一种小型化矩形高压电连接器的结构设计

程德帅 石承伟 李岩 王佩

摘 要：随着用户对高压电连接器可靠性要求的越来越高，对安装空间要求亦越小越好，文章介绍了为用户设计定制的一种6芯10kV的小型化高压电连接器，并利用ANSYS软件对产品场强分布进行仿真，计算绝缘电阻来验证结构的合理性。

关键词：高压电连接器；小型化；ANSYS仿真；场强分布；绝缘电阻

中图分类号：TM503.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）34-0093-02

Abstract： With the increasing requirement for reliability of high voltage connectors and the smaller installation space， this paper introduces a miniaturized high voltage connector with 6 cores of 10 kV， which is designed and customized for users. The ANSYS software is used to simulate the field strength distribution of the product and calculate the insulation resistance， so as to verify the rationality of the structure.

Keywords： high voltage connector； miniaturization； ANSYS simulation； field strength distribution； insulation resistance

1 概述

电连接器是电子系统中电信号传导的基本组件，对于特定的系统和发射机而言，安装空间往往有限，耐电压是关键指标，但结构越小越难实现高耐压。本文针对用户的特定需求，设计小型化水平安装矩形高压连接器。该连接器节省设备空间，具有良好的耐电压性能，保证整个系统的正常运行。

2 连接器指标要求

产品工作电压为10kVdc，介质耐电压设计为15kVdc，绝缘电阻≥5000MΩ。

3 结构设计

3.1 总体结构设计

小矩形小型化高压电连接器插合总长约32mm，插头外形尺寸仅为：长×宽×高=22mm×12mm×21mm，插座外形尺寸仅为：22mm×12mm×23mm，接触件为6芯，3行2列交错排列，水平安装，螺钉紧固，如图1，插头和插座插合，带动接触件插合，实现电气连接。产品采用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[1]。

3.2 插合界面设计

如图2所示。插合界面通过圆孔和圆柱密封。插座壳体有六根凸起圆柱，插头软安装板设计有圆孔。圆柱材料为硬质塑料，圆孔材料为硅橡胶。连接器插合时，圆柱直径和长度均大于圆孔，轴向和径向会产生弹性压缩，阻断气隙通路，在海平面及低温低气压条件下，都具有良好的耐电压性能。

4 耐电强度分析仿真

弹性密封绝缘材料采用硅橡胶，它具有很高的介电强度、极好的耐电晕能力，是很好的界面密封材料。我们对绝缘材料界面的耐电强度和场强分布进行仿真[3]，结果如图3所示。由仿真结果可知，最大场强分别为：1.4913×107V/m（芯对芯）和1.5015×107V/m（芯对地），小于硅橡胶材料的介质强度为2～3×107V/m和PEEK材料的介质强度为2.4×107V/m，结构设计是合理的。

5 绝缘电阻计算

接触对间的绝缘电阻是绝缘材料的体积电阻和表面电阻的并联。绝缘电阻应保持较高数值。在潮热环境使用时，应选择吸湿性小的绝缘材料[4]。产品绝缘材料采用PEEK-GF30，结构如图4，计算过程如下。

根据公式：R=RV·RS/（RV+RS），式中：体积绝缘电阻RV=ρV·d/S，表面绝缘电阻RS=ρS·b/s；ρV-绝缘材料体积电阻系数，查手册得ρV=1016Ω·m；ρS-表面电阻系数，查手册得ρS=1013Ω·m；s-导体间相对应的面积，本产品为3.2×10-5m2；b-导体间绝缘材料表面的最短距离，本产品为3.6×10-3m；d-导体间绝缘材料内的最短距离1.6×10-3m；計算可得：R=RV·RS/（RV+RS）=1.1×1015Ω>1000MΩ。

通过理论计算可知，产品材料选择是合理的，满足设计要求。

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]袁仕能.高压电气设备绝缘预防性试验及影响研究[J].企业技术开发，2017，36（4）：2-3.