利用仿真技术研究电连接器电场分布

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摘  要：对电连接器进行几何清理，并简化模型，利用数值方法分析电连接器额定工况1800V条件下，整体电压分布和电场分布，得出最大场强位置，判断电连接器是否有击穿的可能性。根据仿真结果，分析电连接器最大场强产生的原因，可以对电连接器的实际设计提供参考和指导。

关键词：电连接器;模型;仿真;电场分布

中图分类号：TM503+.5 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0120-02

根据边界条件为插针指定电压1800V以及外壳接地（零电势），为第一类边界条件。介质内部由于无自由电荷，介质与介质之间的边界条件为接触面法向方向电势相等，为第二类边界条件。

为求解上述定解问题的方程，采用有限元法求数值解，判定连接器是否有击穿的可能性。

1 几何模型

根据计算要求，在建立有限元模型时，根据结构电场分布特征，对计算模型进行了以下合理的处理：

（1）略去不影响电场分布的次要零件。

（2）内部狭窄细长会引起数值奇异的模型适当处理。

（3）连接器外部不关心的零部件忽略。

（4）用冠簧连接插针部分的所有小零件予以保留，避免该处计算值失真。

2 网格划分

该连接器主要由插针、冠簧、塑料、铝合金外壳以及气隙五大部分构成，通过螺钉连接。每个部分几何结构复杂程度不同，且关心程度不同，对于气隙部分，需要适当加密网格，而对于金属外壳，由于为等势体，金属内部电场为零，为了缩短计算时间，网格可以适当粗化。

连接器整体模型共2311616个节点，1417804个单元。图1为连接器整体网格模型。

3 材料参数

在实施有限元分析时，连接器各部分材料相关电参数为：

4 约束与载荷

由于该连接器考察介质内部电场与电压分布，场由稳定性方程控制，只要边界条件确定，则场的唯一性也就确定了。连接器边界条件为：

（1）端子施加1800V电压。

（2）连接器外壳接地，即电势为0。

连接器施加电压边界条件示意图如图2所示：

5 计算结果

端子施加1800V电压计算结果：

将网格模型、电介质及金属材料电属性设置完毕，然后添加边界条件，首先三個插针部分施加1800V电压，外壳施加0V电压，然后选择求解器以及残差设定，当残差小于1e-6视为模型收敛。通过求解拉普拉斯方程，得到整体电势分布如图3所示：

将电势求出之后，利用电势与电场之间的关系E=-？荦？渍可求出电场分布，电场整体分布如图4所示。

6 结束语

以上利用有限元法对该连接器在额定工况下进行了电场分析，得到气隙处最大的电场强度如表2所示。

根据计算结果，额定工况下连接器电压及电场分布，可得到以下结论：

（1）连接器插针和外壳为金属，内部电场为零，电场分布全部被约束在介质内部（气隙、塑料）。

（2）气隙部分靠近插针的电场强度最大，电场最大位置为插针与冠簧连接部位，因为该处存在尖细气隙，在1800电压下，气隙最大电场约1.27kV/mm，不会被击穿，安全余量较大。

（3）额定工况场强最大点位置如图4所示，连接器装配之后在工作状态下，电场的汇（自由电荷） 由于趋肤效应分布在金属的外表面附近，金属尖角处电荷密度最大。因金属尖角处堆积电荷，该处电场强度最大，若空气被击穿，该处容易产生尖端放电。

（4）通过对连接器接插件和止夹等带有尖端的金属零部件进行结构优化，减少尖端放电的产生，能有效降低连接器被击穿的可能性。

参考文献：

[1]GB/T 21413.1-2008.机车车辆电气设备第1部分：一般使用条件和通用规则[S].

[2]GB/T 34119-2017.轨道交通 机车车辆用电连接器[S].

[3]陈济.导电颗粒对绝缘子表面电场和电荷积聚影响的研究[D].北京：华北电力大学，2006.

[4]倪光正.工程电磁场数值计算[M].北京：机械工业出版社，2010.

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