【導讀】本文根據(jù)熱力學公式對接觸體的最大電流值及電連接器整體溫升值進行分析，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果。
應用電連接器的電力連接系統(tǒng)，連接器是為兩個導體界面提供連續(xù)可靠的電流通路的基本元件。目前，隨著應用設備的功率越來越大，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構。
連接器應具有低而穩(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)。機械結構一方面為連接器提供可靠的接觸條件，另一方面不同結構尺寸影響電連接器整體散熱效果。
本文根據(jù)熱力學公式對接觸體的最大電流值及電連接器整體溫升值進行分析，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計注意事項。
公式中未考慮封線體與導線對散熱的影響，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，導線延伸出電連接器外部，相當于增加了散熱面積，有利于散熱。
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，并對其結構性能和使用壽命產(chǎn)生影響。高溫使絕緣材料結構發(fā)生變化，產(chǎn)生化學分解，絕緣性能變壞；使接觸體材料的機械性能劣化，導致應力松弛和鍍層破壞，在接觸區(qū)形成絕緣薄膜，接觸電阻增大，并反過來進一步加劇溫升；過高的溫度使密封材料失效，導致電連接器防護性能下降。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荷和環(huán)境條件的綜合作用結果。
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)導體產(chǎn)生的熱量，當產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量達到平衡時，導體的溫度就會固定，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。
當接觸體溫度達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大于絕緣材料熔點，因此，當接觸體溫度達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：
2.2 求解計算
以8#針孔為例，計算最大工作電流，取值結果如下：
S 1800mm2
△t 105℃（室溫20℃，高溫125℃，△t=125-20=105℃）
R 0.56mΩ
代入公式（5）：
I=63.8A
需要指出的是，計算結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
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)高的材料均可以達到減少發(fā)熱量的目的，既在產(chǎn)品設計時應注意：
（a） 減少接觸體直徑的突變，防止出現(xiàn)電流集束效應，增大接觸電阻；
（b） 在結構尺寸允許的情況下，適當加大接觸體直徑和長度，增大其散熱面積；
（c） 公式（5）可以推導出：
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（彈簧箍結構）、冠簧等結構，避免銅材受熱產(chǎn)生應力松馳；
（d） 多點接觸結構或加大接觸正壓力，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、插針直徑及適配導線，測試扭簧孔、開瓣彈簧箍結構及48點接觸簧片式結構接觸體，按GB/T 5095.3 方法5a進行溫升試驗，試驗結果見圖1。
圖1：不同結構接觸體溫升曲線
試驗結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)學模型
依據(jù)熱力學熱傳導、熱對流、熱輻射理論，整理出電連接器最熱點溫度計算公式：
公式中未考慮封線體與導線對散熱的影響，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，導線延伸出電連接器外部，相當于增加了散熱面積，有利于散熱。
因此，計算結果僅為近似的估算，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，取值見表1：
表1：參數(shù)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
計算結果接近產(chǎn)品標準規(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（7）、（8）:
Tc=57℃
△t=57-20=37℃
計算結果滿足產(chǎn)品標準規(guī)定的溫升不超過55K要求。
3.3 試驗測試結果
取8芯電連接器1套，接觸體壓接16mm2導線，送入后將所有孔位串聯(lián)，通以額定電流，當電連接器內(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。試驗結果見表2：
表2：溫升試驗結果
額定電流時，溫升計算結果37℃、試驗結果33℃，兩者相近。
3.4 小結
（a） 通過公式（7）可以看出，降低電連接器和接觸體溫升的方法相同。
（b） 電連接器熱設計應驗算：接觸體的工作電流是否大于導線的安全工作電流；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
本文主要從熱平衡角度推導、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，二者結果相近，且計算結果更接近設計期望值，說明計算方法可以用于電連接器的熱設計。
由于計算結果和試驗結果仍存在差異，說明計算方法中仍有影響因素未考慮，需要更近一步推導，以期得到更準確的結果。
參考文獻
［1］ 第三機械工業(yè)部第612研究所 航空機械設計手冊 1979.5
［2］ 岳丹婷 工程熱力學和傳熱學 2002
［3］ 章繼高 接觸理論設計 1984.8
［4］ 國家標準GB/T 5095.3-1987
［5］ 航空工業(yè)部標準HB5874-1986
［6］ 鐵路行業(yè)標準NF F61-030
［7］ 電連接器技術
原創(chuàng)： 張民民，劉海峰
