高電壓大電流濕熱插拔電連接器的預(yù)先技術(shù)研究

雷 義

（上海京波傳輸科技有限公司，上海 201800）

濕插拔連接器可以在水下進(jìn)行插拔，涉及眾多關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)難度極大[1]。國內(nèi)市場(chǎng)長期處于被壟斷狀態(tài)[2]。2018年，濕插拔連接器被《科技日?qǐng)?bào)》列為對(duì)我國工業(yè)發(fā)展至關(guān)重要的35項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)之一。

電連接器占據(jù)了水下濕插拔連接器市場(chǎng)的大部分份額，如果能夠攻克高壓、大電流的水下濕插拔連接器所涉及的眾多關(guān)鍵技術(shù)，將促進(jìn)我國海洋工程裝備、石油天然氣與可燃冰工業(yè)、近?？稍偕茉吹缺姸囝I(lǐng)域發(fā)展，實(shí)現(xiàn)海洋工程裝備跨越式發(fā)展[3]。

1 高電壓大電流濕熱插拔連接器研制難點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)

有源在線插拔的高壓大電流水下濕熱插拔連接器技術(shù)難度高。首先，電性能要求高。要實(shí)現(xiàn)大電流傳輸，接觸電阻必須非常小，同時(shí)高電壓對(duì)材料的絕緣性能提出了極高要求[4]。其次，散熱性能要求高。大電流必然產(chǎn)生較高的熱量，如果散熱不佳，連接器內(nèi)部零件的熱應(yīng)力就會(huì)升高，可能導(dǎo)致零件出現(xiàn)變形甚至強(qiáng)度失效，直接影響濕插拔。最后，密封性能要求高。高壓大電流的有源插拔對(duì)連接器的密封設(shè)計(jì)提出了更高挑戰(zhàn)[5]。

針對(duì)高電壓大電流濕熱插拔電連接器的迫切需求，開展?jié)駸岵灏文透邏弘娺B接器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，突破水下耐高壓、高可靠絕緣、水下動(dòng)態(tài)密封、壓力平衡以及帶壓插拔在線測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)，研制水下高電壓10 kV、電流250 A的高電壓大電流濕熱插拔電連接器樣機(jī)，打破了國外對(duì)該類產(chǎn)品的壟斷局面，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化研制，形成了產(chǎn)品化生產(chǎn)能力，并通過模擬壓力環(huán)境完成了動(dòng)態(tài)插拔過程的各項(xiàng)性能指標(biāo)驗(yàn)證，預(yù)期達(dá)到的技術(shù)成熟度為6級(jí)。

預(yù)期達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 預(yù)期達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)

2 高電壓大電流濕熱插拔連接器研制內(nèi)容分解

2.1 帶電熱插拔的電接觸件與海水絕緣技術(shù)研究

濕熱插拔連接器電接觸件與海水間實(shí)現(xiàn)絕緣的關(guān)鍵在于連接器的密封設(shè)計(jì)，是濕熱插拔連接器實(shí)現(xiàn)水下動(dòng)態(tài)密封的基礎(chǔ)。保證濕熱插拔連接器在海洋環(huán)境插拔狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)密封及帶電插拔，通過電接觸件與連接器殼體間的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用接觸件端面密封和充油壓力平衡原理，滿足水下動(dòng)態(tài)插拔的要求和適應(yīng)任意水深的使用要求，需研究電接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電接觸件動(dòng)態(tài)密封技術(shù)要求、電接觸件耐水壓設(shè)計(jì)技術(shù)研究以及電接觸件帶電插拔設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

2.2 耐高電壓設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

連接器的耐高電壓主要考核的是連接器的抗電擊穿能力?？闺姄舸┰O(shè)計(jì)主要從抗高電壓防擊穿考慮。當(dāng)插合的濕熱插拔電連接器在正常工作狀態(tài)下電接觸件間的電壓較高時(shí)，因?yàn)槟撤N缺陷的存在或電接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)引起火花放電的產(chǎn)生導(dǎo)致產(chǎn)品擊穿。

電接觸件的絕緣介質(zhì)抗高電壓擊穿能力主要與材料性能、絕緣結(jié)構(gòu)和環(huán)境溫度有關(guān)。通過優(yōu)選介電強(qiáng)度高的介質(zhì)材料作為絕緣材料，可提高連接器在高電壓狀態(tài)下的防擊穿能力，達(dá)到高電壓大電流使用條件下的絕緣效果。為防止?jié)癫灏芜B接器在使用中出現(xiàn)電火花，在選擇性能優(yōu)良的絕緣材料的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從材料的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過對(duì)小間距零件表面進(jìn)行特殊加工，保證材料表面光潔度，避免尖邊或毛刺的存在。開展的研究內(nèi)容主要包括抗電擊穿結(jié)構(gòu)及材料研究、抗電擊穿措施研究、抗電擊穿仿真分析研究以及抗電擊穿試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3 連接器大電流溫升研究

濕熱插拔電連接器的接觸件接通后，受導(dǎo)體本身的體電阻和接觸電阻的影響，濕熱插拔電連接器通電流后勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。本項(xiàng)目需要連接器通過250 A的大電流，故開展電接觸件電熱耦合技術(shù)仿真分析、濕熱插拔電連接器溫升控制以及橡膠老化壽命控制等研究。

2.4 壓力平衡技術(shù)研究

濕熱插拔連接器在水下工作，存在壓力平衡問題。為保證它的水密性和插拔力問題，需要采取措施解決內(nèi)外壓力不平衡的問題。由于連接器內(nèi)外存在巨大的壓力差，導(dǎo)致插合與分離過程需要較大的插拔力，進(jìn)行水下插拔動(dòng)作十分困難。本項(xiàng)目研究擬采取在連接器內(nèi)部設(shè)計(jì)一種充油與壓力平衡裝置，使連接器插拔過程中保持內(nèi)外壓力平衡或?qū)毫Σ羁刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，從而使插拔力不受水深影響，減小因水壓帶來的插拔力問題。目前，國內(nèi)外優(yōu)先選擇的解決方法是壓力平衡[2]。因此，開展的研究內(nèi)容主要包括壓力平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究、壓力平衡結(jié)構(gòu)仿真分析研究以及壓力平衡結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.5 連接器對(duì)接與分離鎖緊技術(shù)研究

濕熱插拔電連接器能夠在水下實(shí)現(xiàn)水下插拔功能，除了連接器插頭與插座自身具備插拔時(shí)性能要求外，最重要的是能簡單方便地實(shí)現(xiàn)遙控?zé)o人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）對(duì)水下濕插拔連接器插頭與插座的快速對(duì)接與分離功能。對(duì)接與分離技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括連接器對(duì)接與分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、連接器插拔力設(shè)計(jì)與測(cè)試以及連接器水下插拔驗(yàn)證。

3 高電壓大電流濕熱插拔連接器設(shè)計(jì)

水下濕熱插拔電連接器利用壓力平衡原理，可使連接器在任意海水深度下自由連接分離。充油壓力平衡主要利用液體的不可壓縮性，使得充油壓力平衡腔不管到達(dá)深海哪個(gè)位置都不會(huì)因外界海水壓力而壓縮腔體，改變腔體體積。當(dāng)連接器對(duì)接后，插頭插座兩端腔體合二為一，插頭插座內(nèi)部壓力達(dá)到平衡。濕熱濕插拔電連接器由插頭、插座以及充油電纜等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 濕熱濕插拔電連接器整體結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

插頭主要由ROV操作手柄、插頭殼體部件、鎖緊部件、外殼體、插孔組件、插頭絕緣體、尾部附件、外平衡囊以及內(nèi)平衡囊等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 插頭組成示意圖

插座由插座殼體部件、安裝法蘭、插針組件、插座絕緣體、導(dǎo)向銷、尾部附件、平衡囊以及彈簧部件等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 插座組成示意圖

濕熱插拔電連接器擬采用充油平衡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水下插拔功能。等壓平衡密封原理利用了液體壓強(qiáng)處處相等的屬性。當(dāng)外部工作水深變化時(shí)，壓強(qiáng)會(huì)通過彈性橡膠件傳遞到艙體內(nèi)部。在充油艙內(nèi)的壓強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)幅度的變化，利用體積變形緩沖的方法實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓差自動(dòng)補(bǔ)償適應(yīng)。

工作于深水環(huán)境下的連接器采用等壓平衡密封設(shè)計(jì)，不僅可以保護(hù)原有的密封體系免受過大壓差的作用，而且可以利用填充的絕緣填充油增加一層密封保護(hù)層。

濕插拔連接器采用壓力平衡原理[6]，如圖4所示。使用橡膠件、金屬/非金屬零件在連接器內(nèi)部建立一個(gè)充油密封艙來對(duì)連接器電接觸件進(jìn)行密封，既可以達(dá)到密封效果，又可以利用油的良好絕緣性，提高連接器的耐電壓性能。

圖4 自適應(yīng)裝置平衡原理示意圖

4 結(jié)語

開展高電壓大電流濕熱插拔電連接器的技術(shù)研究，深入調(diào)研濕插拔連接器領(lǐng)域的需求和技術(shù)現(xiàn)狀，明確高電壓大電流濕熱插拔電連接器的技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)難點(diǎn)，初步完成了高電壓大電流濕熱插拔電連接器方案設(shè)計(jì)。