高压连接器局部放电问题探讨

吉宜职 陈健飞

摘要：高压连接器作为高压回路系统的重要部件其可靠性至关重要。本文主要概述了高压连接器的主要失效形式，重点探讨了失效形式中的局部放电现象。分析了局部放电的产生原理，由检测角度分析了部件监控识别缺陷和老化状态;由结构角度分析了绝缘材料、微小缝隙消除和电势差消除的方式减少局部放电的可能性。

关键词：高压连接器;失效模式;局部放电

1.引言

高压连接器是高压回路系统中常用的电器元件，其主要性能参数：绝缘、耐压、IP等级、连接可靠性、寿命等。连接器失效将会对系统产生严重影响，轻则连接器局部温度升高，发生燃烧，重则发生设备爆炸和人身事故[1]。本文重点对高压连接器失效模式中的容易被忽略的局部放电问题进行探讨，分别从局部放电的原因、局部放电检测以及减少局部放电现象方法进行分析，从而为提高高压连接器的可靠性提供依据。

2.高压连接器概述

高压连接器一般由壳体（金属或非金属）、绝缘体、导电接触芯件组成。壳体主要作用是整个连接器密封防护和结构支撑;绝缘体的主要作用是导电体之间隔离，以确保绝缘性能和结构支撑;导电接触芯件的功能是电能传导和信号的传递。它们相互依存，共同实现高压电连接性能。

高压连接器通过内部接触芯件实现信号的传递与电能传导的功能，接触芯件的性能直接影响连接器的载流能力和可靠性。常见的接触芯件结构主要有适用于矩形连接器的内嵌簧片式和叠片式，其具有加工成本较低的优势;适用于圆形连接器的包括双螺旋及线簧接触结构、弹性插孔接触件、片簧接触、内冠簧接触结构、外冠簧接触结构、自锁紧接触结构等，具有插拔力低、载流量大和接触可靠的优点。

绝缘材料是指在允许的电压下不导电的材料，其电阻率非常高，一般大于1010Ω。绝缘材料分为气体、液体、固体绝缘材料，比如：空气、植物油、矿物油、干燥木材、云母、石棉及其制品、橡胶、塑料及其制品、玻璃和陶瓷及其制品等。电连接器通常采用固体绝缘材料，用于连接器的绝缘材料不仅绝缘性能要求高，而且其机械性能、耐热性、吸湿性均有较高的要求，常见的有橡胶、塑料、陶瓷等。

当接触芯件和绝缘体发生失效时，连接器则会发生故障。常见的连接器失效形式主要包括：介质击穿和局部放电。介质击穿是指绝缘介质在强电场的作用下丧失绝缘性的现象，而电介质击穿的情况对于高压连接器来说是致命的，但此问题在连接器制造有方法检测排除;而局部放电则是强电场环境下难以避免的现象，局部放电现象不断发生促使绝缘体老化，最终导致绝缘介质击穿[2-3]。通过对局部放电产生机理分析，分别由检测与绝缘体优化角度进行探讨，有助于为绝缘体可靠性的提高提供依据。

3.局部放电

3.1局部放电原理

在高压连接器的使用过程中，绝缘材料长期置于强电场中，当电应力超过临界值时，绝缘系统的微小空隙之间会发生气态电离，从而导致局部放电。当缘体的局部发生放电现象时放电的能量主要以热量、声音和光的形式消散，同时可能会产生臭氧，侵蚀绝缘材料，使其发生物理和化学变化，这种变化是不可逆的，会影响绝缘材料的性能，即电老化现象。局部放电又区分为内部局部放电、表面局部放电和电晕，分别指绝缘体内部放电、表面放电和导体包裹的气体周围放电。

绝缘系统主要包括多种材料组成复合绝缘系统或者单种材料形成的绝缘系统。复合绝缘系统中，由于材料的差异所产生的電势各不相同，微量击穿程度也不同，会导致在某些材料中率先发生局部放电现象。而单一材料的绝缘系统，虽然绝缘材料为单种材料，但是材料中会存在气泡、裂纹或杂质等缺陷，这些缺陷主要是在生产和使用过程中产生，这些缺陷会优先引发局部放电发生。气泡的介电常数小，电场强度高，导致气泡位置在介质中优先发生局部放电现象[4]。如图1所示

虽然局部放电的能量非常小，每次对绝缘材料的侵蚀也是微乎其微的，但每一秒可能在同一位置发生数百次或数千次，日积月累，从量变到质变，导致绝缘系统的崩溃。因此局部放电问题是设计高压连接器时不可忽视问题。

3.2局部放电优化方法

既然高压必然产生强电场，这是不可回避的，那么我们就研究高压连接器中微小间隙。微小间隙不仅在芯件与绝缘体之间，甚至在绝缘绝体内部，如图2所示。

消除绝缘体内部微小缝隙和消除绝缘体与芯件或壳体之间的微小间隙，都是解决高压连接器局部放电问题途径。

消除绝缘材料内部微小缝隙的方法就是挑选绝缘材料，选择绝缘材料的因素：1、绝缘电阻性越大越好;2、耐电压值越高越好;3、机械强度相对要好（耐候性强，满足结构支撑的需要）;4、致密、均匀、无杂质。性能良好的绝缘材料主要有：聚碳酸酯（PC）、陶瓷[5]、聚醚醚酮（PEEK）。PC具有较高强度、较佳耐疲劳性、尺寸稳定性好以及蠕变性小，其使用温度范围广等特点;陶瓷具有较好的绝缘性能和机械性能，且耐高温、耐腐蚀性能好，但成型工艺复杂，不适合小批量使用;PEEK材料具有较好的耐腐蚀性、高温高压环境依旧可以保持的耐水解性，优秀的绝缘性以及机械性能，但材料成本较高。

消除绝缘材料与芯件或壳体之间微小缝隙比较困难，尤其在高压连接器中消除此类间隙更是难上加难，因为高压连接器需要满足响应的国家标准，甚至需要满足国际标准，其结构和空间都将被约束。消除此类微小缝隙方法：1、在允许情况下尽可能减少微小间隙的结构;2、确保绝缘材料表面平整光滑;3、在不可避免微小间隙情况下，设法减小微小间隙之间的电位差，减少电离现象出现。可以通过灌注环氧胶或绝缘胶充斥绝缘材料与芯件或壳体之间的微小缝隙从而达到尽可能消除间隙的目的。或者在绝缘材料与芯件接触部位涂抹导电漆，通过引导的方式消除间隙表面的电势差，从而减少局部放电现象发生的可能。

此外，为了减少局部放电，在设计高压连接器时应尽可能考虑减少导电体（芯件、金属外壳等）的凸出结构，更要杜绝尖锐凸出结构，因为曲率半径越大电荷密度越高，会造成电场畸变，发生尖端放电现象。

3.3局部放电检测

通过对局部放电问题进行检测，获取连接器局部放电的状态，利用该特性为连接器的及时更换以及缺陷诊断提供依据。局部放电的检测方法比较多，各有特点，常见的有以下几种：

1）常规脉冲电流检测法：在实验室一般采用常规脉冲电流检测法检测局部放电，此法能较准确地检测出局部放电量，但不能确定局部放电的位置。

2）超声波检测法：在应用工况下一般采用超声波检测法，可以定位局部放电源的位置[6]。超声波检测法抗干扰性较强，常用于局部放电监测，为预防性维修保养提供依据。

3）超高频局部放电检测法：这是局部放电检测的新方法，由于检测频段高，抗干扰性强，检测灵敏度也高，可检测出局部放电的类型和位置。此检测法采用天线耦合电磁信号，检测对象与检测系统无电气连接，检测人员和检测设备更安全。但也存在不能检测局部放电量的缺点。

4）化学分析法：借助化学分析手段对绝缘介质或者绝缘介质局部放电产生的气体等物质进行成分和数量的分析，依此判断局部放电的程度。此方法不受电磁干扰影响，数据较为准确。但针对不同绝缘介质的分析方法完全不同，需要专业技术支撑。

通过检测的方法可以有效评估连接器或绝缘系统的缺陷形式或老化状态，有利于连接器设计方案的优化，也为高压连接器维护、保养和使用寿命提供依据。

4.结论

高压连接器作为关键部件，其失效会引起嚴重故障。本文主要概述了高压连接器的常见结构，分析接触芯件与绝缘体为基础的主要失效形式，对失效形式中的局部放电现象，分别从局部放电发生原理、检测方法和基于原理的连接器结构优化方法出发重点探讨。由检测角度分析了部件监控识别缺陷和老化状态，从而及时更换部件;由结构角度分析了绝缘材料、微小缝隙消除和电势差消除的方式减少局部放电的可能性。为连接器局部放电问题的优化提供依据。

参考文献

[1]YuboL ，Dong Z ，Sheng Y ， et al. High-Voltage Safety Improvement Design for Electric Vehicle in Rear Impact[J].Automotive Innovation， 2018.

[2]卞如民. 高压连接器生产中的问题及分析[J].机电元件，2020，40（4）：4.

[3]Yaacob M M . Review on Partial Discharge Detection Techniques Related to High Voltage Power Equipment Using Different Sensors[J]. 光子传感器：英文版， 2014（4）：337.

[4]王凤.高压电连接器的交流局部放电的研究与测量[J].机电元件，2013，33（3）：5.

[5]杜建东，王敏兴，朱赫.高温高压连接器研发综述[J].机电元件，2020，40（3）：4.

[6]Samaitis V ， Maeika L ， Jankauskas A，et al. Detection and Localization of Partial Discharge in Connectors of Air Power Lines by Means of Ultrasonic Measurements and Artificial Intelligence Models[J].Sensors， 2020， 21（1）：20.

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