一種高壓帶電插拔電源連接器

陳天強，蔡 軍，張勇強，胡 盛，杜 坤

(四川華豐科技股份有限公司；四川綿陽，621000；中國電器科學研究院股份有限公司；廣東廣州，510300)

1 引言

5G通訊技術的到來需要提供更大功率的用電保障及滿足海量的數據存儲要求，這會直接推動基站電源極大的擴容及未來數據中心超大云計算的高速發展。5G通訊集中部署致使數據機房空間的距離可進一步增加，高壓直流供電(HVDC)直流拉遠技術和分布式供電(DPS)優勢呈現，高壓直流供電技術是集UPS交流供電技術和-48V直流供電技術為一體的一體化供電技術，具有UPS不可比擬的優勢，能大幅提升系統的可靠性，同時具有高效率、低成本、擴容便捷及可維護性等優勢，目前高壓交/直流混用技術主要運用在通訊信息技術(ITC)設備的服務器及路由器上，有望成為未來數據中心核心供電技術。同時電力電子解決方案在全球范圍內的快速發展，需要結合通用的智能設備來應對先前針對智能電網環境所描述的挑戰，固態變壓器是一種智能化的電能設備，可提供雙向功率流，是控制電路和常規高頻變壓器的結合體，提供無功功率補償、諧波抑制等多種功能，模塊化固態變壓器的運用范圍非常廣，帶電插拔對電弧的控制運用將成為常態運用。

由于5G技術我國一直走在前列，國內高壓交/直流技術應用已進入規模應用階段，中國移動主導的336V直流供電技術正逐步擴大使用規模。高壓直流供電技術與歐洲標準電信設備端電源接口(《ETSIEN300132-3-1(2012.4)》和《ITU-TL.1200(2012.5)》)等標準定義電壓有一致性，具有國際先進水平。該系統中國是走在世界的前列，也是最快實現量產和實際使用的國家，帶電插拔的運用我國也進入了實際使用階段，最大功率在10000W左右，并還在不斷提高。目前，國外高壓直流技術應用研究還處于試驗階段，有少數商用解決方案，美國、日本等國家都有一些試驗性應用研究。歐美大部分通訊運營商采用300-400V直流電壓方案，日本NTT電信公司試用380V高壓直流供電系統，但應用電流基本都偏小，基本在3000W功率范圍內，沒有實現目大功率的帶電插拔運用。

2 電弧

2.1 電弧的產生原理

兩個觸頭行將接觸或開始分離時，只要它們之間的電壓達12 ～20V、電流達0.25 ～ lA,觸頭間隙內就會產生高溫弧光，這就是電弧。

電弧分類

1〉按電流種類可分為：交流電弧、直流電弧和脈沖電弧。

2〉按電弧的狀態可分為：自由電弧和壓縮電弧(如等離子弧)。

3〉按電極材料可分為：熔化極電弧和不熔化極電弧。

當用開關電器斷開電流時，如果電路電壓不低于10-20伏，電流不小于80～100mA，電器的觸頭間便會產生電弧。電弧的形成是觸頭間中性質子(分子和原子)被游離的過程。開關觸頭分離時，觸頭間距離很小，電場強度E很高(E = U/d)。從陰極表面發射出來的自由電子和觸頭間原有的少數電子，在電場力的作用下向陽極作加速運動，途中不斷地和中性質點相碰撞。只要電子的運動速度v足夠高，電子的動能A=1/2mv^2足夠大，就可能從中性質子中打出電子，形成自由電子和正離子。這種現象稱為碰撞游離。觸頭間電弧燃燒的間隙稱為弧隙。電弧形成后，弧隙間的高溫使陰極表面的電子獲得足夠的能量而向外發射，形成熱電場發射。

圖1 電弧產生原理

同時在高溫的作用下(電弧中心部分維持的溫度可達10000℃以上)，氣體中性質點的不規則熱運動速度增加。當具有足夠動能的中性質點相互碰撞時，將被游離而形成電子和正離子，這種現象稱為熱游離。

2.2 電弧的特性和方程

2.2.1 電弧的電壓方程

電弧電壓包括近陰極區電壓降Uc、近陽極區電壓降Ua和弧柱電壓降Up，即 UA= Uc+ Ua+ Up兩近極區壓降基本不變(見圖1)，故以Uo = Uc+ Ua表示，稱為近極區壓降；弧柱區內的電場強度E又近乎恒值，約(1 ～5)×103V/m，在特殊介質內還可達(10～ 20)×103V/m，故電弧電壓計算如下：

UA= U0+ El

(1)

式中，l為弧柱區長度，可近似地取它為整個電弧的長度。

2.2.2 直流電弧的伏安特性

伏安特性為電弧的重要特性之一，它表示電弧電壓與電弧電流間的關系。當外施電壓達到燃弧(擊穿)電壓Ub、電流亦達到燃弧電流Ib后，電弧便產生了，而且隨著電流的增大，電弧電壓反而降低(見圖2)。這是因為電流增大會使弧柱內熱電離擲劇、離子濃度加大，故維持穩定燃弧所需電壓反而減小。

圖2 電弧的電壓及場強分布

2.2.3 交流電弧的伏安特性

交流電弧的伏安特性不同于直流的伏安特性，因為交變電流總是隨著時間變化，所以伏安特性只能是動態的。值得注意的，是交變電流每個周期有兩次自然通過零值，而電弧也通常在電流過零時自行熄滅。

圖3 直流電弧伏安特性

圖4 交流電弧伏安特性

2.2.4 電弧的能量平衡

電弧的功率為 PA= UAIA= U0lA+ E I lA 按UO和El在UA中所占比例，電弧有長弧與短弧之分。若UO在UA中占主要地位，電弧就是短弧;反之，則是長弧。短弧的能量損耗是轉化為熱能、并經電極和與之連接的金屬件散往周圍介質。長弧的能量損耗可近似地認為是轉化為熱能、并經弧柱散往周圍介質。就一般工業電器而論，弧柱的散熱具有重要意義?；≈歉邷氐入x子體。燃弧時的弧柱溫度通常為(4～20)×103K，熄弧時則僅有(3 ～4) )×103K?；≈鶞囟扰c電極材料、滅弧介質種類和壓力以及其冷卻作用的強烈程度等有關。若以QA表示電弧能量、以Pd表示電弧散出的功率，電弧的動態熱平衡方程便是：dQA/dt=PA-Pd。若dQA/dt>0，即PA >Pd，說明電弧能量在增大，使燃弧更加熾烈；若dQA/dt<0，即PA

3 產品應用情況

高壓直流供電相關設備上采用了模塊化帶電插拔結構，需要高耐壓等級和滅弧技術以滿足安全用電，因而可較少電弧的高壓電源連接器成為必需，其應用場景如下圖所示：

高壓交/直流該系統具備以下優點：(1)可靠性大幅提升；(2)大大節約能耗；(3)輸入參數大大改善；(4)帶載能力大大提高；(5)割接改造更為方便；(6)帶電插拔更為方便等優點。但是，與普通交流供電系統接口裝置的耐壓等級，滅弧等技術要求不一致，必須基本該功能：(1)插頭上應有標記標明極性，插頭；(2)插頭插座具有鎖緊結構。

圖5 供電路線圖

3.1 插頭、插座的滅弧功能

插頭、插座具有滅電弧功能，避免帶電插拔時電弧外泄產生危害。插頭插座直接具有鎖緊裝置，防止松動脫落，帶電插拔。涉及的電弧特征為：圖6在接觸金屬件中加入400VDC,然后以75mm/s的速度拔出，圖7電弧會在開始后的60毫秒，放電形成向上的拱形，拉電弧的距離為20mm。

圖6 供電路線圖

圖7 拉弧參數

3.2 滅弧的結構原理及其結構

為了滿足金屬接觸件的結構在插入和拔出的相對運動來消除電弧的高壓電連接器，需要高壓電連接器應用過程產生的電弧問題，也就是適用連接器熱插拔要求。

3.2.1 滅弧原理

當端子1與端子2插合及分離時，在端子1和端子2間電壓和距離達到一定條件時，端子1基體上的電子能量大于該電子溢出功時，電子脫離基體向端子2發射，從而產生電弧。當加入固態磁體后，其產生的磁場6穿過端子1和端子2產生電弧的區域，磁場中的運動電荷受如圖8所示方向的洛倫茲力，當運動的電子所受洛倫茲力達到一定值時，電子的運動軌跡發生圖4所示的偏轉，從而使端子1和端子2之間的空氣不能完全電離，從而使電弧失去起燃條件或者產生的電弧在極短時間存在；保證了高壓電連接器的可靠性。

圖8 滅弧原理

3.2.2熄滅電弧最簡單的方式是在其斷開前把電弧拉長

磁鐵能夠強制電弧拉長，圖9中磁鐵是安裝在簧片的下面，弧柱在磁場B中的垂直分量受洛倫茲力、感應電流與尖端效應的作用空氣壓力常常被用于把電弧吹離其原來位置并發生偏轉，從而把弧柱迅速拉長，增大了弧柱與周圍介質的接觸面積，提高了弧柱與介質之間的傳導與對流散發功率，當弧柱耗散功率大于輸出功率時，電弧就會趨于熄滅。

圖9 電弧拉長示意

3.2.3 接觸對上額定工作接觸區與起弧區分離，保證燃弧區域只發生在起弧區，從而達到犧牲起弧區，保護額定工作接觸區的目的，實現接觸對在多次熱插拔后仍能有效可靠接觸；圖10內表示連接器插拔時候的狀態：當金屬件插針向右運動到接觸金屬件簧片的時候，首先接觸的是金屬件插針及金屬件簧片上的兩個凸點接觸，該接觸能馬上產生電弧，并且會對金屬件的凸點進行燃燒，當金屬件繼續向右運動的時候才接觸到真正滿足產品使用要求的接觸區內進行接觸，這時候的電弧會比剛開始接觸的時候電弧小很多，(電磁鐵已經拉長電弧的情況下)。該作用保護了工作接觸區的在250次插拔后任能滿足產品的使用要求。

圖10 接觸區與起弧區分離

3.2.4 導弧角是用來引導電弧很快離開觸頭且按一定方向運動，以保護觸頭接觸面免受電弧的燒傷并使已燃起的電弧快速冷卻、熄滅。

圖11中導弧角安裝在簧片的上面，既能增加簧片的彈性也能促使導弧角在磁場的作用下利用尖端放電效應引導電弧偏轉，進一步拉長電弧，增加弧柱散熱面積，加速電弧熄滅，避免了電弧直接燒蝕接觸對，進而在接觸對分離過程中不產生電弧或者產生的電弧在極短時間存在；也可以實現當電源回路并排排列時，使電子分別向著互相遠離的方向偏轉，從而保證塑料基座不會形成碳化回路。

圖11 導弧角的安裝及作用

3.2.5 鎢合金在金屬接觸件上作為耐電弧的材料。

由于鎢合金鍍層中含有重量比為40-95%的鎢元素，利用鎢元素的熔點3410℃及鎢元素低的蒸汽壓和穩定的化學性質，用來抵抗電弧的燒灼。通過電鍍的方式，利用金屬誘導共沉積原理，得到高鎢比例的、高熔點、低蒸汽壓的鎢鎳合金，就可以作為抗電弧的連接器接插件導入段鍍層。圖12是局部電鍍鎢鎳合金及銀薄膜的產品和鍍金接觸件產品，在實驗室用450VDC電壓及16A電流負載做的對比測試，該測試采用了高速相機進行拍攝，明顯看到產品在插入及拔出過程中，局部電鍍鎢鎳合金及銀薄膜的產品電弧的產生明顯低與常規鍍金，銀產品的電弧。在實際使用及運用中有明顯的效果。

圖12 銅鎢或者鎳鎢合金

3.2.6 該連接器滿足IEC60320界面尺寸要求，同時滿足450V直流，25A電流要求(機械壽命250次)。爭取10KV電壓(機械壽命50次)

該結構接觸對結構簡單，工藝性好，固體磁體體積很小，導弧角結構無限制，可以滿足多種形式的高壓電連接器的需求；圖13中采用金屬件上雙凸點布置結構結合磁吹與導弧角滅弧原理用來解決高壓電連接器接觸件插合與分離過程中產生的電弧問題。外面配帶組合塑料件基座(塑料件基座及塑料件底座)，即滿足裝配的方便性又能達到合理的產品使用性能。

圖13 插頭插座示意圖

4 結束語

高壓直流系統在電路運用上具有高效率、高可靠性、維護方便、體積小、重量輕等特點，還有比較完善電池管理功能，完善的絕緣監測功能等較多的優點，已經逐步被很多客戶進行運用和廣泛推廣。該系統的推廣及運用將帶來相應高壓直流連接器的廣泛運用。目前，該結構是按照IEC60320界面尺寸(C1C2---C23C24)進行設計及使用,但隨著高壓直流系統的廣泛運用，將涉及到印制板電路(PCB板)上電源供電電源、圓形及矩形各種類型電源連接器，運用非常廣泛并且該結構的設計，保證了高壓電連接器的可靠性，提高了高壓電連接器的使用壽命，避免了危險事故的發生。