卞如民

(泰州市航宇電器有限公司，江蘇泰州，225310)

1 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，連接器在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而對(duì)于連接器的要求也越來(lái)越高。我們把工作電壓超過1000V的連接器稱為高壓連接器或超高壓連接器。當(dāng)連接器的外形較大，尺寸要求不高時(shí)，設(shè)計(jì)或制造與高電壓要求的矛盾不大，但隨著行業(yè)內(nèi)，對(duì)連接器的小型化的要求越來(lái)越高，使得設(shè)計(jì)和制造與高電壓的要求矛盾變大。合理的界面設(shè)計(jì)，特殊材料的使用及制造工藝的改進(jìn)對(duì)高壓連接器的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。本文以我司生產(chǎn)的兩款小型耐高壓連接器的研發(fā)情況為例，闡述高壓連接器在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程中需注意的事項(xiàng)。

2 高壓連接器設(shè)計(jì)要點(diǎn)概述

2.1 高壓連接器的失效模式

2.1.1 介質(zhì)擊穿

在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)喪失其絕緣性的現(xiàn)象叫介質(zhì)擊穿。高壓連接器運(yùn)行的可靠行在很大程度上取決于其絕緣體的絕緣性，任何一種電介質(zhì)都有其耐電壓的指標(biāo)，我們稱為介電強(qiáng)度，其介電強(qiáng)度越高，耐壓性能越好，如具有較好機(jī)械加工性能的聚四氟乙烯材料，其介電強(qiáng)度達(dá)23.6KV/mm，也就是說1mm厚的該材料理論上能承受23.6KV的電壓。然而，任何一種電介質(zhì)的耐壓性能都是有限度的，當(dāng)在電介質(zhì)兩端施加的電壓超過其所能承受的電壓時(shí)，介質(zhì)擊穿就會(huì)發(fā)生，以1mm后的聚四氟乙烯為例，在其兩側(cè)施加超過23.6KV的電壓時(shí)就可能被擊穿(不考慮其他電化學(xué)及熱擊穿效果)，電介質(zhì)遭到破壞，這種擊穿是致命的，會(huì)直接造成高壓連接器的失效[1,2]。

目前我們常用的電介質(zhì)分氣體，液體和固體三種，氣體和液體的介質(zhì)強(qiáng)度一般比固體低，但在介質(zhì)擊穿后可恢復(fù)，而固體擊穿后不可恢復(fù)，常用電介質(zhì)特性如下[1]：

表1 電介質(zhì)的特性[3]

2.1.2 局部放電

高壓連接器中不可避免的存在一些氣隙，一般情況下，這些氣隙中存在著介質(zhì)強(qiáng)度比固體低的介質(zhì)(氣體，液體及其他雜質(zhì))，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，這些地方會(huì)失去絕緣性，形成放電，造成高壓連接器失效，這種情況稱為局部放電。

不同性質(zhì)的電介質(zhì)之間的界面容易發(fā)生表面放電，如氣體與固體表面，氣體與液體表面，液體與固體表面。以氣體沿固體表面放電為例，當(dāng)沿面放電發(fā)展到慣性空氣擊穿時(shí)，稱為閃絡(luò)，這時(shí)的擊穿電壓要比純氣體的擊穿電壓要低得多，造成這種情況是因?yàn)闅怏w的介電強(qiáng)度要比固體介質(zhì)低，氣隙中的場(chǎng)強(qiáng)要比平均場(chǎng)強(qiáng)大，易造成局部放電，放電產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散到固體介質(zhì)表面，畸變電場(chǎng)分布，降低閃絡(luò)的電壓，另外，空氣濕度及固體表面的吸水能力也對(duì)閃絡(luò)電壓有顯著影響，當(dāng)空氣濕度大，表面吸附水分能力大的介質(zhì)體就很容易發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象[4,5]。

當(dāng)電介質(zhì)表面有臟污染時(shí)，這些臟污的介電強(qiáng)度往往比電介質(zhì)的要低，這些地方容易發(fā)生放電，而且這些臟污容易吸附水分，其中的電解質(zhì)溶解，介質(zhì)表面導(dǎo)電性增加，更易發(fā)生閃絡(luò)[5]。

2.2 高壓連接器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 絕緣材料

由上可知，高壓連接器中，正確的絕緣材料的選擇至關(guān)重要，我們首先選用介電強(qiáng)度高，表面電阻大的材料，同時(shí)還得考慮到連接器的使用環(huán)境，在這些環(huán)境下絕緣體性能的變化情況，以確保在高壓連接器的不同溫度，濕度等使用環(huán)境中，耐壓性能依然可靠。絕緣體的加工工藝更要重點(diǎn)管控，如注塑成型的工藝中，需對(duì)成型條件：注塑溫度，模具溫度，注塑壓力，周期等全程管控，以避免絕緣體中不該存在的孔洞和裂痕，從而保證了其良好的絕緣性能[6]。

2.2.2 界面密封

高壓連接器中，介質(zhì)擊穿的情況容易從設(shè)計(jì)中管控，而局部放電則很容易發(fā)生，尤其是對(duì)接界面有空氣間隙而造成的閃絡(luò)，為了避免這種情況的發(fā)生，最好的方法就是讓這些地方?jīng)]有空氣間隙，我們最常用的方法就是將連接器的對(duì)接界面設(shè)計(jì)成硬介質(zhì)體與軟介質(zhì)體對(duì)接壓縮，從而排除其間的氣體，提高其耐壓性能。軟介質(zhì)體的材料我們一般使用硅橡膠，這種材料介電強(qiáng)度高，耐壓性能好，且可壓縮性能好，密封性能好，適用的溫度范圍高，能滿足大多高壓連接器的要求[1,2]。

2.2.3 盡可能增大爬電距離

電場(chǎng)沿著介質(zhì)體表面發(fā)生放電的有效路徑長(zhǎng)度稱為爬電距離。高壓連接器中，有時(shí)受使用環(huán)境的影響，不可避免的存在空氣間隙，為了安全起見，我們應(yīng)盡可能大的增加高低電位之間的表面距離，即增加所謂的爬電距離，因材料的表面電阻是一定的，增加了爬電距離則可提高其耐壓性能。當(dāng)高低電位之間的直線距離很短時(shí)，我們可以利用在高低電位之間增加凸臺(tái)的方法增加爬電距離[1,2]。

3 某高壓連接器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)背景

該兩款連接器耐壓要求分別為2KV和4.5KV，耐壓值不算高，大多絕緣材料都能輕松滿足，但其對(duì)連接器的體積要求很高，兩接觸件之間的中心間距分別僅為2.3mm(2KV)和4mm(4.5KV)，且因?yàn)槭褂铆h(huán)境的影響，無(wú)法設(shè)計(jì)成硬介質(zhì)體與軟介質(zhì)體壓縮的結(jié)構(gòu)，對(duì)接界面中空氣間隙多，這是影響耐壓性能的主要點(diǎn)，只能通過增加爬電的方法來(lái)提高耐壓性能。

3.2 兩款連接器結(jié)構(gòu)

如圖1，圖2示出的兩連接器結(jié)構(gòu)圖，因使用環(huán)境限制，對(duì)接界面無(wú)法做成硬介質(zhì)體與軟介質(zhì)體壓縮的結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計(jì)中，通過盡量增加兩接觸件的爬電距離來(lái)保證連接器的耐壓可靠性。圖1中，此款連接器的耐壓要求僅為2KV，要求不算高，因此如圖，僅在兩接觸件距離短，爬電距離小于2mm的地方通過增加凸臺(tái)，使其爬電距離增加到4mm以上，確保了其耐壓的可靠性。對(duì)接界面處，兩插針的直徑小，其間距離能夠滿足耐壓要求，而插孔直徑大，距離小，無(wú)法滿足耐壓要求，設(shè)計(jì)時(shí)通過將插孔沉于介質(zhì)體的表面增加了兩插孔之間的爬電距離，從而滿足了耐壓要求。

圖1 2芯2KV高壓連接器結(jié)構(gòu)圖

圖2 2芯4.5KV高壓連接器結(jié)構(gòu)圖

圖3 插孔被塑膠包裹示意圖 圖4 插針周圍加護(hù)套裹示意圖

圖2中因耐壓值要求高，設(shè)計(jì)中除了對(duì)部分地方作增加凸臺(tái)，沉于介質(zhì)體表面的處理來(lái)增加爬電距離外，對(duì)于對(duì)接界面作了特殊處理，設(shè)計(jì)時(shí)將插孔設(shè)計(jì)成被塑膠絕緣體包裹(圖3)，插針設(shè)計(jì)成周圍加上護(hù)套(圖4)，當(dāng)插頭插座對(duì)接后，大大增加了其爬電距離(如圖2中的紅線即為爬電路徑)，從而滿足了耐壓要求。

3.3 兩款連接器生產(chǎn)過程中的問題及解決方案

從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，此兩款連接器要分別滿足2KV和4.5KV的耐電壓要求還是很可靠的，但在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中卻遇到了幾個(gè)問題，且直接影響到了耐電壓的可靠性，下面就生產(chǎn)過程中遇到的問題進(jìn)行分析解決。

3.3.1 材料選擇問題

大部分的塑膠材料都是良好的絕緣體，其介電強(qiáng)度都能達(dá)到20KV/mm以上，但是由于材料的局部不均勻性和不同環(huán)境對(duì)材料絕緣性能的影響，我們實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般只按其1/4～ 1/3的理論值來(lái)估算實(shí)際耐壓值[7]。在2芯2KV高壓連接器的設(shè)計(jì)中，接觸件之間的最小距離為0.7mm，對(duì)與大多數(shù)熱塑型塑膠材料都能達(dá)到14KV以上的理論耐壓，按其1/4取值，在實(shí)際中也應(yīng)能滿足3.5KV的耐壓要求，對(duì)于2KV的耐壓要求，0.7mm厚的塑膠介質(zhì)綽綽有余?？紤]到該系列產(chǎn)品沒有金屬外殼，絕緣介質(zhì)體既當(dāng)基座又當(dāng)外殼和法蘭，在最初的設(shè)計(jì)中，絕緣介質(zhì)的材料選用了機(jī)械性能好，容易Insert Molding成型的PA6T(尼龍)料，該材料的介電強(qiáng)度為22KV/mm，足以滿足2KV的耐壓要求。在產(chǎn)品生產(chǎn)完初期，耐壓性能沒問題，但在摸底試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)介質(zhì)體表面閃絡(luò)現(xiàn)象，經(jīng)分析，該材料吸水性強(qiáng)，在空氣濕度大的環(huán)境下放置長(zhǎng)時(shí)間后，表面電阻率下降，造成了閃絡(luò)的發(fā)生。后改成吸水率低的PBT材料，解決了該問題。因此在高壓連接器介質(zhì)體材料選擇時(shí)，材料的吸水率也是個(gè)考量的重點(diǎn)。

3.3.2 塑膠介質(zhì)體在塑膠成型中的問題

注塑成型工藝中，模具設(shè)計(jì)，注塑溫度，注塑壓力，周期等成型條件對(duì)成型后的塑膠件的性能有很大影響，合理的模具設(shè)計(jì)，合理穩(wěn)定的成型工藝才能產(chǎn)出品質(zhì)穩(wěn)定有保證的塑膠制品。在2芯2KV連接器的生產(chǎn)中，最初為了生產(chǎn)方便，將接觸件用Insert Molding形式直接成型到絕緣體中。起初，模具設(shè)計(jì)中對(duì)接觸件的定位設(shè)計(jì)不好，在高注塑壓力的沖擊下，接觸件被沖到了一起(圖5)，造成耐壓不良，甚至部分產(chǎn)品直接短路，無(wú)法使用，不良率高達(dá)70%。后續(xù)模具供應(yīng)商改進(jìn)，先成型內(nèi)模(圖6)，將兩接觸件固定，再次Insert Molding成型，該問題得到改善，但仍有20%的耐壓不良。

圖5 接觸件定位不良圖 圖6 接觸件內(nèi)模零件圖

對(duì)增加了內(nèi)模的產(chǎn)品耐壓不良進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)了3種情況會(huì)導(dǎo)致耐壓不良的發(fā)生：

a．接觸件之間的毛邊導(dǎo)致耐壓不良

圖7 接觸件內(nèi)模毛邊圖

在對(duì)接觸件內(nèi)模零件進(jìn)行耐壓摸底測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩接觸件之間有塑料毛邊的(圖7)容易發(fā)生閃絡(luò)，而閃絡(luò)處正是毛邊處，經(jīng)分析，模具成型時(shí)，閉合不緊，高溫料沖出模具縫隙造成毛邊，此處毛邊肉薄，在高溫情況下遇到氧氣易發(fā)生碳化現(xiàn)象，且此處容易附著雜質(zhì)，孔隙多，材料的絕緣性能大大降低，很容易在此處發(fā)生閃絡(luò)。在塑膠成型時(shí)應(yīng)注意，兩接觸件之間的毛邊會(huì)成為影響耐壓性能的一個(gè)因素，應(yīng)加以管控。進(jìn)一步分析，如果模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理，尖銳拐角多(可能是產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理)，都會(huì)導(dǎo)致塑膠原料在模具內(nèi)剪切，局部溫度升高，導(dǎo)致碳化或裂解發(fā)生；模具排氣不良也會(huì)導(dǎo)致在最終氣體集合處塑膠原料發(fā)生碳化裂解現(xiàn)象；在成型工藝條件中，成型溫度(料管溫度)，背壓及螺桿轉(zhuǎn)速如果設(shè)置不合理，都會(huì)影響到塑膠成品的性能，背壓設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致外部氣體混入料管之中，而過高的成型溫度會(huì)導(dǎo)致塑膠原料的裂解碳化，過快的轉(zhuǎn)速也會(huì)對(duì)塑膠原料過剪切，造成局部溫度過高而導(dǎo)致原料裂解碳化。因此，我們?cè)谒苣３尚椭?，首先設(shè)計(jì)好絕緣體的結(jié)構(gòu)，模具排氣設(shè)計(jì)，流道，模流設(shè)計(jì)需合理，同時(shí)設(shè)定合理的成型條件，才能避免上述情況導(dǎo)致的原料裂解碳化而造成的耐壓不良。

b．介質(zhì)體內(nèi)部孔洞導(dǎo)致耐壓不良

在對(duì)耐壓不良產(chǎn)品的分析中發(fā)現(xiàn)，有大量不良的產(chǎn)品剖開后發(fā)現(xiàn)，兩接觸件之間的介質(zhì)體中存在孔洞(圖8)，從而造成了局部放電。經(jīng)分析，該產(chǎn)品兩接觸件之間的介質(zhì)體肉厚僅為0.7mm，正常情況下，一般模具成型是可以將此處充填飽的，然而該產(chǎn)品是Insert Molding成型的，該工藝主要缺點(diǎn)就是成型周期較長(zhǎng)，尤其是人工手動(dòng)操作的成型，成型周期不但長(zhǎng)而且不穩(wěn)定，難以管控，在不穩(wěn)定的成型周期下，這么薄的肉厚出現(xiàn)孔洞的情況也在所難免。因此在高壓連接器的介質(zhì)體成型中，壁厚不均時(shí)，應(yīng)做好逃料，盡量選擇成型周期穩(wěn)定易管控的成型工藝，避免人工Insert Molding成型。該產(chǎn)品后續(xù)改為普通成型介質(zhì)體后灌膠固定接觸件，耐壓品質(zhì)穩(wěn)定。

圖8 介質(zhì)體孔洞圖

c.熔接線導(dǎo)致耐壓不良

在該款產(chǎn)品中，有部分產(chǎn)品最初測(cè)試耐壓合格，但隨著測(cè)試時(shí)間的增加出現(xiàn)了耐壓不良的情況，對(duì)這部分產(chǎn)品分析發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)品有個(gè)共同特點(diǎn)，兩接觸件之間有細(xì)微縫隙(圖9)。經(jīng)分析，此處為模具成型的最后熔接部分，即熔接線。熔接線處是注塑產(chǎn)品中的軟肋，此處熔接不好會(huì)有細(xì)微縫隙，縫隙內(nèi)存在氣體，這些產(chǎn)品就是在長(zhǎng)期電場(chǎng)的作用下，從這些縫隙處發(fā)生了放電，導(dǎo)致耐壓失效。因此，我們?cè)谀＞叱尚蜁r(shí)應(yīng)避免將熔接線熔合在影響耐壓效果的地方，若實(shí)在無(wú)法避免，應(yīng)通過改善成型條件，選擇合適的原料來(lái)保證熔接線處的熔合效果，若使用LCP材料則更應(yīng)該注意熔接線的位置，此材料因其分子的排布形式，其熔接線處的熔合難以保證。

圖9 熔接線不良圖圖10 聚甲醛棒中間孔隙圖

3.3.3 塑膠介質(zhì)體在機(jī)加成型中的問題

在小批量生產(chǎn)時(shí)，塑膠介質(zhì)體常常通過機(jī)械加工的形式成型，目前常用的機(jī)加塑料棒材主要有聚四氟乙烯和聚甲醛兩種，這兩種材料的可機(jī)械加工性能優(yōu)良。在2芯4.5KV產(chǎn)品最初的小批量生產(chǎn)中，因產(chǎn)品對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的要求較高，我們選用的聚甲醛棒材機(jī)加成型。而做出來(lái)的產(chǎn)品出現(xiàn)大量耐壓不良的情況。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，聚甲醛棒材中間孔隙很多(圖10)，而該款產(chǎn)品為兩芯，聚甲醛棒材中間孔隙最多的地方正是兩接觸件中間，發(fā)生耐壓不良也就正常的了。因此我們?cè)谛∨可a(chǎn)過程中，需要機(jī)加塑膠介質(zhì)體時(shí)應(yīng)選擇孔隙少的塑膠棒材，而棒材中，孔隙最多的地方是在棒材的圓心處，因此機(jī)加時(shí)需避免將此處加工到高低電位之間，從而避免局部放電的發(fā)生。

4 總結(jié)

本文通過對(duì)某高壓連接器的分析，得到以下結(jié)論：

(1)高壓連接器的設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇良好合適的絕緣材料，并盡量使系統(tǒng)密封，排除其中的氣體，盡可能大的增加其爬電距離；

(2)高壓連接器的塑膠介質(zhì)體在塑模成型過程中應(yīng)管控好成型條件，選擇周期溫度的成型工藝，避免人工操作帶來(lái)的周期及成型條件不穩(wěn)定；

(3)高壓連接器的塑膠介質(zhì)體在機(jī)械加工的工程中，應(yīng)選擇孔隙少的棒材，避免孔隙最多的中心位置在兩高低電位之間。