高電壓大電流濕熱插拔電連接器的預先技術研究

雷 義

（上海京波傳輸科技有限公司，上海 201800）

濕插拔連接器可以在水下進行插拔，涉及眾多關鍵技術，研發難度極大[1]。國內市場長期處于被壟斷狀態[2]。2018年，濕插拔連接器被《科技日報》列為對我國工業發展至關重要的35項“卡脖子”技術之一。

電連接器占據了水下濕插拔連接器市場的大部分份額，如果能夠攻克高壓、大電流的水下濕插拔連接器所涉及的眾多關鍵技術，將促進我國海洋工程裝備、石油天然氣與可燃冰工業、近海可再生能源等眾多領域發展，實現海洋工程裝備跨越式發展[3]。

1 高電壓大電流濕熱插拔連接器研制難點及技術指標

有源在線插拔的高壓大電流水下濕熱插拔連接器技術難度高。首先，電性能要求高。要實現大電流傳輸，接觸電阻必須非常小，同時高電壓對材料的絕緣性能提出了極高要求[4]。其次，散熱性能要求高。大電流必然產生較高的熱量，如果散熱不佳，連接器內部零件的熱應力就會升高，可能導致零件出現變形甚至強度失效，直接影響濕插拔。最后，密封性能要求高。高壓大電流的有源插拔對連接器的密封設計提出了更高挑戰[5]。

針對高電壓大電流濕熱插拔電連接器的迫切需求，開展濕熱插拔耐高壓電連接器原理及結構設計研究，突破水下耐高壓、高可靠絕緣、水下動態密封、壓力平衡以及帶壓插拔在線測試等關鍵技術，研制水下高電壓10 kV、電流250 A的高電壓大電流濕熱插拔電連接器樣機，打破了國外對該類產品的壟斷局面，實現了國產化研制，形成了產品化生產能力，并通過模擬壓力環境完成了動態插拔過程的各項性能指標驗證，預期達到的技術成熟度為6級。

預期達到的主要技術指標如表1所示。

表1 預期達到的主要技術指標

2 高電壓大電流濕熱插拔連接器研制內容分解

2.1 帶電熱插拔的電接觸件與海水絕緣技術研究

濕熱插拔連接器電接觸件與海水間實現絕緣的關鍵在于連接器的密封設計，是濕熱插拔連接器實現水下動態密封的基礎。保證濕熱插拔連接器在海洋環境插拔狀態下的動態密封及帶電插拔，通過電接觸件與連接器殼體間的密封結構設計，利用接觸件端面密封和充油壓力平衡原理，滿足水下動態插拔的要求和適應任意水深的使用要求，需研究電接觸件結構設計、電接觸件動態密封技術要求、電接觸件耐水壓設計技術研究以及電接觸件帶電插拔設計技術研究。

2.2 耐高電壓設計與驗證

連接器的耐高電壓主要考核的是連接器的抗電擊穿能力。抗電擊穿設計主要從抗高電壓防擊穿考慮。當插合的濕熱插拔電連接器在正常工作狀態下電接觸件間的電壓較高時，因為某種缺陷的存在或電接觸件結構設計不合理，會引起火花放電的產生導致產品擊穿。

電接觸件的絕緣介質抗高電壓擊穿能力主要與材料性能、絕緣結構和環境溫度有關。通過優選介電強度高的介質材料作為絕緣材料，可提高連接器在高電壓狀態下的防擊穿能力，達到高電壓大電流使用條件下的絕緣效果。為防止濕插拔連接器在使用中出現電火花，在選擇性能優良的絕緣材料的基礎上，重點從材料的加工工藝進行優化，通過對小間距零件表面進行特殊加工，保證材料表面光潔度，避免尖邊或毛刺的存在。開展的研究內容主要包括抗電擊穿結構及材料研究、抗電擊穿措施研究、抗電擊穿仿真分析研究以及抗電擊穿試驗驗證。

2.3 連接器大電流溫升研究

濕熱插拔電連接器的接觸件接通后，受導體本身的體電阻和接觸電阻的影響，濕熱插拔電連接器通電流后勢必會產生一定的熱量。本項目需要連接器通過250 A的大電流，故開展電接觸件電熱耦合技術仿真分析、濕熱插拔電連接器溫升控制以及橡膠老化壽命控制等研究。

2.4 壓力平衡技術研究

濕熱插拔連接器在水下工作，存在壓力平衡問題。為保證它的水密性和插拔力問題，需要采取措施解決內外壓力不平衡的問題。由于連接器內外存在巨大的壓力差，導致插合與分離過程需要較大的插拔力，進行水下插拔動作十分困難。本項目研究擬采取在連接器內部設計一種充油與壓力平衡裝置，使連接器插拔過程中保持內外壓力平衡或將壓力差控制在一定范圍內，從而使插拔力不受水深影響，減小因水壓帶來的插拔力問題。目前，國內外優先選擇的解決方法是壓力平衡[2]。因此，開展的研究內容主要包括壓力平衡結構設計研究、壓力平衡結構仿真分析研究以及壓力平衡結構試驗驗證。

2.5 連接器對接與分離鎖緊技術研究

濕熱插拔電連接器能夠在水下實現水下插拔功能，除了連接器插頭與插座自身具備插拔時性能要求外，最重要的是能簡單方便地實現遙控無人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）對水下濕插拔連接器插頭與插座的快速對接與分離功能。對接與分離技術研究的主要內容包括連接器對接與分離結構設計、連接器插拔力設計與測試以及連接器水下插拔驗證。

3 高電壓大電流濕熱插拔連接器設計

水下濕熱插拔電連接器利用壓力平衡原理，可使連接器在任意海水深度下自由連接分離。充油壓力平衡主要利用液體的不可壓縮性，使得充油壓力平衡腔不管到達深海哪個位置都不會因外界海水壓力而壓縮腔體，改變腔體體積。當連接器對接后，插頭插座兩端腔體合二為一，插頭插座內部壓力達到平衡。濕熱濕插拔電連接器由插頭、插座以及充油電纜等組成，整體結構如圖1所示。

圖1 濕熱濕插拔電連接器整體結構圖（單位：mm）

插頭主要由ROV操作手柄、插頭殼體部件、鎖緊部件、外殼體、插孔組件、插頭絕緣體、尾部附件、外平衡囊以及內平衡囊等組成，結構如圖2所示。

圖2 插頭組成示意圖

插座由插座殼體部件、安裝法蘭、插針組件、插座絕緣體、導向銷、尾部附件、平衡囊以及彈簧部件等組成，結構如圖3所示。

圖3 插座組成示意圖

濕熱插拔電連接器擬采用充油平衡結構實現水下插拔功能。等壓平衡密封原理利用了液體壓強處處相等的屬性。當外部工作水深變化時，壓強會通過彈性橡膠件傳遞到艙體內部。在充油艙內的壓強會產生相應幅度的變化，利用體積變形緩沖的方法實現內外壓差自動補償適應。

工作于深水環境下的連接器采用等壓平衡密封設計，不僅可以保護原有的密封體系免受過大壓差的作用，而且可以利用填充的絕緣填充油增加一層密封保護層。

濕插拔連接器采用壓力平衡原理[6]，如圖4所示。使用橡膠件、金屬/非金屬零件在連接器內部建立一個充油密封艙來對連接器電接觸件進行密封，既可以達到密封效果，又可以利用油的良好絕緣性，提高連接器的耐電壓性能。

圖4 自適應裝置平衡原理示意圖

4 結語

開展高電壓大電流濕熱插拔電連接器的技術研究，深入調研濕插拔連接器領域的需求和技術現狀，明確高電壓大電流濕熱插拔電連接器的技術指標和技術難點，初步完成了高電壓大電流濕熱插拔電連接器方案設計。