高壓連接器局部放電問題探討

吉宜職 陳健飛

摘要：高壓連接器作為高壓回路系統的重要部件其可靠性至關重要。本文主要概述了高壓連接器的主要失效形式，重點探討了失效形式中的局部放電現象。分析了局部放電的產生原理，由檢測角度分析了部件監控識別缺陷和老化狀態;由結構角度分析了絕緣材料、微小縫隙消除和電勢差消除的方式減少局部放電的可能性。

關鍵詞：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中常用的電器元件，其主要性能參數：絕緣、耐壓、IP等級、連接可靠性、壽命等。連接器失效將會對系統產生嚴重影響，輕則連接器局部溫度升高，發生燃燒，重則發生設備爆炸和人身事故[1]。本文重點對高壓連接器失效模式中的容易被忽略的局部放電問題進行探討，分別從局部放電的原因、局部放電檢測以及減少局部放電現象方法進行分析，從而為提高高壓連接器的可靠性提供依據。

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、導電接觸芯件組成。殼體主要作用是整個連接器密封防護和結構支撐;絕緣體的主要作用是導電體之間隔離，以確保絕緣性能和結構支撐;導電接觸芯件的功能是電能傳導和信號的傳遞。它們相互依存，共同實現高壓電連接性能。

高壓連接器通過內部接觸芯件實現信號的傳遞與電能傳導的功能，接觸芯件的性能直接影響連接器的載流能力和可靠性。常見的接觸芯件結構主要有適用于矩形連接器的內嵌簧片式和疊片式，其具有加工成本較低的優勢;適用于圓形連接器的包括雙螺旋及線簧接觸結構、彈性插孔接觸件、片簧接觸、內冠簧接觸結構、外冠簧接觸結構、自鎖緊接觸結構等，具有插拔力低、載流量大和接觸可靠的優點。

絕緣材料是指在允許的電壓下不導電的材料，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，而且其機械性能、耐熱性、吸濕性均有較高的要求，常見的有橡膠、塑料、陶瓷等。

當接觸芯件和絕緣體發生失效時，連接器則會發生故障。常見的連接器失效形式主要包括：介質擊穿和局部放電。介質擊穿是指絕緣介質在強電場的作用下喪失絕緣性的現象，而電介質擊穿的情況對于高壓連接器來說是致命的，但此問題在連接器制造有方法檢測排除;而局部放電則是強電場環境下難以避免的現象，局部放電現象不斷發生促使絕緣體老化，最終導致絕緣介質擊穿[2-3]。通過對局部放電產生機理分析，分別由檢測與絕緣體優化角度進行探討，有助于為絕緣體可靠性的提高提供依據。

3.局部放電

3.1局部放電原理

在高壓連接器的使用過程中，絕緣材料長期置于強電場中，當電應力超過臨界值時，絕緣系統的微小空隙之間會發生氣態電離，從而導致局部放電。當緣體的局部發生放電現象時放電的能量主要以熱量、聲音和光的形式消散，同時可能會產生臭氧，侵蝕絕緣材料，使其發生物理和化學變化，這種變化是不可逆的，會影響絕緣材料的性能，即電老化現象。局部放電又區分為內部局部放電、表面局部放電和電暈，分別指絕緣體內部放電、表面放電和導體包裹的氣體周圍放電。

絕緣系統主要包括多種材料組成復合絕緣系統或者單種材料形成的絕緣系統。復合絕緣系統中，由于材料的差異所產生的電勢各不相同，微量擊穿程度也不同，會導致在某些材料中率先發生局部放電現象。而單一材料的絕緣系統，雖然絕緣材料為單種材料，但是材料中會存在氣泡、裂紋或雜質等缺陷，這些缺陷主要是在生產和使用過程中產生，這些缺陷會優先引發局部放電發生。氣泡的介電常數小，電場強度高，導致氣泡位置在介質中優先發生局部放電現象[4]。如圖1所示

雖然局部放電的能量非常小，每次對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生數百次或數千次，日積月累，從量變到質變，導致絕緣系統的崩潰。因此局部放電問題是設計高壓連接器時不可忽視問題。

3.2局部放電優化方法

既然高壓必然產生強電場，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，甚至在絕緣絕體內部，如圖2所示。

消除絕緣體內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題途徑。

消除絕緣材料內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、機械強度相對要好（耐候性強，滿足結構支撐的需要）;4、致密、均勻、無雜質。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具有較高強度、較佳耐疲勞性、尺寸穩定性好以及蠕變性小，其使用溫度范圍廣等特點;陶瓷具有較好的絕緣性能和機械性能，且耐高溫、耐腐蝕性能好，但成型工藝復雜，不適合小批量使用;PEEK材料具有較好的耐腐蝕性、高溫高壓環境依舊可以保持的耐水解性，優秀的絕緣性以及機械性能，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間隙更是難上加難，因為高壓連接器需要滿足響應的國家標準，甚至需要滿足國際標準，其結構和空間都將被約束。消除此類微小縫隙方法：1、在允許情況下盡可能減少微小間隙的結構;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，設法減小微小間隙之間的電位差，減少電離現象出現。可以通過灌注環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到盡可能消除間隙的目的。或者在絕緣材料與芯件接觸部位涂抹導電漆，通過引導的方式消除間隙表面的電勢差，從而減少局部放電現象發生的可能。

此外，為了減少局部放電，在設計高壓連接器時應盡可能考慮減少導電體（芯件、金屬外殼等）的凸出結構，更要杜絕尖銳凸出結構，因為曲率半徑越大電荷密度越高，會造成電場畸變，發生尖端放電現象。

3.3局部放電檢測

通過對局部放電問題進行檢測，獲取連接器局部放電的狀態，利用該特性為連接器的及時更換以及缺陷診斷提供依據。局部放電的檢測方法比較多，各有特點，常見的有以下幾種：

1）常規脈沖電流檢測法：在實驗室一般采用常規脈沖電流檢測法檢測局部放電，此法能較準確地檢測出局部放電量，但不能確定局部放電的位置。

2）超聲波檢測法：在應用工況下一般采用超聲波檢測法，可以定位局部放電源的位置[6]。超聲波檢測法抗干擾性較強，常用于局部放電監測，為預防性維修保養提供依據。

3）超高頻局部放電檢測法：這是局部放電檢測的新方法，由于檢測頻段高，抗干擾性強，檢測靈敏度也高，可檢測出局部放電的類型和位置。此檢測法采用天線耦合電磁信號，檢測對象與檢測系統無電氣連接，檢測人員和檢測設備更安全。但也存在不能檢測局部放電量的缺點。

4）化學分析法：借助化學分析手段對絕緣介質或者絕緣介質局部放電產生的氣體等物質進行成分和數量的分析，依此判斷局部放電的程度。此方法不受電磁干擾影響，數據較為準確。但針對不同絕緣介質的分析方法完全不同，需要專業技術支撐。

通過檢測的方法可以有效評估連接器或絕緣系統的缺陷形式或老化狀態，有利于連接器設計方案的優化，也為高壓連接器維護、保養和使用壽命提供依據。

4.結論

高壓連接器作為關鍵部件，其失效會引起嚴重故障。本文主要概述了高壓連接器的常見結構，分析接觸芯件與絕緣體為基礎的主要失效形式，對失效形式中的局部放電現象，分別從局部放電發生原理、檢測方法和基于原理的連接器結構優化方法出發重點探討。由檢測角度分析了部件監控識別缺陷和老化狀態，從而及時更換部件;由結構角度分析了絕緣材料、微小縫隙消除和電勢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題的優化提供依據。

參考文獻

[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. 高壓連接器生產中的問題及分析[J].機電元件，2020，40（4）：4.

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

[4]王鳳.高壓電連接器的交流局部放電的研究與測量[J].機電元件，2013，33（3）：5.

[5]杜建東，王敏興，朱赫.高溫高壓連接器研發綜述[J].機電元件，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.