高壓連接器生產(chǎn)中的問題及分析

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)中的應用越來越廣泛，而對于連接器的要求也越來越高。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。當連接器的外形較大，尺寸要求不高時，設計或制造與高電壓要求的矛盾不大，但隨著行業(yè)內(nèi)，對連接器的小型化的要求越來越高，使得設計和制造與高電壓的要求矛盾變大。合理的界面設計，特殊材料的使用及制造工藝的改進對高壓連接器的實現(xiàn)至關重要。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計及生產(chǎn)過程中需注意的事項。

2 高壓連接器設計要點概述

2.1 高壓連接器的失效模式

2.1.1 介質擊穿

在強電場的作用下，電介質喪失其絕緣性的現(xiàn)象叫介質擊穿。高壓連接器運行的可靠行在很大程度上取決于其絕緣體的絕緣性，任何一種電介質都有其耐電壓的指標，我們稱為介電強度，其介電強度越高，耐壓性能越好，如具有較好機械加工性能的聚四氟乙烯材料，其介電強度達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，任何一種電介質的耐壓性能都是有限度的，當在電介質兩端施加的電壓超過其所能承受的電壓時，介質擊穿就會發(fā)生，以1mm后的聚四氟乙烯為例，在其兩側施加超過23.6KV的電壓時就可能被擊穿(不考慮其他電化學及熱擊穿效果)，電介質遭到破壞，這種擊穿是致命的，會直接造成高壓連接器的失效[1,2]。

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

表1 電介質的特性[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強度比固體低的介質(氣體，液體及其他雜質)，當電場強度達到一定數(shù)值時，這些地方會失去絕緣性，形成放電，造成高壓連接器失效，這種情況稱為局部放電。

不同性質的電介質之間的界面容易發(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，當沿面放電發(fā)展到慣性空氣擊穿時，稱為閃絡，這時的擊穿電壓要比純氣體的擊穿電壓要低得多，造成這種情況是因為氣體的介電強度要比固體介質低，氣隙中的場強要比平均場強大，易造成局部放電，放電產(chǎn)生的帶電質點擴散到固體介質表面，畸變電場分布，降低閃絡的電壓，另外，空氣濕度及固體表面的吸水能力也對閃絡電壓有顯著影響，當空氣濕度大，表面吸附水分能力大的介質體就很容易發(fā)生閃絡現(xiàn)象[4,5]。

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

2.2 高壓連接器的設計要點

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重要，我們首先選用介電強度高，表面電阻大的材料，同時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管控，如注塑成型的工藝中，需對成型條件：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，介質擊穿的情況容易從設計中管控，而局部放電則很容易發(fā)生，尤其是對接界面有空氣間隙而造成的閃絡，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接界面設計成硬介質體與軟介質體對接壓縮，從而排除其間的氣體，提高其耐壓性能。軟介質體的材料我們一般使用硅橡膠，這種材料介電強度高，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

電場沿著介質體表面發(fā)生放電的有效路徑長度稱為爬電距離。高壓連接器中，有時受使用環(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。當高低電位之間的直線距離很短時，我們可以利用在高低電位之間增加凸臺的方法增加爬電距離[1,2]。

3 某高壓連接器的設計要點

3.1 設計背景

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)，且因為使用環(huán)境的影響，無法設計成硬介質體與軟介質體壓縮的結構，對接界面中空氣間隙多，這是影響耐壓性能的主要點，只能通過增加爬電的方法來提高耐壓性能。

3.2 兩款連接器結構

如圖1，圖2示出的兩連接器結構圖，因使用環(huán)境限制，對接界面無法做成硬介質體與軟介質體壓縮的結構，因此在設計中，通過盡量增加兩接觸件的爬電距離來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，使其爬電距離增加到4mm以上，確保了其耐壓的可靠性。對接界面處，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，無法滿足耐壓要求，設計時通過將插孔沉于介質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高壓連接器結構圖

圖2 2芯4.5KV高壓連接器結構圖

圖3 插孔被塑膠包裹示意圖 圖4 插針周圍加護套裹示意圖

圖2中因耐壓值要求高，設計中除了對部分地方作增加凸臺，沉于介質體表面的處理來增加爬電距離外，對于對接界面作了特殊處理，設計時將插孔設計成被塑膠絕緣體包裹(圖3)，插針設計成周圍加上護套(圖4)，當插頭插座對接后，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

從結構上來看，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，其介電強度都能達到20KV/mm以上，但是由于材料的局部不均勻性和不同環(huán)境對材料絕緣性能的影響，我們實際設計時，一般只按其1/4～ 1/3的理論值來估算實際耐壓值[7]。在2芯2KV高壓連接器的設計中，接觸件之間的最小距離為0.7mm，對與大多數(shù)熱塑型塑膠材料都能達到14KV以上的理論耐壓，按其1/4取值，在實際中也應能滿足3.5KV的耐壓要求，對于2KV的耐壓要求，0.7mm厚的塑膠介質綽綽有余?？紤]到該系列產(chǎn)品沒有金屬外殼，絕緣介質體既當基座又當外殼和法蘭，在最初的設計中，絕緣介質的材料選用了機械性能好，容易Insert Molding成型的PA6T(尼龍)料，該材料的介電強度為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，但在摸底試驗過程中，出現(xiàn)介質體表面閃絡現(xiàn)象，經(jīng)分析，該材料吸水性強，在空氣濕度大的環(huán)境下放置長時間后，表面電阻率下降，造成了閃絡的發(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體材料選擇時，材料的吸水率也是個考量的重點。

3.3.2 塑膠介質體在塑膠成型中的問題

注塑成型工藝中，模具設計，注塑溫度，注塑壓力，周期等成型條件對成型后的塑膠件的性能有很大影響，合理的模具設計，合理穩(wěn)定的成型工藝才能產(chǎn)出品質穩(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，模具設計中對接觸件的定位設計不好，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，無法使用，不良率高達70%。后續(xù)模具供應商改進，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

對增加了內(nèi)模的產(chǎn)品耐壓不良進行分析，我們發(fā)現(xiàn)了3種情況會導致耐壓不良的發(fā)生：

a．接觸件之間的毛邊導致耐壓不良

圖7 接觸件內(nèi)模毛邊圖

在對接觸件內(nèi)模零件進行耐壓摸底測試時發(fā)現(xiàn)，兩接觸件之間有塑料毛邊的(圖7)容易發(fā)生閃絡，而閃絡處正是毛邊處，經(jīng)分析，模具成型時，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，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。在塑膠成型時應注意，兩接觸件之間的毛邊會成為影響耐壓性能的一個因素，應加以管控。進一步分析，如果模具內(nèi)部結構不合理，尖銳拐角多(可能是產(chǎn)品本身設計結構不合理)，都會導致塑膠原料在模具內(nèi)剪切，局部溫度升高，導致碳化或裂解發(fā)生；模具排氣不良也會導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)，背壓及螺桿轉速如果設置不合理，都會影響到塑膠成品的性能，背壓設置不合理會導致外部氣體混入料管之中，而過高的成型溫度會導致塑膠原料的裂解碳化，過快的轉速也會對塑膠原料過剪切，造成局部溫度過高而導致原料裂解碳化。因此，我們在塑模成型中，首先設計好絕緣體的結構，模具排氣設計，流道，模流設計需合理，同時設定合理的成型條件，才能避免上述情況導致的原料裂解碳化而造成的耐壓不良。

b．介質體內(nèi)部孔洞導致耐壓不良

在對耐壓不良產(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，該工藝主要缺點就是成型周期較長，尤其是人工手動操作的成型，成型周期不但長而且不穩(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體成型中，壁厚不均時，應做好逃料，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)改為普通成型介質體后灌膠固定接觸件，耐壓品質穩(wěn)定。

圖8 介質體孔洞圖

c.熔接線導致耐壓不良

在該款產(chǎn)品中，有部分產(chǎn)品最初測試耐壓合格，但隨著測試時間的增加出現(xiàn)了耐壓不良的情況，對這部分產(chǎn)品分析發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)品有個共同特點，兩接觸件之間有細微縫隙(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，此處熔接不好會有細微縫隙，縫隙內(nèi)存在氣體，這些產(chǎn)品就是在長期電場的作用下，從這些縫隙處發(fā)生了放電，導致耐壓失效。因此，我們在模具成型時應避免將熔接線熔合在影響耐壓效果的地方，若實在無法避免，應通過改善成型條件，選擇合適的原料來保證熔接線處的熔合效果，若使用LCP材料則更應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 塑膠介質體在機加成型中的問題

在小批量生產(chǎn)時，塑膠介質體常常通過機械加工的形式成型，目前常用的機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)品對機械強度的要求較高，我們選用的聚甲醛棒材機加成型。而做出來的產(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。因此我們在小批量生產(chǎn)過程中，需要機加塑膠介質體時應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，因此機加時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

本文通過對某高壓連接器的分析，得到以下結論：

(1)高壓連接器的設計中應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體在塑模成型過程中應管控好成型條件，選擇周期溫度的成型工藝，避免人工操作帶來的周期及成型條件不穩(wěn)定；

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