小型圆形耐高压电连接器的研制

第2期2006年6月机电元件

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Jun .2006

收稿日期:2006-04-07

研究与设计

小型圆形耐高压电连接器的研制

匡秀娟,赵仕彬

(贵州航天电器股份有限公司,贵州　遵义　563006)

摘要:通过绝缘材料的选取及耐高压结构的合理设计来提高电连接器的耐高压性能。25000V 耐压试验及其他性能测试表明,小型圆形耐高压电连接器满足了用户的要求。

关键词:电连接器;耐高压结构;爬电距离;设计

中图分类号:T M 503+.5 文献标识码:A 文章编号:1000-6133(2006)02-0003-04

1　引 言

随着科技的不断发展,连接器在越来越多的领域得到了广泛的应用;用户对其外形、性能的要求也日益严格。多年来,经过市场的导向、筛选和淘汰,现在的连接器无论从外观、质量还是人性化设计方面都更加趋于完善,具有特定功能的新型连接器不断涌现。本文描述的小型耐高压电连接器就是我公司为响应市场需求而专门研制的一种新型连接器。下面我们主要阐述小型耐高压电连接器的研制情况。

2　设计要点简述

2.1　关于耐电压

小型耐高压电连接器的主要用途是实现高压电(例如30kV )的连接与传输,其主要指标是耐电压。因此,该连接器的设计要点是在有效的体积内设计合理的结构以尽可能地提高产品的耐电压。下面是单一介质的击穿电压计算公式:

V max =L ×r

(1)

式中,V m ax 为介质击穿电压,kV ;L 为电压施加点穿过介质体的直线距离,mm ;r 为介质体的介电强度,kV /m m 。

上述关系式可以用图1表示

。

图1　介质击穿示意图

根据式(1),为了在L 不变的前提下尽可能地提高连接器的耐电压,我们应该选择介电强度高的介质材料(如具有较好机械加工性能的聚四氟乙烯材料,其介电强度达23.6kV /m m );另一方面,由于插合、分离和其他因素的影响,连接器内部不可能处处充满着上述高介电强度的介质材料,而是存在着或大或小的空气间隙,而空气介质的介电强度只有(3～4)kV /m m 。这样,根据式(1),要想达到与上述高介电强度材料一样的耐电压,则必须设法增加其L 值,即增加所谓的爬电距离。爬电距离是耐高压电连接器设计中的一个非常重要的概念,它是指从电压施加点到击穿点间的有效距离(如图2所示)。

对于图2中爬电距离的计算,有如下几种情

况:

a .当在A 、B 两点施加电压时,其爬电距离L AB =a +

b +

c ;

b .当在A 、C 两点施加电压时,其爬电距离L AC =a +b +

c +

d +

e ;

c .当在B 、C 两点施加电压时,其爬电距离L BC =

d +e

。

图2　爬电距离结构示意图

2.2　可靠性设计

高压击穿是一种非常危险的现象,它将给设备和人身安全带来威胁,而由于介质材料的局部不均匀性和不同环境对材料绝缘性能的影响,实际工作的最高电压应是理论计算电压的1/4～1/3,以确保产品工作的可靠性。

3　设计过程中着重考虑的几个问题

3.1　绝缘材料的选用

由上述分析可知,绝缘材料应选择具有高介质击穿强度的材料,同时还要兼顾材料的机械加工性能。在很多情况下,我们选择聚四氟乙烯作为介质材料,这是因为它不但有较高的介质击穿强度,而且有良好的机械加工性能。3.2　插合端结构的考虑

对于耐高压电连接器而言,插合端的结构设计应重点考虑下面两点:

a .连接器处于未插合状态时,与高压电源相连的连接器(插头或插座)的高压接触件与插合界面间的爬电距离应足够大———不得出现介质

(空气或绝缘支撑)击穿现象而发生危险;

b .连接器处于插合状态或半插合状态时,整个连接器对内部接触件相对外壳的爬电距离应足够大———不得出现介质(空气或绝缘支撑)击穿现象而发生危险。

3.3　插头座内部结构的互换性问题

由2.2的分析可知,未插合的耐高压电连接器只有特定的一半能与高压源相连而不致发生危险(即高压接触件距离插合界面较远的那一半)。这样就使连接器对高压电的传输有了方向性。另一方面,通常情况下,实际使用中的耐高压电连接器插头座有一半固定安装在设备面板上,另一半不加固定(插合后,由固定安装的一半来限制其自由度)。因此,为了方便用户,在不改变连接器安装方式的情况下实现高压电在其内部的双向传输,插头座内部的整体结构必须具有互换性。3.4　尾端的处理

通常情况下,耐高压电连接器的尾端设计成线

夹形式以方便高压电缆的连接和安装,缺点是由于需要足够的爬电距离,这种连接器的轴向尺寸不可能做得很短。

对该小型耐高压电连接器,考虑采用密封的方法来固定导线并保证其耐压性能。

4　设计方案的确定

通过对上述关键问题的分析,我们可以根据用户的具体要求着手进行设计。由于用户要求产品的耐压值达到25000V ,且要求产品的外形尺寸尽量小,这对整个产品的结构设计提出了更高的要求。

产品整体结构如图3和图4所示。

图3　插头结构示意图

4机电元件2006年　

图4　插座结构示意图

4.1　绝缘支撑结构和尺寸的确定

空气的介电强度为3kV /m m ,聚四氟乙烯的介电强度为23.6k V /m m ,根据上述单一介质的击穿电压计算公式(1),理论上满足用户要求的最小爬电距离L m in 为:

L m in =25/3

=8.33(mm )

引入产品可靠性设计的安全系数,这里取安全系数为2.5,则满足用户要求的最小爬电距离应为:

2.5×8.33=20.8(mm )

针对用户对轴向尺寸的要求,为了使产品在相同的长度下有更大的爬电距离,我们在多个绝缘体的设计中采用了环形凹槽结构,以增加产品的爬电距离,满足产品的耐电压要求。绝缘体的具体结构见图5～图7

。

图5　插座绝缘体1

结构示意图

图6　插头绝缘体1

结构示意图

图7　插头、插座绝缘体2结构示意图

4.2　高压接触件的固定

由于接触件需焊接导线后再装入绝缘体,为了方便焊接,我们没有采用传统的焊杯型式,而是将接触件设计成打孔铣缺口的型式(见图8)。为了方便接触件的装入、更换,将接触件设计为固定在两个绝缘体之间。这种设计方式使得接触件的焊接便利,使用方便,可实现接触件的多次更换

。

图8　接触件结构示意图

4.3　尾端结构的确定

通常情况下,耐高压电连接器的尾端设计成线

夹形式以方便高压电缆的连接和安装,但该种结构

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