高壓連接器局部放電問(wèn)題探討

吉宜職 陳健飛

摘要：高壓連接器作為高壓回路系統(tǒng)的重要部件其可靠性至關(guān)重要。本文主要概述了高壓連接器的主要失效形式，重點(diǎn)探討了失效形式中的局部放電現(xiàn)象。分析了局部放電的產(chǎn)生原理，由檢測(cè)角度分析了部件監(jiān)控識(shí)別缺陷和老化狀態(tài);由結(jié)構(gòu)角度分析了絕緣材料、微小縫隙消除和電勢(shì)差消除的方式減少局部放電的可能性。

關(guān)鍵詞：高壓連接器;失效模式;局部放電

1.引言

高壓連接器是高壓回路系統(tǒng)中常用的電器元件，其主要性能參數(shù)：絕緣、耐壓、IP等級(jí)、連接可靠性、壽命等。連接器失效將會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，輕則連接器局部溫度升高，發(fā)生燃燒，重則發(fā)生設(shè)備爆炸和人身事故[1]。本文重點(diǎn)對(duì)高壓連接器失效模式中的容易被忽略的局部放電問(wèn)題進(jìn)行探討，分別從局部放電的原因、局部放電檢測(cè)以及減少局部放電現(xiàn)象方法進(jìn)行分析，從而為提高高壓連接器的可靠性提供依據(jù)。

2.高壓連接器概述

高壓連接器一般由殼體（金屬或非金屬）、絕緣體、導(dǎo)電接觸芯件組成。殼體主要作用是整個(gè)連接器密封防護(hù)和結(jié)構(gòu)支撐;絕緣體的主要作用是導(dǎo)電體之間隔離，以確保絕緣性能和結(jié)構(gòu)支撐;導(dǎo)電接觸芯件的功能是電能傳導(dǎo)和信號(hào)的傳遞。它們相互依存，共同實(shí)現(xiàn)高壓電連接性能。

高壓連接器通過(guò)內(nèi)部接觸芯件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞與電能傳導(dǎo)的功能，接觸芯件的性能直接影響連接器的載流能力和可靠性。常見(jiàn)的接觸芯件結(jié)構(gòu)主要有適用于矩形連接器的內(nèi)嵌簧片式和疊片式，其具有加工成本較低的優(yōu)勢(shì);適用于圓形連接器的包括雙螺旋及線簧接觸結(jié)構(gòu)、彈性插孔接觸件、片簧接觸、內(nèi)冠簧接觸結(jié)構(gòu)、外冠簧接觸結(jié)構(gòu)、自鎖緊接觸結(jié)構(gòu)等，具有插拔力低、載流量大和接觸可靠的優(yōu)點(diǎn)。

絕緣材料是指在允許的電壓下不導(dǎo)電的材料，其電阻率非常高，一般大于1010Ω。絕緣材料分為氣體、液體、固體絕緣材料，比如：空氣、植物油、礦物油、干燥木材、云母、石棉及其制品、橡膠、塑料及其制品、玻璃和陶瓷及其制品等。電連接器通常采用固體絕緣材料，用于連接器的絕緣材料不僅絕緣性能要求高，而且其機(jī)械性能、耐熱性、吸濕性均有較高的要求，常見(jiàn)的有橡膠、塑料、陶瓷等。

當(dāng)接觸芯件和絕緣體發(fā)生失效時(shí)，連接器則會(huì)發(fā)生故障。常見(jiàn)的連接器失效形式主要包括：介質(zhì)擊穿和局部放電。介質(zhì)擊穿是指絕緣介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下喪失絕緣性的現(xiàn)象，而電介質(zhì)擊穿的情況對(duì)于高壓連接器來(lái)說(shuō)是致命的，但此問(wèn)題在連接器制造有方法檢測(cè)排除;而局部放電則是強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下難以避免的現(xiàn)象，局部放電現(xiàn)象不斷發(fā)生促使絕緣體老化，最終導(dǎo)致絕緣介質(zhì)擊穿[2-3]。通過(guò)對(duì)局部放電產(chǎn)生機(jī)理分析，分別由檢測(cè)與絕緣體優(yōu)化角度進(jìn)行探討，有助于為絕緣體可靠性的提高提供依據(jù)。

3.局部放電

3.1局部放電原理

在高壓連接器的使用過(guò)程中，絕緣材料長(zhǎng)期置于強(qiáng)電場(chǎng)中，當(dāng)電應(yīng)力超過(guò)臨界值時(shí)，絕緣系統(tǒng)的微小空隙之間會(huì)發(fā)生氣態(tài)電離，從而導(dǎo)致局部放電。當(dāng)緣體的局部發(fā)生放電現(xiàn)象時(shí)放電的能量主要以熱量、聲音和光的形式消散，同時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生臭氧，侵蝕絕緣材料，使其發(fā)生物理和化學(xué)變化，這種變化是不可逆的，會(huì)影響絕緣材料的性能，即電老化現(xiàn)象。局部放電又區(qū)分為內(nèi)部局部放電、表面局部放電和電暈，分別指絕緣體內(nèi)部放電、表面放電和導(dǎo)體包裹的氣體周?chē)烹姟?/p>

絕緣系統(tǒng)主要包括多種材料組成復(fù)合絕緣系統(tǒng)或者單種材料形成的絕緣系統(tǒng)。復(fù)合絕緣系統(tǒng)中，由于材料的差異所產(chǎn)生的電勢(shì)各不相同，微量擊穿程度也不同，會(huì)導(dǎo)致在某些材料中率先發(fā)生局部放電現(xiàn)象。而單一材料的絕緣系統(tǒng)，雖然絕緣材料為單種材料，但是材料中會(huì)存在氣泡、裂紋或雜質(zhì)等缺陷，這些缺陷主要是在生產(chǎn)和使用過(guò)程中產(chǎn)生，這些缺陷會(huì)優(yōu)先引發(fā)局部放電發(fā)生。氣泡的介電常數(shù)小，電場(chǎng)強(qiáng)度高，導(dǎo)致氣泡位置在介質(zhì)中優(yōu)先發(fā)生局部放電現(xiàn)象[4]。如圖1所示

雖然局部放電的能量非常小，每次對(duì)絕緣材料的侵蝕也是微乎其微的，但每一秒可能在同一位置發(fā)生數(shù)百次或數(shù)千次，日積月累，從量變到質(zhì)變，導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)的崩潰。因此局部放電問(wèn)題是設(shè)計(jì)高壓連接器時(shí)不可忽視問(wèn)題。

3.2局部放電優(yōu)化方法

既然高壓必然產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，這是不可回避的，那么我們就研究高壓連接器中微小間隙。微小間隙不僅在芯件與絕緣體之間，甚至在絕緣絕體內(nèi)部，如圖2所示。

消除絕緣體內(nèi)部微小縫隙和消除絕緣體與芯件或殼體之間的微小間隙，都是解決高壓連接器局部放電問(wèn)題途徑。

消除絕緣材料內(nèi)部微小縫隙的方法就是挑選絕緣材料，選擇絕緣材料的因素：1、絕緣電阻性越大越好;2、耐電壓值越高越好;3、機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)要好（耐候性強(qiáng)，滿足結(jié)構(gòu)支撐的需要）;4、致密、均勻、無(wú)雜質(zhì)。性能良好的絕緣材料主要有：聚碳酸酯（PC）、陶瓷[5]、聚醚醚酮（PEEK）。PC具有較高強(qiáng)度、較佳耐疲勞性、尺寸穩(wěn)定性好以及蠕變性小，其使用溫度范圍廣等特點(diǎn);陶瓷具有較好的絕緣性能和機(jī)械性能，且耐高溫、耐腐蝕性能好，但成型工藝復(fù)雜，不適合小批量使用;PEEK材料具有較好的耐腐蝕性、高溫高壓環(huán)境依舊可以保持的耐水解性，優(yōu)秀的絕緣性以及機(jī)械性能，但材料成本較高。

消除絕緣材料與芯件或殼體之間微小縫隙比較困難，尤其在高壓連接器中消除此類(lèi)間隙更是難上加難，因?yàn)楦邏哼B接器需要滿足響應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，甚至需要滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)和空間都將被約束。消除此類(lèi)微小縫隙方法：1、在允許情況下盡可能減少微小間隙的結(jié)構(gòu);2、確保絕緣材料表面平整光滑;3、在不可避免微小間隙情況下，設(shè)法減小微小間隙之間的電位差，減少電離現(xiàn)象出現(xiàn)?？梢酝ㄟ^(guò)灌注環(huán)氧膠或絕緣膠充斥絕緣材料與芯件或殼體之間的微小縫隙從而達(dá)到盡可能消除間隙的目的?；蛘咴诮^緣材料與芯件接觸部位涂抹導(dǎo)電漆，通過(guò)引導(dǎo)的方式消除間隙表面的電勢(shì)差，從而減少局部放電現(xiàn)象發(fā)生的可能。

此外，為了減少局部放電，在設(shè)計(jì)高壓連接器時(shí)應(yīng)盡可能考慮減少導(dǎo)電體（芯件、金屬外殼等）的凸出結(jié)構(gòu)，更要杜絕尖銳凸出結(jié)構(gòu)，因?yàn)榍拾霃皆酱箅姾擅芏仍礁撸瑫?huì)造成電場(chǎng)畸變，發(fā)生尖端放電現(xiàn)象。

3.3局部放電檢測(cè)

通過(guò)對(duì)局部放電問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)，獲取連接器局部放電的狀態(tài)，利用該特性為連接器的及時(shí)更換以及缺陷診斷提供依據(jù)。局部放電的檢測(cè)方法比較多，各有特點(diǎn)，常見(jiàn)的有以下幾種：

1）常規(guī)脈沖電流檢測(cè)法：在實(shí)驗(yàn)室一般采用常規(guī)脈沖電流檢測(cè)法檢測(cè)局部放電，此法能較準(zhǔn)確地檢測(cè)出局部放電量，但不能確定局部放電的位置。

2）超聲波檢測(cè)法：在應(yīng)用工況下一般采用超聲波檢測(cè)法，可以定位局部放電源的位置[6]。超聲波檢測(cè)法抗干擾性較強(qiáng)，常用于局部放電監(jiān)測(cè)，為預(yù)防性維修保養(yǎng)提供依據(jù)。

3）超高頻局部放電檢測(cè)法：這是局部放電檢測(cè)的新方法，由于檢測(cè)頻段高，抗干擾性強(qiáng)，檢測(cè)靈敏度也高，可檢測(cè)出局部放電的類(lèi)型和位置。此檢測(cè)法采用天線耦合電磁信號(hào)，檢測(cè)對(duì)象與檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)電氣連接，檢測(cè)人員和檢測(cè)設(shè)備更安全。但也存在不能檢測(cè)局部放電量的缺點(diǎn)。

4）化學(xué)分析法：借助化學(xué)分析手段對(duì)絕緣介質(zhì)或者絕緣介質(zhì)局部放電產(chǎn)生的氣體等物質(zhì)進(jìn)行成分和數(shù)量的分析，依此判斷局部放電的程度。此方法不受電磁干擾影響，數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。但針對(duì)不同絕緣介質(zhì)的分析方法完全不同，需要專業(yè)技術(shù)支撐。

通過(guò)檢測(cè)的方法可以有效評(píng)估連接器或絕緣系統(tǒng)的缺陷形式或老化狀態(tài)，有利于連接器設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，也為高壓連接器維護(hù)、保養(yǎng)和使用壽命提供依據(jù)。

4.結(jié)論

高壓連接器作為關(guān)鍵部件，其失效會(huì)引起嚴(yán)重故障。本文主要概述了高壓連接器的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，分析接觸芯件與絕緣體為基礎(chǔ)的主要失效形式，對(duì)失效形式中的局部放電現(xiàn)象，分別從局部放電發(fā)生原理、檢測(cè)方法和基于原理的連接器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法出發(fā)重點(diǎn)探討。由檢測(cè)角度分析了部件監(jiān)控識(shí)別缺陷和老化狀態(tài)，從而及時(shí)更換部件;由結(jié)構(gòu)角度分析了絕緣材料、微小縫隙消除和電勢(shì)差消除的方式減少局部放電的可能性。為連接器局部放電問(wèn)題的優(yōu)化提供依據(jù)。

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