微小型高密度耐高压电连接器可靠性设计

微小型高密度耐高压电连接器可靠性设计

李翔李雪玲邓华亮

深圳市爱得乐电子有限公司   广东 深圳   510108

摘要：作为高压信号传输元件，高压连接器主要应用于航空、大功率雷达、电子对抗、激光系统、X射线设备、高压电传输设备和电真空器。通过小型化高压连接结构、界面气隙和密封设计的微小型化，阐述了高压连接的产品结构和设计方法，并讨论了影响高压连接器性能的主要因素。

关键词：微小型；耐高压；连接器；设计

然而，随着小型、轻量和集成器件的发展，传统的耐高压连接越来越受到过大体积、长轴距和重量的影响。相应的器件模型的发展非常不均匀，这大大限制了小型器件模型的应用，但单芯或少芯数连接器无法满足配置要求，对耐高压电连接的要求非常高，同时，电连接器的耐用性、小型、轻量、插拔快速的使用、安装等方面都有要求

一、国内发展历程

高压元件通常用于高压电源、行波管、电子对抗、激光环形陀螺仪和阴极射线管。在这些应用中，典型的工作电压从2 kVDC开始，现在有超过100 kVDC的电压系统。以前，这些设备和系统通常在电路板上进行高压引线焊接，然后用耐电场强度和耐电弧(如环氧树脂或硅橡胶)进行灌封，但是当设备被系统损坏，系统难以维护时，我们还实施了模块化系统，这对于快速维护，更换，维护和升数换代系统至关重要。当然，这对接触式连接元件的高压系统的电性能、耐用性和可靠性提出了很高的要求，中国已经开始开发和生产高压连接器，但开发技术越来越成熟，逐步建立了系列化、型谱化。

二、微小型高压电连接器的设计要点

1.电气性能。高压连接器的可靠性取决于其绝缘特性，对高压分析和研究具有重要意义。高压连接器的可靠性主要取决于决定外绝缘结构中电压强度分布的两个因素。耐受电压绝缘能力，长时电压或短时电压连接器的额定电压不同，在设计高绝缘连接器时，先要选择合适的绝缘等级。由于电压的连续运行，即使电压不超过标准，绝缘也会逐渐被破坏，这将导致绝缘电路的破坏，因此在施工时要选择相应的绝缘电阻和介电强度材料。

2.环境要求。高压连接绝缘体对机械负荷、电缆拉力和机械振动承受电场作用。局部绝缘体可以损坏。造成下降电气强度、击穿，在选择绝缘材料时应考虑到机电效应;每种绝缘材料都具有一定的耐热性，温度过高会导致绝缘能力丧失或缩短寿命，迅速老化，根据环境温度和温度稳定性的要求，还应考虑压力、温度、湿度、液体浸渍、化学腐蚀等因素。

3.结构要求。电连接器的设计不同于低频连接器，因为它较高介质和低气耐压的要求。结构有两个主要组成部分。一方面，由于大小，接触点之间的距离小，过电压，工作电压可能会暂时超过设计值，电离，飞弧会导致连接失效，正确的结构应尽量增加爬电距离;另一方面，根据气体放电理论，当空气压力逐渐减小，空气击穿强度降低时，高压连接器设计必须考虑空气隔绝特性，即与接触元件的插合界面以及对电缆接线的特殊要求。

三、微小型高密度耐高压电连接器的设计

1.整体设计。微小型高压连接器研制的难点在于产品尺寸大小和点间距小(仅3mm)，影响高压和低压连接器的性能，消除了界面气隙和密封设计，实现了快速连接分离，由于插头和插座之间的卡口式，波形弹簧锁紧力用于轴向;为了满足连接器的高电压特性，减少间隙空气，开发了一种绝缘体插合界面，将锥形弹性的“凹－凸”孔绝缘安装板。导线组件灌胶方式线夹式尾罩在尾部配置带屏蔽，用于处理束和屏蔽。

2.高密度结构高压小型化技术设计。绝缘设计主要是材料的选择，考虑到介电强度，电导率和介电常数。为了在不同温度下保持连接表面的表面压力，至少有一种绝缘材料由弹性好材料制成，如硅橡胶，在高温和低温下保持良好的弹性和高强度介电。作为硬绝缘材料，建议邻苯二甲酸二烯丙脂具有击穿电压高耐电弧，耐漏电痕迹，臭氧性，高温条件下的性能稳定性等。为了防止高度(气压)的变化，内部连接器产生小气泡，吸入含有湿气和其他有害物质的有害气体，消除连接器内部的空气间隙，电晕防止产生，使瞬时过电压超过设计值电离或飞弧，以消除设计中限制瞬时过电压影响，因为小型化连接器，使接触点与外壳之间的距离很小爬电距离增大。因此，插孔绝缘体可以是圆锥台凸起的结构，插针界面可以是带密封垫圆锥孔设计，结构可以增加元件之间的爬电间距，并通过锥面对整个表面施加均匀的压力，使一定的密封垫结构可以在一定的界面压力下施加到空气间隙消除。

3.设计界面气隙及密封技术。电连接器的接触面没有空气间隙，电连接器界面和导线端特殊的要求。当工作温度和低压不被击穿时，在-65~+200℃。设计插合界面气隙时，头座插合后空气间隙减少为小型化结构，而插孔绝缘设计为带圆锥孔结构的密封垫;插孔端面与插针端密封垫压合，则压缩可以消除电极间气隙连接;在模塑工艺应控制孔绝缘体内空隙;模具应控制温度，压力和成型时间，以消除绝缘材料中不必要的裂疏松和裂纹。密封垫压缩量来控制间隙的，参照国外高压连接器的设计数据，考虑到连接材料的设计和使用，连接器的压缩应在0.5mm左右，由于环境和工作温度，以及两种材料的热膨胀系数，过紧配合锥台和锥孔的连接，如果气体达不到排出目的，空气将被挤入连接器。由于空气隙形成，该产品在高压测试中效率低下。因此，两者配合尺寸都非常重要，但也难以掌握，需要考虑很多因素，结合非常丰富的经验，进行测试，以确定合适的尺寸并不断改进。此外，一道密封圈设计在插座壳体内腔中，插合连接器时，压缩密封圈插头壳体与插座壳体密封腔在连接器内部形成，以防止灰尘，污染等。密封圈和密封垫设置在插合界面上，以增加爬电距离、空气间隙和防潮防尘在界面上消除，从而提高连接器的耐压和环境耐用性设计接触点与导线之间气隙，考虑焊接式的端接方式导线与接触，控制焊接件的质量，防止焊焊点的处理不当，导致尖端放电，采用压接式接触件的端接，因此在设计过盈锥台时将设计接触件压入绝缘体前端的锥面方便，有灌胶腔绝缘体上设计，使压入接触件后灌封环氧胶，接触点根据与绝缘体接触后可靠性隔绝空气间隙击穿电压提高。

高压连接器的灌封技术要求严格，接触件与导线之间的接触必须牢固地固定绝缘体粘接，壳体粘接绝缘体。在等离子清洁灌封之前，将混合胶液缓慢混合到混合物中，以减少空气量。由于混合物通常与气泡混合，因此排气可以通过抽真空等特殊措施提高灌封质量。小型化接器和电真空设备是高压设备的关键部件，它是一个小型、轻量、高集成度的系统的重要组成部分，其设计可靠性直接影响军事设备小型化的安全运行，高压连接的结构、界面气隙及密封是影响高压连接性能的重要因素。

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