余海洋,姜 涛,刘 敏
(中国电子科技集团公司第四十研究所,安徽蚌埠,233010)
研究与设计
船舶用高压连接器设计研究
余海洋,姜 涛,刘 敏
(中国电子科技集团公司第四十研究所,安徽蚌埠,233010)
本文主要介绍一种船舶用单芯高压电连接器,采用高级界面密封技术,并经过MAXWELL仿真软件仿真,确保该产品设计合理。通过对该产品的各项试验,确保产品各项性能符合要求。
高压;MAXWELL软件;插合界面
高压连接器是指工作在1kV~120kV或更高电压之间的连接器。该类连接器主要用于X-射线装置、行波管、速调管、磁控管和高压电源以及激光等电子设备高电压信号的连接和传输。随着船舶技术的发展,对船舶用高压电连接器的需求也越来越多。
本文介绍了一种应用于舰载发射机上的新型25kV单芯高压电连接器的设计思路,模拟仿真效果及产品试验数据。产品照片如下图所示:
图1 船舶用25kV高压连接器外形图
本高压电连接器的设计主要依据用户的要求,并参照了GJB1217A-2009的有关技术要求,主要技术指标如下:
船舶用高压连接器与地面用高压连接器比较起来,不仅要求耐电压指标合格,具有易于维护的结构特点,还必须考虑严酷的船舶产品环境要求,包括盐雾、潮湿和振动等。为保证产品在长期工作条件下能够可靠传输高电压信号,插头插座端面需保持稳定的界面压力。同时,产品还需有易于维护的特点。为满足以上要求,可以通过以下几点技术途径:
1)采用新型工程塑料,该材料不仅具有良好的机械性能、电绝缘性能、耐高低温和耐磨性能,且憎水性优异,适合应用于潮湿的场合。其介电常数也比较高,可以大大提高产品本身的耐击穿强度。
2)通过设计计算和模拟仿真优化产品设计结构,从而有效地降低电场强度,满足耐电压要求。
3)插合界面端面压力依靠弹簧压力保证,可以长期保持恒定压力。
4)在一般情况下,高压电连接器插座尾部需用灌封处理来达到绝缘效果。虽然灌封可以有效绝缘和大批量处理产品,但不利于产品维护。为了满足用户对产品必须易于维护的要求,连接器尾部采用螺纹固定结构,通过旋转螺纹可以对连接器零部件随时进行更换。
本产品包括自由端高压电连接器和固定端高压电连接器,整体结构如图2所示。其中,插针和插孔采用铜合金材料通过机械加工成型;高压导线采用表面涂覆硅橡胶的聚四氟乙烯高压导线。
自由端高压电连接器
图2 整体结构示意图
连接器尾部均通过螺母与绝缘体之间的螺纹互配,使硅橡胶尾套变形进而达到隔绝空气的目的。因螺母与绝缘体间、绝缘体与安装板之间均是通过螺纹连接。因此,产品发生故障后,将螺母拧开,即可对零件进行更换,易于产品维护。
在界面设计中采用软硬“凸凹”配合,硬质材料为特种塑料,软质材料采用硅橡胶,如图3所示。插头安装板处装有弹簧,可以保证界面有恒定的压力,达到良好的密封效果。根据对高压连接器设计中的结构和所使用材料的研究,合理的界面压缩量一般要控制在0.5mm~1mm左右,才能保证界面在各种环境条件下仍然能隔绝空气间隙而不被击穿。通过调整弹簧压力,插头插针插合后,本连接器的界面压缩量在0.7mm左右。
图3 界面配合示意图
因为连接器没有进行灌封处理,所以避免了灌封过程中气泡的危害,以及灌封后无法对产品进行维修的缺点,但其对连接器尾部绝缘技术的要求比较高,需要尾部在各种环境条件下均能有效隔绝空气,保证产品的耐压要求。
图4 尾部配合示意图
为保证尾部可靠密封,绝缘体和尾套之间的斜面角度保持一定的偏差,保证尾部螺母拧紧后,尾套端面与绝缘体斜面紧紧贴合在一起,起到隔断气息通道的作用。
通过将产品二维立体图导入MAXWELL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CAD设计结构。经过CAD和MAXWELL的多次迭代设计,从而形成了最合理的设计结构。该结构耐电压性能高,场强分布均匀,最终的横向及纵向仿真结果如图5、图6所示。
图5 横向场强分布图
图6 总线场强分布图
从图中可以看出,产品最大场强约为6kV/mm,小于材料的介电强度24kV/mm。因此,产品结构较为合理,满足技术协议书要求。
经过以上设计分析我们对产品样品进行了2个批次,每批次8只的摸底试验,结果全部符合技术指标要求。经用户试用后,反映良好。通过对本连接器设计开发,为以后其它船舶用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] 曾余庚.电磁场有限单元法[M].北京:科学出版社,1982.56-80.
10.3969/j.issn.1000-6133.2015.03.001
TN784
A
1000-6133(2015)03-0003-02
2015-04-03
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