張民民

摘要：應(yīng)用電連接器的電力連接系統(tǒng)，連接器是為兩個導(dǎo)體界面提供連續(xù)可靠的電流通路的基本元件。目前，隨著應(yīng)用設(shè)備的功率越來越大，電連接器正向高電壓、大電流方向發(fā)展，主流大電流連接器采用12mm以上大直徑接觸件以實現(xiàn)穩(wěn)定的電流連接。

當(dāng)前大電流連接器面臨的主要問題是高額定電流和溫升。而低電壓中溫升又是影響產(chǎn)品載荷容量和可靠性的關(guān)鍵。連接器的溫升是由工作時接觸體發(fā)熱帶來，因此決定連接器溫升的因素主要是接觸電阻與機械結(jié)構(gòu)。

連接器應(yīng)具有低而穩(wěn)定的接觸電阻來保證接觸區(qū)溫升在材料允許的溫度范圍內(nèi)。機械結(jié)構(gòu)一方面為連接器提供可靠的接觸條件，另一方面不同結(jié)構(gòu)尺寸影響電連接器整體散熱效果。

本文根據(jù)熱力學(xué)公式對接觸體的最大電流值及電連接器整體溫升值進(jìn)行分析，通過定量的方法實現(xiàn)電流計算及溫升值計算，并采用實際試驗方式驗證計算結(jié)果。

為了降低溫升的影響，提高連接器載流量，本文整理提出大電流電連接器設(shè)計注意事項。

關(guān)鍵詞：電連接器;大電流;熱設(shè)計;溫升;最大工作電流

1 引言

由于接觸體連接端存在接觸電阻、接線端存在壓接電阻，當(dāng)電連接器傳輸電流時，將會產(chǎn)生熱量，內(nèi)部溫度會隨之上升下降或劇烈變化，并對其結(jié)構(gòu)性能和使用壽命產(chǎn)生影響。高溫使絕緣材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生化學(xué)分解，絕緣性能變壞;使接觸體材料的機械性能劣化，導(dǎo)致應(yīng)力松弛和鍍層破壞，在接觸區(qū)形成絕緣薄膜，接觸電阻增大，并反過來進(jìn)一步加劇溫升;過高的溫度使密封材料失效，導(dǎo)致電連接器防護(hù)性能下降。同時，外部環(huán)境溫度影響電連接器的散熱效果。電連接器的溫升正是電負(fù)荷和環(huán)境條件的綜合作用結(jié)果。

2接觸體最大工作電流

受電阻影響，接觸體通過電流時會產(chǎn)生熱量，接觸體周圍空氣受熱產(chǎn)生對流會散發(fā)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，當(dāng)產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量達(dá)到平衡時，導(dǎo)體的溫度就會固定，此時，接觸體的溫度與環(huán)境溫度之差就是接觸體溫升值，接觸體通過的電流值就是在此環(huán)境溫度下接觸體的工作電流。

當(dāng)接觸體溫度達(dá)到本身材料或絕緣材料的熔點時，此時通過的電流就是接觸體所能承載的極限電流。接觸體實際使用的銅合金熔點遠(yuǎn)大于絕緣材料熔點，因此，當(dāng)接觸體溫度達(dá)到絕緣材料所能承受的極限時的電流值，就是接觸體的最大工作電流。

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)能量守恒定率，接觸體生成熱功率等于散熱功率，即：φ生=φ散。依據(jù)電工學(xué)基本公式：φ生=I2R;依據(jù)熱力學(xué)牛頓公式：φ散=Kzh×S×△t。

聯(lián)立公式：I2R=Kzh×S×△t，得出計算電流公式：I=

上述公式中：I載流容量（A）;Kzh空氣對流散熱系數(shù)S;散熱表面積（注意是表面積，不是截面積）（m2）;△t溫升（℃）;R接觸電阻（Ω）;Kzh 取值范圍：空氣自然對流5～25，氣體強制對流20～100，正常室內(nèi)條件，Kzh 取值18.3。

2.2 求解計算

以8#針孔為例，計算最大工作電流，取值結(jié)果如下：S 1800mm2，

△t 105℃（室溫20℃，高溫125℃，△t=125-20=105℃），R 0.56mΩ代入公式得I=63.8A。

需要指出的是，計算結(jié)果是未送入電連接器的單獨接觸體。送入產(chǎn)品后，受絕緣體傳熱及殼體散熱影響，最大工作電流小于63.8A。

2.3 小結(jié)

通過公式（4），降低電流強度和接觸電阻、提高散熱面積、選擇散熱系數(shù)高的材料均可以達(dá)到減少發(fā)熱量的目的，既在產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)注意：

（a） 減少接觸體直徑的突變，防止出現(xiàn)電流集束效應(yīng)，增大接觸電阻;

（b）在結(jié)構(gòu)尺寸允許的情況下，適當(dāng)加大接觸體直徑和長度，增大其散熱面積;

（c）公式（5）可以推導(dǎo)出：△t= ? ? ? ，可以看出，隨著電流的增加，發(fā)熱量迅速增大，溫度升高越來越快。這也是大電流接觸體多采用插針內(nèi)置漲環(huán)、插孔收口端外套彈簧（彈簧箍結(jié)構(gòu)）、冠簧等結(jié)構(gòu)，避免銅材受熱產(chǎn)生應(yīng)力松馳;

（d）多點接觸結(jié)構(gòu)或加大接觸正壓力，均為減小接觸電阻，具有更多的傳熱點，其更適用于大電流環(huán)境。

相同溫度、插針直徑及適配導(dǎo)線，測試扭簧孔、開瓣彈簧箍結(jié)構(gòu)及48點接觸簧片式結(jié)構(gòu)接觸體，按GB/T 5095.3 方法5a進(jìn)行溫升試驗，試驗結(jié)果見圖1。

試驗結(jié)果可以證實上述推斷。

3電連接器溫升

上面討論的是單獨接觸體的電流和溫升，而在實際使用時，考慮安裝方式、安全等因素，接觸體均需送入電連接器內(nèi)使用。電連接器外殼隔離了接觸體熱點與空氣的直接接觸，降低了接觸體熱點散熱效果。電連接器的外部熱源、大氣條件、電連接器本身散熱條件的好壞，如表面顏色、有無冷卻手段等，都是影響電連接器散熱效果的因素。

連接器溫升是指在某一特定溫度下，在接觸體上施加額定電壓與額定電流而發(fā)熱并達(dá)到平衡時，其內(nèi)部最熱點溫度與環(huán)境溫度之差。電連接器的溫升可以通過計算和試驗來確定。

3.1 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)熱力學(xué)熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射理論，整理出電連接器最熱點溫度計算公式：

上述公式中：Tc 最熱點溫度（℃）;q? 發(fā)熱功率（以環(huán)境溫度20℃計算） q=I2Rn[1+α（Tc-20）] （W）;Ts 連接器外表面溫度? Ts=Ta+? ? ? ? ? （℃）;l連接器長度（m）;k? 絕緣體材料熱導(dǎo)率（w/

m·℃）;I? 單根接觸體載流量（A）;R? 20℃時接觸電阻（Ω）;n? 接觸體數(shù)量;

α 電阻溫度系數(shù)（1/℃）;Ta 環(huán)境溫度（℃）;d? 連接器外圓直徑（m）;h? 連接器表面對流傳熱系數(shù)和輻射傳熱系數(shù)之和（w/m2·℃）。

查閱HB5874-1986《飛機插頭座插針插孔一般技術(shù)要求》、NF F61-030《鐵路車輛——電氣連接器—技術(shù)規(guī)范》，壓接電阻基本上是接觸電阻的1/10或更小，因此計算取值時按接觸電阻。

將公式變形可得：

公式中未考慮封線體與導(dǎo)線對散熱的影響，電連接器加裝封線體后，其內(nèi)部環(huán)境相對密閉，增加了傳熱難度，導(dǎo)線延伸出電連接器外部，相當(dāng)于增加了散熱面積，有利于散熱。

因此，計算結(jié)果僅為近似的估算，同時建議參數(shù)選取不利于散熱的邊界條件，如此可保證產(chǎn)品設(shè)計符合使用條件。

3.2 求解計算

以8芯電連接器為例，計算最大工作電流，取值代入公式（9）后，I=53A

取安全系數(shù)0.8，電連接器額定工作電流53×0.85=42.4A

計算結(jié)果接近產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定電流46A。

以額定電流46A、接觸電阻0.56mΩ、環(huán)境溫度20℃計算電連接器溫升，將數(shù)據(jù)代入公式：Tc=57℃? △t=57-20=37℃

計算結(jié)果滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升不超過55K要求。

3.3 試驗測試結(jié)果

取8芯電連接器1套，接觸體壓接16mm2導(dǎo)線，送入后將所有孔位串聯(lián)，通以額定電流，當(dāng)電連接器內(nèi)部溫度穩(wěn)定后，逐步增加電流值，直至溫度超過電連接器承受能力。通額定電流時，溫升計算結(jié)果37℃、試驗結(jié)果33℃，兩者相近。

3.4 小結(jié)

（a） 通過公式可以看出，降低電連接器和接觸體溫升的方法相同。（b） 電連接器熱設(shè)計應(yīng)驗算：接觸體的工作電流是否大于導(dǎo)線的安全工作電流;電連接器允許的最高溫度條件下，其工作電流是否大于規(guī)定的額定電流;以額定電流核算其溫升值是否符合規(guī)定。

4 總結(jié)

本文主要從熱平衡角度推導(dǎo)、計算接觸體、電連接器的最大工作電流、溫升值。通過實際計算與試驗測試，二者結(jié)果相近，且計算結(jié)果更接近設(shè)計期望值，說明計算方法可以用于電連接器的熱設(shè)計。

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