4 芯弱電濕插拔連接器的研制

趙宏力，宋小海，朱麟杰，范海濤，許洋（美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200941）

0 引言

20 世紀80 年代初期，連接器的使用領域由地面發展到水下。近年來，隨著經濟全球化的發展，人類對能源的需求越來越大，迫使油氣開采由陸地走向海洋、從淺海走向深海。并且隨著海洋資源開發和海洋科學研究。促進了海洋長期觀測和探索發展，4 芯弱電濕插拔連接器（以下簡稱為4 芯連接器）是實現深海監測站與通信電纜之間的必不可少設備，基于此背景催生了4 芯連接器的研發，也為深海信息系統設備的重組與擴展給出了有效的解決方法。

由于陸地油氣的不斷開發，海洋油氣已經成了提供全球能源的主要途徑。人類開發海洋油氣已經從海水面發展到深海，開采海洋油氣已經是水下模式，而且整個海洋油氣開采系統都布置在海底。可見4 芯連接器已是水下油氣開采系統的關鍵部件。

本人在4 芯連接器的研發過程中，完成了焊接電纜線固定的結構設計、電纜與金屬之間密封設計、二級密封結構設計[1]、連接器電絕緣設計等。并完成了4 芯連接器樣機試制。

1 4 芯連接器的結構與組成

連接器主要分為插座和插頭兩部分，要求在大水深1 500 m 的靜水壓力下傳輸電流和信號。接觸件采用在銅合金表面鍍金，接觸件配合表面均有很高的表面光潔度，可滿足接觸電阻不大于10 mΩ 條件下50 次插拔。

插頭或插座與用戶設備安裝板連接通過O 型密封圈密封，O 型密封圈是比較成熟密封方式可以實現大水深靜水壓力要求，使用時插座安裝在面板上，插頭固連在用戶設備上，插頭和插座無需采用螺紋或其他鎖緊機構，插合后用戶設備可保證插頭合插座之間不產生軸向竄動，即設備結構保證插合鎖定，無需連接器自鎖。

插座連接器與安裝板面通過螺紋連接進行安裝，插頭與安裝臺面通過螺栓固定，插座和插頭與安裝板面的連接方式可以根據實際情況進行變更。

2 4 芯弱電濕插拔連接器技術問題

因為4 芯連接器需要在水下長時間工作，所以分離、插合是在復雜惡劣海底水下環境中完成的。特別是在大水深1 500 m 處的插合和分離連接器不可能由潛水員來完成，只能利用遙控機器人ROV 搭載機械手來進行作業。

4 芯連接器的研制需要解決的技術難題較多，國內幾乎無可借鑒的成熟產品，這就給連接器研制帶來很大難度。

急需解決的4 芯連接器的技術難題可以歸納為以下三項：（1）連接器的電絕緣技術問題；（2）電纜固定技術問題；（3）連接器的密封技術問題。

2.1 4 芯弱電濕插拔連接器的絕緣問題

（1）在插頭和插座分離狀態下：①接觸件之間的絕緣技術問體；②接觸件與殼體之間的絕緣技術問題。（2）插頭和插座插合過程中絕緣技術是核心技術問題。

2.2 電纜的固定問題

文章4 芯連接器電纜固定方式為非硫化固定，如果電纜在殼體內固定不牢，當電纜受軸向載荷的情況下電纜很容易被拉出，因此4 芯連接器結構設計固定電纜線是技術難點。

2.3 連接器密封問題

4 芯連接器應用在深水中，這就對密封要求極高。連接器密封分為兩種情況，（1）在連接器在沒有插合的狀態下插座、插頭的獨立密封，以及插合好狀態下的密封。這兩種情況都是靜態密封；（2）連接器插頭、插座在插合過程中的密封。這種情況為動態密封[2]。

3 4 芯弱電濕插拔連接器技術難題解決方案

3.1 連接器電絕緣技術設計方案

4 芯連接器耐壓計算

耐壓主要介電強度最薄弱的部分決定，由4 芯連接器結構可知，只需要對接點之間、插座的焊杯與外殼之間、插孔與海水之間計算即可。

3.1.1 接點之間

腔體填充硅油，接點之間被硅油填充，硅油介電強度按1.5 kV/mm 計算。

接點最近點位5.70 mm，耐壓強度為：

5.70 mm×1.54 kV/mm=8.78 kV > 1 000 V AC 滿足設計要求。

3.1.2 插座的焊杯與外殼之間

耐壓強度最薄弱處為焊杯距離壓緊螺母最近為5.33 mm，焊接后尾部灌封，灌封材料（15.7 KV/mm）實現電氣的隔離，耐壓強度:

15 kV/mm×5.33 mm=79.95 kV > 1 000 V AC 滿足耐壓設計要求。

綜上，4 芯連接器設計滿足耐壓1 000 V AC 的設計。

3.1.3 插孔與海水之間

插孔與海水之間絕緣由少量硅油及油囊實現，插孔距離油囊最近為7.33 mm 如圖3，之間由硅油填充；油囊厚度為1.5 mm，采用氟硅橡膠（15 kV/mm），耐壓強度為:

1.54 kV/mm ×7.33 mm+15 kV/mm×1.5 mm=33.7 kV >1 000 V AC 滿足耐壓設計要求。

綜上，4 芯連接器設計滿足耐壓1 000V AC 的設計。

絕緣電阻:1 000 MΩ。

3.1.4 4 芯絕緣計算

插孔分別在硅油、油囊、PEEK 材料中，為了便于計算假設為三者串聯。

絕緣電阻R 總

R 總=R1*R2*R3/(R1*R2+R1*R3+R2*R3) = 540 202 MΩ>1 000 MΩ 滿足設計要求。

3.2 電纜的固定設計方案

電纜線頭是焊接在插針機構和插孔機構上的，插頭及插座在安裝過程會受到連接器軸向拉力，錫焊力有相對較小，無法抵抗軸向拉力。因此需要把電纜線固定在連接器殼體內，這就要求巧妙的結構設計。

電纜線固定在連接器的原理：2 個螺母，一個為固定螺母，另一個壓緊螺母，兩個螺母中間有一個楔形環金屬件及一個和楔形環配合的非金屬件，當壓緊螺母壓緊金屬楔形環時，非金屬楔形環向電纜線方向位移這樣就抱緊了電纜線，而焊接線是不受力的。

3.3 連接器的密封技術方案

電連接器插頭和插座的獨立靜密封相對較容易通過O 型橡膠密封圈實現，插頭和插座在插合過程中的動態密封及金屬件與電纜線之間的密封是關鍵技術。

動態密封：密封件、導引件等組成接插件，在插入和拔出時能夠防止水進入接插件內部，而且使電絕緣性不會降低。

其中密封件是硅膠材料，硅膠材料和海水相容性很好，這樣就電連接的使用壽命就得到了保證。

插座在為了實現內外壓平衡，插頭內腔均需充滿油，需設計合理的密封結構，使油與外界水體隔開，實現自密封。在連接器對接過、分離過程中，通過平衡等壓設計結構保證插頭充油腔依然保持密封和內外壓力平衡狀態。

金屬件與電纜線之間的密封：連接器電纜線不是硫化橡膠密封，這樣就給金屬件與電纜線之間的密封提出了很大的挑戰。因為電纜線外絕緣皮是剛度相對比較小非金屬件，所以利用“O”形密封圈是無法密封的。這樣此處密封就要采用灌膠工藝密封，而且膠要始終要受壓力使膠與電纜線一直保持擠壓狀態，這樣才能保證密封的可靠性。

4 4 芯連接器的測試和性能試驗內容

連接器測試及試驗項目包括：外觀檢查、密封測試、接觸電阻測試、外殼絕緣電阻、耐壓測試、干插拔測試、濕插拔測試、低溫試驗、高溫測試、壽命試驗、承壓試驗。

5 結語

4 芯弱電濕插拔連接器是深水密封的高端產品，也是價格昂貴的搞技術含量產品，全球僅有幾家公司可以生產。這些公司有美國的SEACON、TELEDYDE ODI(Ocean Design Ins.)公司和德國的GISMA 公司。

4 芯弱電濕插拔連接器主要用在海洋天然氣及石油領域。其中美國的ODI 公司的連接器產品90%應用在這一領域。連接器不僅應用在對海洋的探索和觀測的水下信息傳輸領域，而且也國防軍事領域，可見連接器的重要性。

由于陸地油氣的大量消耗，開采油氣已推進到深海。因此，必須在掌握國外連接器產品的基礎上必須開發自主產品，就目前來看，水下插拔連接器需求量較大，有著較為廣闊的前景。