多路超高电压连接器的设计

王佩 刘敏 彭光辉 李岩 杨瑞

【摘 要】本文主要介绍了一种多路超高电压连接器的设计方案，简述了高压连接器的基本工作原理、整体结构、独特的密封设计和材料选择，并使用ANSYS仿真软件进行了仿真和优化，提高了产品的可靠性。

【关键词】超高压电连接器;多路;ANSYS仿真

1引言：

高压电连接器作为一种高压信号传输元器件。在常用的高压电连接器的设计中，如果在高压设备中内有多路高电压导线连接时，需采用多个单芯高压连接器，因此占用的空间较大，操作起来较复杂。本文针对用户的特定需求，设计多路超高电压连接器。该连接器节省设备空间、绝缘性能优良、工作性能稳定，具有高集成度及快速插拔的特点，能够同时稳定传输高压信号。

本文介绍了一种多路超高电压连接器的设计，满足整机的安装及使用要求，且具有工作电压高、集成度高、性能稳定可靠等特点。

2主要技术指标：

1）工作电压：160kV d.c.;

2）工作电流：5A d.c.;

3）接触电阻：<15mΩ;

4）绝缘电阻：≥5000MΩ;

5）介质耐电压：170kVd.c（海平面）。

3整体结构设计：

多路超高電压连接器为一配对连接器，包括插头与插座连接器。使用时通过插头和插座之间的机械连接，带动接触件之间的插合，接触件包括带簧片插针和插孔，其中带簧片插针为弹性接触件、插孔为刚性接触件，使得接触件在插合时形成弹性接触，产生低的接触电阻，从而实现良好的电气连接;同时，由于采用了高性能绝缘材料以及插合界面密封设计结构，从而有效地阻断了气隙通路，达到了耐高电压的目的。本文介绍的多路超高电压连接器插头和插座连接器工作电压为160kV d.c.，安装方式为法兰安装，螺母紧固。

1）插头结构设计

插头连接器由带簧片插针、绝缘壳体、密封套、尾部附件、连接套和高压电缆组成，如图1所示。

绝缘壳体由热塑性工程塑料模塑制造成型，重量轻、耐电压强度高;密封套采用氟硅橡胶模压制作，具有很高的介电强度、极好的耐油性、耐电晕能力。其内外表面有多个凸起的“密封环”，利用“密封环”的凸起进行界面密封，具有良好的耐压密封效果。带簧片插针采用良好弹性的铜合金表面镀硬金，提高导电性和抗磨损能力。

连接器的连接套、尾部附件相互配合能可靠地保持住绝缘壳体相对位置;带簧片插针和高压电缆中利用焊接方式可靠连接;绝缘壳体内孔与高压电缆的间隙用环氧胶灌封，保证机械强度和耐压能力。

2）插座结构设计

插座由插孔、法兰盘、绝缘壳体、压环、密封圈组成，如图2所示。

绝缘壳体采用工程塑料模压制作;插孔采用弹性良好的铜合金表面镀硬金;压圈、法兰盘采用高强度变形铝合金，机械加工而成。密封圈采用丁腈橡胶制成，具有极好的耐油性、耐磨性。

连接器的法兰盘、压圈相互配合能可靠地保持住绝缘壳体、密封圈的相对位置;密封圈截面为O形，其放入法兰盘的凹槽中，装配完成后有一定的压缩量，可实现一定的油密封作用。插孔与壳体一体化注塑成型，有很好的限位作用。

3）插合界面设计

插合界面是指插头和插座之间的接触面。插合界面的结构形式为圆孔和圆柱，通过圆孔和圆柱的插合，形成界面密封结构。插头连接器绝缘壳体上设计有圆柱，插座的绝缘壳体上设计有圆孔。圆孔的材料为硬质的工程塑料，具有一定的脱模斜度，端部直径小、底部直径大;圆柱的材料为硬质的工程塑料，将软质的密封套装在其凹槽内。当连接器在插合时，圆柱插入圆孔，圆柱上的密封套与圆孔内表面过盈配合，材料为一软一硬，因此在径向上均会产生一定的弹性压缩，形成了界面密封结构，阻断了气隙通路，使得产品具有良好的耐电压性能。

4 模拟仿真技术

将Creo的三维结构图导入ANSYS中，对电场强度及电场分布进行仿真分析，圆形连接器为同轴结构，仿真分析较为简单，根据仿真结构优化机构设计，经过多次迭代，最优化的设计结构电场分布均匀，最大电场强度小于材料击穿电压，说明设计合理。如图3所示。

5.试验样品试验数据对照表

经过结构设计和仿真计算，我们对两个摸底批次的试验样品按技术要求进行了试验，试验证明设计合理，结构可靠，符合技术要求。主要数据如下：

6结语：

本文介绍的多路超高电压连接器节省设备空间、绝缘性能优良、工作性能稳定，具有高集成度及快速插拔的特点，能够同时稳定传输5路超高压电信号，并且单路的传输电压可达160kV d.c.

参考文献：

[1]苏太东.DH型矩形高压连接器的设计[J].机电元件，2011，14（2）：1-2.

[2]黄志新.ANSYSWorkbench16.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2016：83-88.

[3]高压连接器的基本原理[A].美国第24届连接器与互连会议论文集[C].

（作者单位：中国电子科技集团公司第四十研究所）