多路超高電壓連接器的設計

王佩 劉敏 彭光輝 李巖 楊瑞

【摘 要】本文主要介紹了一種多路超高電壓連接器的設計方案，簡述了高壓連接器的基本工作原理、整體結構、獨特的密封設計和材料選擇，并使用ANSYS仿真軟件進行了仿真和優化，提高了產品的可靠性。

【關鍵詞】超高壓電連接器;多路;ANSYS仿真

1引言：

高壓電連接器作為一種高壓信號傳輸元器件。在常用的高壓電連接器的設計中，如果在高壓設備中內有多路高電壓導線連接時，需采用多個單芯高壓連接器，因此占用的空間較大，操作起來較復雜。本文針對用戶的特定需求，設計多路超高電壓連接器。該連接器節省設備空間、絕緣性能優良、工作性能穩定，具有高集成度及快速插拔的特點，能夠同時穩定傳輸高壓信號。

本文介紹了一種多路超高電壓連接器的設計，滿足整機的安裝及使用要求，且具有工作電壓高、集成度高、性能穩定可靠等特點。

2主要技術指標：

1）工作電壓：160kV d.c.;

2）工作電流：5A d.c.;

3）接觸電阻：<15mΩ;

4）絕緣電阻：≥5000MΩ;

5）介質耐電壓：170kVd.c（海平面）。

3整體結構設計：

多路超高電壓連接器為一配對連接器，包括插頭與插座連接器。使用時通過插頭和插座之間的機械連接，帶動接觸件之間的插合，接觸件包括帶簧片插針和插孔，其中帶簧片插針為彈性接觸件、插孔為剛性接觸件，使得接觸件在插合時形成彈性接觸，產生低的接觸電阻，從而實現良好的電氣連接;同時，由于采用了高性能絕緣材料以及插合界面密封設計結構，從而有效地阻斷了氣隙通路，達到了耐高電壓的目的。本文介紹的多路超高電壓連接器插頭和插座連接器工作電壓為160kV d.c.，安裝方式為法蘭安裝，螺母緊固。

1）插頭結構設計

插頭連接器由帶簧片插針、絕緣殼體、密封套、尾部附件、連接套和高壓電纜組成，如圖1所示。

絕緣殼體由熱塑性工程塑料模塑制造成型，重量輕、耐電壓強度高;密封套采用氟硅橡膠模壓制作，具有很高的介電強度、極好的耐油性、耐電暈能力。其內外表面有多個凸起的“密封環”，利用“密封環”的凸起進行界面密封，具有良好的耐壓密封效果。帶簧片插針采用良好彈性的銅合金表面鍍硬金，提高導電性和抗磨損能力。

連接器的連接套、尾部附件相互配合能可靠地保持住絕緣殼體相對位置;帶簧片插針和高壓電纜中利用焊接方式可靠連接;絕緣殼體內孔與高壓電纜的間隙用環氧膠灌封，保證機械強度和耐壓能力。

2）插座結構設計

插座由插孔、法蘭盤、絕緣殼體、壓環、密封圈組成，如圖2所示。

絕緣殼體采用工程塑料模壓制作;插孔采用彈性良好的銅合金表面鍍硬金;壓圈、法蘭盤采用高強度變形鋁合金，機械加工而成。密封圈采用丁腈橡膠制成，具有極好的耐油性、耐磨性。

連接器的法蘭盤、壓圈相互配合能可靠地保持住絕緣殼體、密封圈的相對位置;密封圈截面為O形，其放入法蘭盤的凹槽中，裝配完成后有一定的壓縮量，可實現一定的油密封作用。插孔與殼體一體化注塑成型，有很好的限位作用。

3）插合界面設計

插合界面是指插頭和插座之間的接觸面。插合界面的結構形式為圓孔和圓柱，通過圓孔和圓柱的插合，形成界面密封結構。插頭連接器絕緣殼體上設計有圓柱，插座的絕緣殼體上設計有圓孔。圓孔的材料為硬質的工程塑料，具有一定的脫模斜度，端部直徑小、底部直徑大;圓柱的材料為硬質的工程塑料，將軟質的密封套裝在其凹槽內。當連接器在插合時，圓柱插入圓孔，圓柱上的密封套與圓孔內表面過盈配合，材料為一軟一硬，因此在徑向上均會產生一定的彈性壓縮，形成了界面密封結構，阻斷了氣隙通路，使得產品具有良好的耐電壓性能。

4 模擬仿真技術

將Creo的三維結構圖導入ANSYS中，對電場強度及電場分布進行仿真分析，圓形連接器為同軸結構，仿真分析較為簡單，根據仿真結構優化機構設計，經過多次迭代，最優化的設計結構電場分布均勻，最大電場強度小于材料擊穿電壓，說明設計合理。如圖3所示。

5.試驗樣品試驗數據對照表

經過結構設計和仿真計算，我們對兩個摸底批次的試驗樣品按技術要求進行了試驗，試驗證明設計合理，結構可靠，符合技術要求。主要數據如下：

6結語：

本文介紹的多路超高電壓連接器節省設備空間、絕緣性能優良、工作性能穩定，具有高集成度及快速插拔的特點，能夠同時穩定傳輸5路超高壓電信號，并且單路的傳輸電壓可達160kV d.c.

參考文獻：

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[2]黃志新.ANSYSWorkbench16.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2016：83-88.

[3]高壓連接器的基本原理[A].美國第24屆連接器與互連會議論文集[C].

（作者單位：中國電子科技集團公司第四十研究所）