4 芯弱电湿插拔连接器的研制

赵宏力，宋小海，朱麟杰，范海涛，许洋（美钻能源科技（上海）有限公司，上海 200941）

0 引言

20 世纪80 年代初期，连接器的使用领域由地面发展到水下。近年来，随着经济全球化的发展，人类对能源的需求越来越大，迫使油气开采由陆地走向海洋、从浅海走向深海。并且随着海洋资源开发和海洋科学研究。促进了海洋长期观测和探索发展，4 芯弱电湿插拔连接器（以下简称为4 芯连接器）是实现深海监测站与通信电缆之间的必不可少设备，基于此背景催生了4 芯连接器的研发，也为深海信息系统设备的重组与扩展给出了有效的解决方法。

由于陆地油气的不断开发，海洋油气已经成了提供全球能源的主要途径。人类开发海洋油气已经从海水面发展到深海，开采海洋油气已经是水下模式，而且整个海洋油气开采系统都布置在海底。可见4 芯连接器已是水下油气开采系统的关键部件。

本人在4 芯连接器的研发过程中，完成了焊接电缆线固定的结构设计、电缆与金属之间密封设计、二级密封结构设计[1]、连接器电绝缘设计等。并完成了4 芯连接器样机试制。

1 4 芯连接器的结构与组成

连接器主要分为插座和插头两部分，要求在大水深1 500 m 的静水压力下传输电流和信号。接触件采用在铜合金表面镀金，接触件配合表面均有很高的表面光洁度，可满足接触电阻不大于10 mΩ 条件下50 次插拔。

插头或插座与用户设备安装板连接通过O 型密封圈密封，O 型密封圈是比较成熟密封方式可以实现大水深静水压力要求，使用时插座安装在面板上，插头固连在用户设备上，插头和插座无需采用螺纹或其他锁紧机构，插合后用户设备可保证插头合插座之间不产生轴向窜动，即设备结构保证插合锁定，无需连接器自锁。

插座连接器与安装板面通过螺纹连接进行安装，插头与安装台面通过螺栓固定，插座和插头与安装板面的连接方式可以根据实际情况进行变更。

2 4 芯弱电湿插拔连接器技术问题

因为4 芯连接器需要在水下长时间工作，所以分离、插合是在复杂恶劣海底水下环境中完成的。特别是在大水深1 500 m 处的插合和分离连接器不可能由潜水员来完成，只能利用遥控机器人ROV 搭载机械手来进行作业。

4 芯连接器的研制需要解决的技术难题较多，国内几乎无可借鉴的成熟产品，这就给连接器研制带来很大难度。

急需解决的4 芯连接器的技术难题可以归纳为以下三项：（1）连接器的电绝缘技术问题；（2）电缆固定技术问题；（3）连接器的密封技术问题。

2.1 4 芯弱电湿插拔连接器的绝缘问题

（1）在插头和插座分离状态下：①接触件之间的绝缘技术问体；②接触件与壳体之间的绝缘技术问题。（2）插头和插座插合过程中绝缘技术是核心技术问题。

2.2 电缆的固定问题

文章4 芯连接器电缆固定方式为非硫化固定，如果电缆在壳体内固定不牢，当电缆受轴向载荷的情况下电缆很容易被拉出，因此4 芯连接器结构设计固定电缆线是技术难点。

2.3 连接器密封问题

4 芯连接器应用在深水中，这就对密封要求极高。连接器密封分为两种情况，（1）在连接器在没有插合的状态下插座、插头的独立密封，以及插合好状态下的密封。这两种情况都是静态密封；（2）连接器插头、插座在插合过程中的密封。这种情况为动态密封[2]。

3 4 芯弱电湿插拔连接器技术难题解决方案

3.1 连接器电绝缘技术设计方案

4 芯连接器耐压计算

耐压主要介电强度最薄弱的部分决定，由4 芯连接器结构可知，只需要对接点之间、插座的焊杯与外壳之间、插孔与海水之间计算即可。

3.1.1 接点之间

腔体填充硅油，接点之间被硅油填充，硅油介电强度按1.5 kV/mm 计算。

接点最近点位5.70 mm，耐压强度为：

5.70 mm×1.54 kV/mm=8.78 kV > 1 000 V AC 满足设计要求。

3.1.2 插座的焊杯与外壳之间

耐压强度最薄弱处为焊杯距离压紧螺母最近为5.33 mm，焊接后尾部灌封，灌封材料（15.7 KV/mm）实现电气的隔离，耐压强度:

15 kV/mm×5.33 mm=79.95 kV > 1 000 V AC 满足耐压设计要求。

综上，4 芯连接器设计满足耐压1 000 V AC 的设计。

3.1.3 插孔与海水之间

插孔与海水之间绝缘由少量硅油及油囊实现，插孔距离油囊最近为7.33 mm 如图3，之间由硅油填充；油囊厚度为1.5 mm，采用氟硅橡胶（15 kV/mm），耐压强度为:

1.54 kV/mm ×7.33 mm+15 kV/mm×1.5 mm=33.7 kV >1 000 V AC 满足耐压设计要求。

综上，4 芯连接器设计满足耐压1 000V AC 的设计。

绝缘电阻:1 000 MΩ。

3.1.4 4 芯绝缘计算

插孔分别在硅油、油囊、PEEK 材料中，为了便于计算假设为三者串联。

绝缘电阻R 总

R 总=R1*R2*R3/(R1*R2+R1*R3+R2*R3) = 540 202 MΩ>1 000 MΩ 满足设计要求。

3.2 电缆的固定设计方案

电缆线头是焊接在插针机构和插孔机构上的，插头及插座在安装过程会受到连接器轴向拉力，锡焊力有相对较小，无法抵抗轴向拉力。因此需要把电缆线固定在连接器壳体内，这就要求巧妙的结构设计。

电缆线固定在连接器的原理：2 个螺母，一个为固定螺母，另一个压紧螺母，两个螺母中间有一个楔形环金属件及一个和楔形环配合的非金属件，当压紧螺母压紧金属楔形环时，非金属楔形环向电缆线方向位移这样就抱紧了电缆线，而焊接线是不受力的。

3.3 连接器的密封技术方案

电连接器插头和插座的独立静密封相对较容易通过O 型橡胶密封圈实现，插头和插座在插合过程中的动态密封及金属件与电缆线之间的密封是关键技术。

动态密封：密封件、导引件等组成接插件，在插入和拔出时能够防止水进入接插件内部，而且使电绝缘性不会降低。

其中密封件是硅胶材料，硅胶材料和海水相容性很好，这样就电连接的使用寿命就得到了保证。

插座在为了实现内外压平衡，插头内腔均需充满油，需设计合理的密封结构，使油与外界水体隔开，实现自密封。在连接器对接过、分离过程中，通过平衡等压设计结构保证插头充油腔依然保持密封和内外压力平衡状态。

金属件与电缆线之间的密封：连接器电缆线不是硫化橡胶密封，这样就给金属件与电缆线之间的密封提出了很大的挑战。因为电缆线外绝缘皮是刚度相对比较小非金属件，所以利用“O”形密封圈是无法密封的。这样此处密封就要采用灌胶工艺密封，而且胶要始终要受压力使胶与电缆线一直保持挤压状态，这样才能保证密封的可靠性。

4 4 芯连接器的测试和性能试验内容

连接器测试及试验项目包括：外观检查、密封测试、接触电阻测试、外壳绝缘电阻、耐压测试、干插拔测试、湿插拔测试、低温试验、高温测试、寿命试验、承压试验。

5 结语

4 芯弱电湿插拔连接器是深水密封的高端产品，也是价格昂贵的搞技术含量产品，全球仅有几家公司可以生产。这些公司有美国的SEACON、TELEDYDE ODI(Ocean Design Ins.)公司和德国的GISMA 公司。

4 芯弱电湿插拔连接器主要用在海洋天然气及石油领域。其中美国的ODI 公司的连接器产品90%应用在这一领域。连接器不仅应用在对海洋的探索和观测的水下信息传输领域，而且也国防军事领域，可见连接器的重要性。

由于陆地油气的大量消耗，开采油气已推进到深海。因此，必须在掌握国外连接器产品的基础上必须开发自主产品，就目前来看，水下插拔连接器需求量较大，有着较为广阔的前景。