摘要：本文对QH型系列圆形高压连接器的设计原理、结构设计、插合界面设计、导线密封进行了论述，并阐述了在研制过程中所采用的一些特殊结构和加工工艺方法。
关键词：高压连接器 结构设计 无空气间隙 密封


引言


工作在1000V 120，000V之间或更高电压下的连接器，称之为高电压电连接器（简称高压连接器）。当要求连接器在低电压下工作时，设计或制造技术与电压间的矛盾不大；当要求连接高压时，就需要采用某些特殊的设计方法和制造技术。高压连接器要求特别注意电晕的问题、爬电距离、介质的介电强度、接合面压力和特殊材料的使用，这些条件对高压连接器完成它们特有的功能来说都是至关重要的。本文以四芯高压连接器为例，重点阐述其总体结构设计、结构特点及研制过程中所采用的一些特殊结构和加工工艺方法。


设计依据


本高压连接器的设计主要依据协议书和用户的要求，并参照了GJB1217-91和GJB598A-96的有关技术要求，主要技术要求如下：
工作电压、电流:　1Kv 3Ad.c.
接触电阻：　　　　 ≤100m
绝缘电阻：　　　　＞500Ｍ
介质耐压： 8KV
工作环境温度： －55℃ +125℃
振动：　 10Hz 2000Hz 15g
冲击： 20ｇ
机械寿命： 500次
盐雾： 48h


设计原理

为了满足连接器的电压技术条件，高压连接器的各个部分必须有足够的介电强度，从高电位到低电位或到地之间的所有路线都必须成为一个均质的固体绝缘体。在高压连接器的设计和生产中要尽量避免空气间隙的存在，即设计或生产无空气间隙的连接器。

高压连接器的耐高压主要由以下几个方面决定：


爬电距离


在结构允许的可能条件下，要尽可能增大爬电距离。由于高压连接器是由手工安装、插拔使用，工作电压较高，瞬时过电压或工作电压可能会超过设计值而产生电离或飞弧。因此在设计上必须采取措施限制瞬时过电压所产生的影响。当导电零件之间的绝缘间隙足够大时，瞬时过电压虽产生飞弧但仍不足以电离绝缘间隙，可以有效地限制瞬时过电压的危害。导电零件之间漏电流的大小取决于持续工作电压的有效值或直流值和介质材料的介电强度，所以持续工作电压的大小就决定了爬电距离的大小。


界面气隙


连接器在插合后接触界面应无空气间隙，从而对连接器的界面及导线端接处提出了特殊的要求。连接器的界面主要包括两个方面：一部分是固定连接器和自由连接器的插合界面，另一部分是连接器接触件和导线焊接处界面。连接器这些部分必须能承受-55℃～＋125℃的温度和70000英尺高度时不被击穿。绝缘体内的空隙必须通过模塑工艺来控制，模塑时对有充足塑流的镶嵌模的温度、压力和时间进行全程控制，也同时消除了绝缘体不应有的疏松和裂纹。界面间的间隙要靠软绝缘体的压缩量来控制，界面压缩量控制在0.5mm左右。


绝缘材料


绝缘体应选用绝缘强度高、表面电阻大的材料，如邻苯二甲酸二烯丙脂（DAP）、硅橡胶等。这两种材料的击穿电压高，具有耐电弧性、耐漏电痕迹性、耐臭氧性，绝缘性能良好，在高温高湿条件下性能稳定，并且模压零件的内部致密，不易产生小气泡。避免了由于高度（气压）的变化连接器内部各部分的小气泡形成泵吸作用而吸进湿气等含有杂质的有害气体。


所用导线及接触件的外形和镀层


连接器使用的导线应符合耐高压的要求，如氟塑料耐高压导线。连接器采用圆柱形接触件，其表面镀金。在连接器中近似平行的接触件电荷均匀分布在柱形表面可以近似地看作均匀电场，在同样条件下其气隙击穿电压比球形等电极高。金镀层表面致密光滑，气体吸附率小，其气隙击穿电压也较高。接触件的接触电阻要设计得低于等同与接触件长度得最大规格导线得电阻，这样可以避免连接器在正常工作时被热击穿和电击穿。

结构设计


总体设计


由上述，设计无空气间隙的连接器对连接器的插合界面及导线端接处都有特殊的要求，当电压较高时，介质耐压和爬电距离具有新的意义。在连接器结构小型化趋势下，连接器尺寸越来越小，接触件之间和接触件与外壳之间距离很小，所以必须使用特殊的结构来增大其爬电距离。高压连接器安装板应设计成可以固定接触件的在轴向上凸起的"圆锥台"状和与之相对应的"圆锥孔"状（如图1），并至少一个安装板用硅橡胶制成。这样的结构增加了接触件间的爬电距离，且由于锥面的存在，整个配合面可以施加相等的压力。在一定的界面压力作用下，可以使软安装板产生一定量的压缩，并在软安装板上增加密封结构，从而更有效地排除电极间的气隙连通，达到在界面上消除空气隙的目的。软安装板的压缩量是由"圆锥台、孔"、连接套和波纹簧组合控制的。

连接器的整体结构设计如下：

固定端电连接器和自由端电连接器均由接触件、绝缘安装板、壳体及尾部附件等零部件组成。自由端连接器里装插针接触件，安装板采用介电强度好、弹性好的硅橡胶模压制成；固定端电连接器里装插孔接触组件，安装板采用硬质绝缘材料。为了防止误插，自由端电连接器壳体和固定端电连接器壳体设计有五键槽结构；为了达到快速分离的目的，在自由端连接器外壳上配有连接套，连接套的内孔壁上设计有三条等螺距的螺旋线结构的卡口螺旋槽（如图所示），在卡口槽的底部有卡钉通孔，可观察连接器的啮合；相应的，固定连接器外壳表面设计有三只卡钉，可旋至螺旋槽的底部，自由端电连接器旋到位后，连接器即可锁紧。在自由端连接器上，按顺时针方向旋转连接套完成连接，按逆时针旋转连接套完成分离，在连接器完全啮合而连接套处于锁定位置时，通过连接套上对应的孔能看见卡钉端。

四芯高压连接器的设计应使在使用过程中保持恒定的界面压力，完成这个任务的方法是采用锁紧机构。为了防止有害气体、潮气、盐雾、水等进入连接器内部，提高连接器的使用寿命及使用的可靠性，在结构设计时借助于五键槽完成连接器定位，用连接套将自由端电连接器连接到固定端电连接器。

连接器的插合界面设计

为满足连接器对高压性能的要求，其安装板必须设计成于一般连接器不同的结构。在连接器的插合界面上，自由端采用硅橡胶软安装板，设计成有内凹的"圆锥孔"结构，用以固定插针接触件；固定端采用DAP硬安装板，设计成有外凸?quot;圆锥台"结构，用以固定插孔接触件。结构如图３所示。

连接器的导线密封

导线密封包括自由端连接器和固定端连接器导线密封。对于采用氟塑料的导线，为了使导线粘结牢固，必须对导线粘合部分进行喷沙处理，使其表面粗糙，再使用强氧化性处理剂腐蚀导线。腐蚀过程使导线表面分子反应形成自由基的含碳膜，含碳膜与密封性粘结剂起化学反应形成真正的化学粘结。

导线与接触件焊接时，要求焊点面积小且与接触件表面平齐，这样一方面可以避免由于焊点面积大破坏接触件表面镀层，另一方面也可以避免由于焊点的突起或凹陷而引起的尖端放电，以及在模塑时容易造成气体吸附形成"空气泵"

在自由端连接器中，处理后的导线与接触件焊接后涂上一层硅橡胶粘接剂，用专用工具送入硅橡胶软安装板中(如图４所示) ，然后用连接螺母压紧硬安装板来支撑软安装板和导线。

在固定连接器中导线焊接处要解决两个问题，一个是结合界面上的爬电距离，一个是导线密封。如图５结构，采用同样的处理方法，可以解决以上问题。


灌封


高压连接器灌封时，接触件与电缆处的接点必须与他们的绝缘安装板粘结，而绝缘体又必须与连接器的外壳粘结。接触件插入绝缘安装板前必须使用粘结剂，然后采用环氧树脂或硅密封化合物在固定连接器和自由端连接器的尾部灌封，放置在有加热装置的真空容器中排气，直到气体除去，并在一个合适的温度下保持一定的时间，使其固化。一般地说，灌封是用户在使用时所要做的工作。