【導(dǎo)讀】本文根據(jù)熱力學(xué)公式對(duì)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(guò)定量的方法實(shí)現(xiàn)電流計(jì)算及溫升值計(jì)算，并采用實(shí)際試驗(yàn)方式驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。
應(yīng)用電連接器的電力連接系統(tǒng)，連接器是為兩個(gè)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(lái)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(shí)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(wèn)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(shí)接觸體發(fā)熱帶來(lái)，因此決定連接器溫升的因素主要是接觸電阻與機(jī)械結(jié)構(gòu)。
連接器應(yīng)具有低而穩(wěn)定的接觸電阻來(lái)保證接觸區(qū)溫升在材料允許的溫度范圍內(nèi)。機(jī)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(duì)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(guò)定量的方法實(shí)現(xiàn)電流計(jì)算及溫升值計(jì)算，并采用實(shí)際試驗(yàn)方式驗(yàn)證計(jì)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(jì)注意事項(xiàng)。
公式中未考慮封線體與導(dǎo)線對(duì)散熱的影響，電連接器加裝封線體后，其內(nèi)部環(huán)境相對(duì)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。
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(shí)，將會(huì)產(chǎn)生熱量，內(nèi)部溫度會(huì)隨之上升下降或劇烈變化，并對(duì)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(jī)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(guò)來(lái)進(jìn)一步加劇溫升；過(guò)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(shí)，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(guò)電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，接觸體周圍空氣受熱產(chǎn)生對(duì)流會(huì)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(shí)，導(dǎo)體的溫度就會(huì)固定，此時(shí)，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(guò)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(diǎn)時(shí)，此時(shí)通過(guò)的電流就是接觸體所能承載的極限電流。接觸體實(shí)際使用的銅合金熔點(diǎn)遠(yuǎn)大于絕緣材料熔點(diǎn)，因此，當(dāng)接觸體溫度達(dá)到絕緣材料所能承受的極限時(shí)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：
2.2 求解計(jì)算
以8#針孔為例，計(jì)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（5）：
I=63.8A
需要指出的是，計(jì)算結(jié)果是未送入電連接器的單獨(dú)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(guò)公式（4），降低電流強(qiáng)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(jì)時(shí)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(zhǎng)度，增大其散熱面積；
（c） 公式（5）可以推導(dǎo)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(lái)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(diǎn)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(diǎn)，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(cè)試扭簧孔、開(kāi)瓣彈簧箍結(jié)構(gòu)及48點(diǎn)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(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1：不同結(jié)構(gòu)接觸體溫升曲線
試驗(yàn)結(jié)果可以證實(shí)上述推斷。
3電連接器溫升
上面討論的是單獨(dú)接觸體的電流和溫升，而在實(shí)際使用時(shí)，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(diǎn)與空氣的直接接觸，降低了接觸體熱點(diǎn)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(wú)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(shí)，其內(nèi)部最熱點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度之差。電連接器的溫升可以通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)來(lái)確定。
3.1 數(shù)學(xué)模型
依據(jù)熱力學(xué)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射理論，整理出電連接器最熱點(diǎn)溫度計(jì)算公式：
公式中未考慮封線體與導(dǎo)線對(duì)散熱的影響，電連接器加裝封線體后，其內(nèi)部環(huán)境相對(duì)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(jì)算結(jié)果僅為近似的估算，同時(shí)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(jì)符合使用條件。
3.2 求解計(jì)算
以8芯電連接器為例，計(jì)算最大工作電流，取值見(jiàn)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(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升不超過(guò)55K要求。
3.3 試驗(yàn)測(cè)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(guò)電連接器承受能力。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2：
表2：溫升試驗(yàn)結(jié)果
額定電流時(shí)，溫升計(jì)算結(jié)果37℃、試驗(yàn)結(jié)果33℃，兩者相近。
3.4 小結(jié)
（a） 通過(guò)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(shè)計(jì)應(yīng)驗(yàn)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(jì)算接觸體、電連接器的最大工作電流、溫升值。通過(guò)實(shí)際計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試，二者結(jié)果相近，且計(jì)算結(jié)果更接近設(shè)計(jì)期望值，說(shuō)明計(jì)算方法可以用于電連接器的熱設(shè)計(jì)。
由于計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果仍存在差異，說(shuō)明計(jì)算方法中仍有影響因素未考慮，需要更近一步推導(dǎo)，以期得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。
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［7］ 電連接器技術(shù)
原創(chuàng)： 張民民，劉海峰
