续为电容c1充电，当电容c1被充满后，单向tvs管tvs1 会被击穿，寄生电感中过剩的能量将通过负载rl1、电源u1、单向tvs管tvs1、二极管d1和第二断点k2形成的回路续流，单向tvs管tvs1和二极管d1会将负载rl1的反向电动势(反向电压)箝位为单向tvs管tvs1的箝位电压和二极管d1的正向导通压降之和，阻止了第一断点k1两端电压继续增加，这样一来，就不会改变电弧趋于熄灭的趋势，确保电弧熄灭。同时，极大地降低了单靠电容 c1有效灭弧所需的容值，降低了成本，还能避免电容c1因承受过高的电压而击穿损坏。72.本实施例将单向tvs管tvs1与二极管d1串联，总的箝位电压为两个元器件的箝位电压叠加之和，分散了箝位器件所需要承受的电压应力，降低了箝位器件失效的风险。73.(6)电弧熄灭时刻74.当第一断点k1触点间的间隙持续增加，电弧电阻进一步增加，使得电弧电流(即电流i1)进一步减少，当电弧电流减小到电弧不能维持时，放电消失，此时电弧熄灭。75.(7)电容c1能量释放阶段76.当第一断点k12再次闭合时，电容c1、第一断点k1和二极管d2组成闭合回路，把上次第一断点k1断开时给电容c1所充的电荷迅速释放掉，使电容c1 又重新恢复可以灭弧的状态。77.图8电路中的通断装置实现灭弧的工作过程与图7相似，不同之处在于其中的电容c1充电时为二极管d2导通，电容c1放电时为二极管d1导通，电流注入时流过第二断点k2和负载rl1的电流i3也由i1变为(i1+i2)，同样能够抬高第一断点k1另一端的电压。78.需要说明的是，由于机械结构设计存在偏差，可能使得第一断点k1和第二断点k2的工作出现不同步的现象。较第一断点k1和第二断点k2同时断开的灭弧效果而言，如果第一断点k1比第二断点k2先断开，其中的第二断点k2的燃弧时间会更短，甚至能实现无弧分断，灭弧效果会更好；如果第一断点k1比第二断点k2后断开，其中的第二断点k2在提早断开这段时间也会燃弧，此时灭弧效果会稍差，第一断点k1比第二断点k2延时断开的时间一般非常短，也是可以接受的。此外，基于上述描述，可以联想到对图7和图8进行如下优化：79.将其中的单向tvs管tvs1替换为：多个单向tvs管同向串联，采用多个器件串联的目的在于不仅可以进一步降低对器件的耐压要求，还能调节对反向电动势电压进行限制时所限制的电压值的大小。80.图9为本实用新型通断装置实施例的另一种具体的电路图及其应用，图9 所示通断装置为应用于交流供电系统或者直流双向供电系统场景之下的通断装置，其中的箝位器件为双向箝位器件。81.具体地，双向箝位器件为一个双向tvs管t1。82.交流供电系统指的是图9电路只由第一电源u1向第一负载rl1供电，且第一电源u1输出的为交流电，从而电流既能从第一断点k1一端流向其另一端，也能从第一断点k1另一端流向其一端。83.直流双向供电系统指的是图9电路可以由第一电源u1向第一负载rl1供电，且第一电源u1输出的为直流电，从而电流方向只能单向流动，如从第一断点k1 一端流向其另一端；也可以由第二电源u2向第二负载rl1供电，且第二电源u2 输出的也为直流电，从而电流方向只能单向流动，如从第一断点k1另一端流向一端。84.图9电路中的通断装置实现灭弧的工作过程也与图7相似，根据具体的应用场景不同，当需要分断通断装置所处时刻不同时，第一断点k1中电流的流向会存在不同的情况，针对不同的情况，二极管d1和二极管d2，其中一个充电，则另一个放电，均能实现灭弧。85.需要说明的是，基于上述描述，可以联想到对图9进行如下优化：86.将双向tvs管t1替换为：多个双向tvs管串联，一个压敏电阻或者多个压敏电阻串联，一个气体放电管或者多个气体放电管串联，或者双向tvs管、压敏电阻和气体放电管任意种类和任意数量组合后串联，其中较优的器件选择是双向 tvs管，采用多个器件串联的目的在于不仅可以进一步降低对器件的耐压要求，还能调节对反向电动势电压进行限制时所限制的电压值的大小。87.还需要说明的是，图7至图9所示通断装置应用的是两线供电系统，通断装置的第一端和第二端用于连接至两线供电系统的同一条线路中。本领域的技术人员容易想到的是，本实用新型实施例的通断装置适用于n线供电系统，n为大于或等于2的自然数，通断装置的第一端和第二端用于连接至所述多线供电系统的同一条线路中。88.此外，还可以联想到对图7至图9进行如下优化：89.将其中的二极管d1和二极管d2中的任一只或者两只替换为：多个二极管同向串联、一个单向tvs管或者多个单向tvs管同向串联，或者二极管任意数量和单向tvs管任意数量组合后同向串联，不仅可以降低对器件的耐压要求，还能调节电流注入的时刻。90.以上仅是本实用新型的实施方式，需要特别指出的是，上述实施方式不应视为对本实用新型的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。









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