一种矩形高压电连接器的设计

刘 敏，张 洁，郭庆领

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

高压连接器是指工作在1kV～120kV或更高电压下的连接器。该类连接器主要应用于X射线管、行波管、速调管、磁控管、高压电源等电子设备中，用于高电压信号的连接和传输。高压连接器是雷达、飞机和船舱等设备连接必不可少的组件。一旦连接失效，将导致整个系统的损坏，必须保证其高可靠性、稳定性。同时，其体积、重量也将直接影响整个系统的架构和设计。

本文介绍一种矩形高压连接器。该产品的连接形式为8芯矩形直插式结构，采用独特的法兰安装、螺钉紧固的形式，使得连接器能够水平安装，降低了安装高度，满足了设备内部安装的空间要求。

2 主要技术指标:

工作电压:12kV d.c;

工作电流:3A;

耐 电 压:18 kV d.c.(海平面)13.8 kV d.c.(3.42kPa);

接触电阻:≤10mΩ;

绝缘电阻:＞5000MΩ;

工作温度:－55℃ ～+125℃ ;

振 动:10 ～2000Hz，15g;

冲 击:50g;

寿 命:500次;

盐 雾:48h。

3 总体结构

本产品包括矩形高压电插头连接器和矩形高压电插座连接器。该产品的基本构成包括接触件插合对、绝缘外壳和连接机构，其工作原理为:通过插头连接器和插座连接器之间的机械连接，带动接触件之间的插合，接触件包括插针和插孔，其中插针为刚性接触件、插孔为弹性接触件，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。

3.1 插合界面的设计

插合界面是指插头和插座之间的接触面，如图1和图2所示。

插合界面如图3所示，其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。

插头硬安装板上设计有凸起的圆柱，插座的软安装板上设计有圆孔。圆柱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;圆孔的材料为软质的硅橡胶，圆孔的内壁设计有密封环，能够形成一定的弹性压缩。连接器插合时，圆柱插入圆孔，由于圆柱的直径和长度均大于圆孔，且材料为一软一硬，因此在轴向和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，使得产品在海平面条件下以及低温低气压条件下，都具有良好的耐电压性能。

图1 插头示意图

图2 插座示意图

图3 插合界面示意图

另外，考虑到材料在低温条件下会收缩、硅橡胶材料长期在低温条件下还会失去弹性，从而导致界面密封失效。因此，我们在设计时充分考虑了压缩余量，界面的压缩量远远大于材料的收缩率，同时，硅橡胶材料采用了新型的耐低温材料，该新型材料长期在低温条件下仍会保持良好的弹性。试验证明，该插合界面的设计具有先进性，在低温低气压条件下保持4h以上后，仍具有良好的密封性，耐电压性能满足要求。

3.2 法兰安装设计

该连接器主要应用于发射机与行波管之间高电压信号的连接与传输。因机箱内部空间有限，若采用通常的垂直安装结构，则安装高度较大，无法满足使用要求。我们采用独特的安装法兰形式，将法兰设计成一种直角结构，使得连接器能够水平安装，降低了安装高度，满足了设备的使用安装要求。

该产品的法兰安装结构如图4所示。法兰的垂直面(相对于连接器)设计有4个M2.5螺钉孔，用于插头和插座之间插合后的紧固连接，法兰的水平面(相对于连接器)设计有2个Φ2.8安装孔，通过M2.5螺钉将连接器水平固定在机箱面板上。通过这种设计结构，可以将安装高度控制在13mm左右，满足了设备的安装使用要求。

图4 水平安装示意图

3.3 新型材料的选择

由于该产品主要用于高空环境，耐低温低气压(－55℃、4.4kPa)性能尤为重要，高压连接器长时间(超过1h)处于低温环境下，其硅橡胶绝缘安装板就会失去弹性，使得弹性压缩插合界面失去弹性，从而造成插合界面的密封失效、产生打火现象。为了解决上述问题，我们的绝缘安装板采用了一种新型耐低温硅橡胶绝缘材料。该材料耐低温性能优异，长时期处于低温环境下仍具有较好的弹性。试验证明，采用该种材料后，耐低温低气压性能由原先的1h提高至4h以上，大大提高了产品的可靠性。

4 模拟仿真技术

该高压连接器结构形式为八芯矩形，形状比较特殊，不能等效为同轴模型，无法使用同轴模型的理论计算公式进行计算。在本产品设计中，通过将Proe的三维图形导入Ansys中，对电场强度的大小及分布进行模拟仿真，并根据仿真结果优化Proe的设计结构。经过Proe和Ansys的多次迭代设计，从而形成了最合理的设计结构。

我们利用ANSYS模拟仿真分析软件进行分析计算，按照最严酷的工作条件设计参数，即8个芯全部加上高电压(12kV)，外壳接地。ANSYS模拟仿真分析软件得到高压连接器的电场分布图和电势分布图如图5～图7所示。从下图可以看出横向界面和纵向界面，电场分布的最大值分别为17.9kV/mm和22kV/mm，均小于我们所用材料的击穿电压。

图5 电场分布图

图6 电场矢量分布图

图7 电势分布图

5 试验样品实测数据对照表

试验样品实测数据对照表见表1所示。

表1 试验样品实测数据对照表

6 结语

经过以上设计分析，我们对产品样品进行了2个批次的摸底试验，每批次8只，结果全部符合技术指标要求。通过对本连接器的设计开发，为以后其他类型高压电连接器的开发奠定了基础。

［1］ 严璋，朱德恒.高电压绝缘技术［M］.北京:中国电力出版社，2000.

［2］ 余玉芳主编机电元件技术手册编委会机电元件技术手册 北京:电子工业出版社1992.