一種單芯高電壓電連接器的設計及裝配工藝技術研究

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(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

高電壓電連接器一般是指工作電壓在1 kV～120 kV之間的電連接器[1]，常用在雷達、飛機、艦船、通訊基站的電源系統上。高壓電連接器作為一種特種電連接器，國內外電連接器廠家都不惜投入巨大人力、物力和財力對其進行研究，其可靠性、穩定性對整個設備的重要性不言而喻。

文章介紹了一種介質耐電壓性能為30 kV的高壓電連接器的爬電距離設計、界面間隙和界面壓力結構設計、裝配工藝技術，為高壓電連接器的設計和裝配工藝技術提供了理論依據和方法，對該類電連接器具有重要發展意義。

2 設計依據

該高壓電連接器的設計依據來自用戶設備的使用需求及相關行業標準，產品主要技術指標如下：

外形尺寸：插頭，外徑×長度≤Φ28×74，插座:長×寬×高≤31.5×31.5×75；

介質耐電壓：30 VAC；

絕緣電阻：≥5 000 MΩ；

工作電流：10 A；

工作環境溫度：-55 ℃～+125 ℃；

振動：10 Hz～2 000 Hz，196 m/s2；

沖擊：加速度峰值490 m/s2。

3 高壓電連接器設計

高壓電連接器的設計中主要考慮的因素有:爬電距離[2]、界面間隙和界面壓力、絕緣材料、所用導線及接觸件的外形和鍍層、以及裝配工藝技術。其中，最主要的就是爬電距離設計。本文主要從爬電距離、界面間隙和界面壓力設計、裝配工藝設計等方面進行重點闡述。

本文所設計和研究的高壓電連接器包含插頭和插座兩部分，插頭外形結構見圖1，插座外形結構見圖2。

圖1 高壓插頭

圖2 高壓插座

3.1 爬電距離確定和計算

插頭和插座需要進行絕緣的導電部件只有接觸件與外殼，以及接觸件與連接在外殼上的其它附件(為了考慮連接器的使用安全性，外殼與附件的鍍層都設計成導電的，他們之間的接觸具有電連續性)。

分析插頭結構，插頭上插針與外殼及其附件之間的最短距離是圖1中2段粗線段L1和L2長度之和。在零部件表面潔凈、零部件無其他異常的情況下，該距離最小應滿足15 mm (3 0 000/2 000=15，其中空氣的介電強度按照2 000 VAC/mm計算)。

分析插座結構，插座上插孔與外殼及其附件之間的相對較短的距離是圖2中的4段粗線段之和。同樣，該距離至少也是15mm。

但是在實際制造過程中，各個零件不可避免的會接觸到空氣中漂浮的灰塵、導電微粒、裝配輔材等外界因素的污染，因此在實踐中，為了提高連接器的可靠性,該爬電距離應該設計為理論最小值的3倍。對本項目連接器而言，爬電距離至少應設計為45mm(即15mm的3倍)。

3.2 界面間隙和界面壓力結構設計

3.2.1 設計基準的確定

在高壓電連接器的結構設計上，除了采用軟體絕緣材料與硬質絕緣材料，并將其做成“圓錐臺”與“圓錐孔”結構的過盈配合結構外[3]，設計基準的確定尤為重要。設計基準對于保證合適的界面壓縮量從而保證連接器的耐電壓性能至關重要。不恰當設計基準很容易造成界面壓縮量過小而導致空氣間隙擊穿、耐電壓性能失效。界面壓縮量過大，則會給連接器裝配、使用帶來不便。

插頭與插座對接示意圖見圖3。當插座上的卡釘與插頭上對接套螺旋槽卡槽鎖緊后，插針套筒應處于界面最大壓縮量狀態，從而連接器的耐電壓性能應達到最優。本連接器設計基準應該考慮連接器的裝配及使用時與界面密封性能直接相關的基準，因此，插座的設計基準確定在卡釘右側面，插頭設計基準確定在對接套上螺旋槽卡槽右側。

從圖3可知，當M-N

圖3 插頭和插座對接示意圖

圖4 插座外形圖

3.2.2 插座結構設計和尺寸計算

插座對接端結構尺寸見圖4，為了實現插頭插座對接后的電連續性，將導電的接地簧片與導電的插座外殼之間過盈沖壓配合。插座基座與接地簧片內部臺齊平，并被下基座固定。插頭插座對接后，接地簧片與導電的插頭外殼接觸，從而達到插頭與插座外殼之間的電連續性。連接器使用時，通過附件將外殼接地，保證連接器的使用安全。

從圖4插座可知，與插頭插座插合、插合界面密封相關的尺寸是X和H，因此零部件結構尺寸設計、整體結構設計和裝配基座確定都應該重點保證該兩個尺寸滿足要求。因此，應合理確定插座基座臺階高度尺寸與屏蔽環內部臺階尺寸的公差。同時，屏蔽環與插頭外殼之間的接觸距離尺寸也應該進行合理確定，要求既能保證可靠的接觸，又不至于導致外殼與接觸件的爬電距離減小。

3.2.3 插頭結構設計和尺寸計算

插頭結構尺寸見圖5。當插座外殼上的卡釘與插頭對接套上的螺旋槽卡口配合后，為了保證插合后界面的良好密封，插針套筒沿對接方向壓縮后的變形彈性力應該略大于波形墊圈被壓縮后的彈性力，以保證界面得到良好的密封。此時，對接套與套管配合面端面齊平(圖中A面)。插針焊接并裝聯固定后，插針臺階對插針套筒產生一個遠大于插針套筒壓縮力的支持作用力，保證插針套管不會后退。

基于上述分析，保證插頭插座具有適當的插合力和分離力的情況下，且能夠保證良好的界面密封，從而滿足耐高電壓要求，圖5中的尺寸N是設計需要重點保證的關鍵尺寸。一般采用硅橡膠材質的插針套筒，在插合到位狀態下達到材料隔斷空氣隙的最佳壓縮比為20%～40%為最佳。

圖5 GY1T01P插頭外形結構圖

3.2.4 波形墊圈彈性系數確定

通過上述分析可知，波形墊圈與插針套筒的彈性變形力，以及二者之間的彈性力作用對插頭與插座的界面密封性能有重要影響因此，在設計波形墊圈的彈性變形量與變形力時，相同的變形量，波形墊圈的變形力應大于插針套管的變形力，考慮波形墊圈的彈性疲勞、組裝防塵蓋的方便性等因素，波形墊圈的變形力一般確定為插針套管變形力的1.5～2倍為宜。必要時，可在對接套的螺旋槽內涂覆潤滑劑以改善連接器的插拔力。

4 高壓電連接器的裝配工藝技術

4.1 保證零部件表面干凈與整潔

零部件表面潔凈度對高壓電連接器耐電壓性能的影響較大，不潔凈的表面構成高壓電連接器耐壓擊穿的主要原因之一。電極(如接觸件、導電的外殼、導電的附件等)表面粘附灰塵、絕緣微粒、氧化膜、有機污物，帶電粒子就會聚集在這些非導電膜層和雜質上，并在此處建立新電場，使發射電子增多，而引起耐電壓性能下降甚至耐壓擊穿[4]，因此必須保證零部件來料表面的清潔，必要時在零件裝配前增加清洗工序。

4.2 嚴格控制裝配關鍵尺寸和關鍵結構

對于與界面密封量直接或間接相關的裝配尺寸應進行全部檢測，不能經濟的檢測的，應確定為關鍵工序，進行重點管控。本高壓電連接器中的插座裝配尺寸H，插頭裝配尺寸M、N就是關鍵尺寸，應在裝配過程及裝配后進行全部檢測。

高壓連接器裝配中另外一個需要重點控制的是避免焊接點、鉚接點的尖端存在，灌封、燒結部位避免存在孔洞、氣泡等缺陷。

4.3 高壓電連接器組裝電纜工藝技術

高壓電連接器電纜組裝質量對連接器耐壓性能的影響也非常大。首先必須選擇滿足連接器性能要求的高壓電纜，本項目連接器耐電壓要求30 kV，則選用的高壓電纜也必須具有30 kV以上的耐壓性能。其次，在高壓電纜組裝方面，電纜必須端接牢固，且裝配到位，各零部件必須牢固的固定在一起，必要時采用膠粘劑對電纜與導電零部件之間的間隙進行絕緣密封。

5 結語

經過以上設計研究，生產了2個批次樣品進行設計驗證試驗，全部試驗結果符合設計要求。通過本高壓電連接的設計研究，為以后其它類別的高壓電連接器的設計研究奠定了基礎。