高电压大电流湿热插拔电连接器的预先技术研究

雷 义

（上海京波传输科技有限公司，上海 201800）

湿插拔连接器可以在水下进行插拔，涉及众多关键技术，研发难度极大[1]。国内市场长期处于被垄断状态[2]。2018年，湿插拔连接器被《科技日报》列为对我国工业发展至关重要的35项“卡脖子”技术之一。

电连接器占据了水下湿插拔连接器市场的大部分份额，如果能够攻克高压、大电流的水下湿插拔连接器所涉及的众多关键技术，将促进我国海洋工程装备、石油天然气与可燃冰工业、近海可再生能源等众多领域发展，实现海洋工程装备跨越式发展[3]。

1 高电压大电流湿热插拔连接器研制难点及技术指标

有源在线插拔的高压大电流水下湿热插拔连接器技术难度高。首先，电性能要求高。要实现大电流传输，接触电阻必须非常小，同时高电压对材料的绝缘性能提出了极高要求[4]。其次，散热性能要求高。大电流必然产生较高的热量，如果散热不佳，连接器内部零件的热应力就会升高，可能导致零件出现变形甚至强度失效，直接影响湿插拔。最后，密封性能要求高。高压大电流的有源插拔对连接器的密封设计提出了更高挑战[5]。

针对高电压大电流湿热插拔电连接器的迫切需求，开展湿热插拔耐高压电连接器原理及结构设计研究，突破水下耐高压、高可靠绝缘、水下动态密封、压力平衡以及带压插拔在线测试等关键技术，研制水下高电压10 kV、电流250 A的高电压大电流湿热插拔电连接器样机，打破了国外对该类产品的垄断局面，实现了国产化研制，形成了产品化生产能力，并通过模拟压力环境完成了动态插拔过程的各项性能指标验证，预期达到的技术成熟度为6级。

预期达到的主要技术指标如表1所示。

表1 预期达到的主要技术指标

2 高电压大电流湿热插拔连接器研制内容分解

2.1 带电热插拔的电接触件与海水绝缘技术研究

湿热插拔连接器电接触件与海水间实现绝缘的关键在于连接器的密封设计，是湿热插拔连接器实现水下动态密封的基础。保证湿热插拔连接器在海洋环境插拔状态下的动态密封及带电插拔，通过电接触件与连接器壳体间的密封结构设计，利用接触件端面密封和充油压力平衡原理，满足水下动态插拔的要求和适应任意水深的使用要求，需研究电接触件结构设计、电接触件动态密封技术要求、电接触件耐水压设计技术研究以及电接触件带电插拔设计技术研究。

2.2 耐高电压设计与验证

连接器的耐高电压主要考核的是连接器的抗电击穿能力。抗电击穿设计主要从抗高电压防击穿考虑。当插合的湿热插拔电连接器在正常工作状态下电接触件间的电压较高时，因为某种缺陷的存在或电接触件结构设计不合理，会引起火花放电的产生导致产品击穿。

电接触件的绝缘介质抗高电压击穿能力主要与材料性能、绝缘结构和环境温度有关。通过优选介电强度高的介质材料作为绝缘材料，可提高连接器在高电压状态下的防击穿能力，达到高电压大电流使用条件下的绝缘效果。为防止湿插拔连接器在使用中出现电火花，在选择性能优良的绝缘材料的基础上，重点从材料的加工工艺进行优化，通过对小间距零件表面进行特殊加工，保证材料表面光洁度，避免尖边或毛刺的存在。开展的研究内容主要包括抗电击穿结构及材料研究、抗电击穿措施研究、抗电击穿仿真分析研究以及抗电击穿试验验证。

2.3 连接器大电流温升研究

湿热插拔电连接器的接触件接通后，受导体本身的体电阻和接触电阻的影响，湿热插拔电连接器通电流后势必会产生一定的热量。本项目需要连接器通过250 A的大电流，故开展电接触件电热耦合技术仿真分析、湿热插拔电连接器温升控制以及橡胶老化寿命控制等研究。

2.4 压力平衡技术研究

湿热插拔连接器在水下工作，存在压力平衡问题。为保证它的水密性和插拔力问题，需要采取措施解决内外压力不平衡的问题。由于连接器内外存在巨大的压力差，导致插合与分离过程需要较大的插拔力，进行水下插拔动作十分困难。本项目研究拟采取在连接器内部设计一种充油与压力平衡装置，使连接器插拔过程中保持内外压力平衡或将压力差控制在一定范围内，从而使插拔力不受水深影响，减小因水压带来的插拔力问题。目前，国内外优先选择的解决方法是压力平衡[2]。因此，开展的研究内容主要包括压力平衡结构设计研究、压力平衡结构仿真分析研究以及压力平衡结构试验验证。

2.5 连接器对接与分离锁紧技术研究

湿热插拔电连接器能够在水下实现水下插拔功能，除了连接器插头与插座自身具备插拔时性能要求外，最重要的是能简单方便地实现遥控无人潜水器（Remote Operated Vehicle，ROV）对水下湿插拔连接器插头与插座的快速对接与分离功能。对接与分离技术研究的主要内容包括连接器对接与分离结构设计、连接器插拔力设计与测试以及连接器水下插拔验证。

3 高电压大电流湿热插拔连接器设计

水下湿热插拔电连接器利用压力平衡原理，可使连接器在任意海水深度下自由连接分离。充油压力平衡主要利用液体的不可压缩性，使得充油压力平衡腔不管到达深海哪个位置都不会因外界海水压力而压缩腔体，改变腔体体积。当连接器对接后，插头插座两端腔体合二为一，插头插座内部压力达到平衡。湿热湿插拔电连接器由插头、插座以及充油电缆等组成，整体结构如图1所示。

图1 湿热湿插拔电连接器整体结构图（单位：mm）

插头主要由ROV操作手柄、插头壳体部件、锁紧部件、外壳体、插孔组件、插头绝缘体、尾部附件、外平衡囊以及内平衡囊等组成，结构如图2所示。

图2 插头组成示意图

插座由插座壳体部件、安装法兰、插针组件、插座绝缘体、导向销、尾部附件、平衡囊以及弹簧部件等组成，结构如图3所示。

图3 插座组成示意图

湿热插拔电连接器拟采用充油平衡结构实现水下插拔功能。等压平衡密封原理利用了液体压强处处相等的属性。当外部工作水深变化时，压强会通过弹性橡胶件传递到舱体内部。在充油舱内的压强会产生相应幅度的变化，利用体积变形缓冲的方法实现内外压差自动补偿适应。

工作于深水环境下的连接器采用等压平衡密封设计，不仅可以保护原有的密封体系免受过大压差的作用，而且可以利用填充的绝缘填充油增加一层密封保护层。

湿插拔连接器采用压力平衡原理[6]，如图4所示。使用橡胶件、金属/非金属零件在连接器内部建立一个充油密封舱来对连接器电接触件进行密封，既可以达到密封效果，又可以利用油的良好绝缘性，提高连接器的耐电压性能。

图4 自适应装置平衡原理示意图

4 结语

开展高电压大电流湿热插拔电连接器的技术研究，深入调研湿插拔连接器领域的需求和技术现状，明确高电压大电流湿热插拔电连接器的技术指标和技术难点，初步完成了高电压大电流湿热插拔电连接器方案设计。