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连接器绝缘失效分析及可靠性设计

绝缘电阻是指在连接器的绝缘部分施加电压,从而使绝缘部分的表面或内部产生漏电流而呈现出的电阻值。即绝缘电阻(MΩ)=加在绝缘体上的电压(V)/泄漏电流(μA)。通过绝缘电阻检验确定连接器的绝缘性能能否符合电路设计的要求或经受高温、潮湿等环境应力时,其绝缘电阻是否符合有关技术条件的规定。

1 绝缘材料

设计电连接器时选用何种绝缘材料非常重要,它往往影响随后产品的绝缘电阻能否稳定合格。如某厂原使用醋醛玻纤塑料和增强尼龙等材料制作绝缘体,这些材料内含极性基因,吸湿性大,在常温下绝缘性能可满足产品要求,而在高温潮湿下绝缘性能不合格。后采用特种工程塑料PES(聚苯醚砜)材料,产品经200℃  1000h和240h潮湿试验,绝缘电阻变化较小,仍在105MΩ以上,无异常变化。

2 密封不良

干区里面的电子电器和线束受到高温/高湿以及化学品/灰尘影响较小,湿区刚好相反,如果密封不良,可能导致电器和线束进水,引起内部电路短路/腐蚀等,直接导致功能失效,这就需要线束的连接器插接件做好密封保护。

密封结构设计不合理:

a、密封胶圈压缩量不足,线束平顺安装密封无问题,折弯后密封失效;

连接器绝缘失效分析及可靠性设计

b、耐老化性能及机械性能差,长期使用老化开裂,导致密封失效,密封结构设计时优先选用径向密封结构;

连接器绝缘失效分析及可靠性设计

c、凝露:

连接器内部由于工作时发热内部空气含水量高,停止工作后静置由于温差导致空气中的水分析出在低温表面,进而导致绝缘失效,特别是发热部件连接器,如驱动电机连接器;

连接器绝缘失效分析及可靠性设计

空气主要由干空气、水汽、尘埃组成。通常湿度是指空气中水蒸气的含量,饱和湿度是单位体积的空气在一定温度条件下所能包含的水汽量的最大限度;

饱和湿度与空气温度有关,温度越高,所含水分越多。30%~60%的相对湿度是对于一般电气设备比较适宜的。如果保持空气绝对湿度不变,降低空气温度,温度降低到一定值时空气中湿度会达到饱和,继续降温,空气中水分就会析出,这种有液态水析出的现象称为“凝露”。露点温度是含湿量和大气压力保持不变的前提下能使空气相对湿度达到100%的温度。

试验室条件下的凝露现象主要包括两种情况。一种是出现在升温阶段,升温过程中壳体表面温度低于环境温度,壳体外表面的空气遇到低于露点温度的产品表面时,水气会凝结在壳体外壁,形成凝露。

另一种是出现在降温阶段,外部环境先降温,所以壳体内壁比内部空气温度低,如果壳体内壁温度达到内部空气的露点温度,壳体内壁就会形成凝露。

我们要解决的凝露问题主要是第二种,避免内壁产生凝露影响内部电气元件性能。凝露是温度与湿度共同作用的结果,环境湿度高,气候温差大,容易产生凝露 ;

我国地域辽阔,气候差异巨大,在沿海环境湿度大,西北地区温差变化大,此类区域一般更易产生凝露。

在金属表面涂覆硅胶干燥剂涂层后,当金属表面温度低于露点温度有水分析出时,首先被吸附到金属表面涂层中,吸附饱和后才会出现凝露。所以在金属表面涂覆硅胶涂层,在一定时间内可有效延缓凝露的产生,但并不能达到除湿的目的,且增加了加工和维护成本还有就是加装透气阀。

d、虹吸:

连接器等电子元件进水主要有两个途径,第一是外部的液体靠地心重力渗透进入其内部,比如没有密封圈的连接器,或水分从线束内部连接点(比如没有保护的焊点/压接点/搭铁点)进入;这里强调下“虹吸”这个词,因为一般电器在工作时有一定温度,内部空气形成一定压力,当停止工作后,温度下降,内部压力也小了,这时会形成气压差,如果连接器密封不良,水汽会顺着多股铜线间的间隙进入内部,导致功能失效。

下图为变速箱油冷却阀N509插头渗防冻液,防冻液沿N509插头(1)号线进入变速器电脑J217插头(7)号导致故障(液体虹吸现象)

连接器绝缘失效分析及可靠性设计

3 高温

高温会破坏绝缘材料,引起绝缘电阻和耐压性能降低,对金属壳体,高温可使接触件失去弹性,加速氧化和发生镀层变质。如按GJB598生产的耐环境快速分离电连接器系列2产品,绝缘电阻规定25℃时应不小于5000MΩ,而高温200℃时,则降低至不小于500 MΩ,电连接设计考虑载流温升,工作状态下不超过绝缘材料的额定工作温度。

4 湿度

潮湿环境引起水蒸气在绝缘体表面的吸收和扩散,容易使绝缘电阻降低到MΩ级以下。长期处于高温环境下会引起绝缘体物理变形、分解、逸出生成物,产生呼吸效应及电解腐蚀及裂纹。如按GJB2281生产的带状电缆电连接器,标准大气条件下的绝缘电阻值应不小于5000 MΩ,而经相对湿度为90%~95%,温度为40 ±2℃ 96h温热试验后的绝缘电阻降至不小于1000 MΩ。

5 污损

绝缘体内部和表面的洁净度对绝缘电阻影响很大,由于注塑绝缘体用的粉料或胶接上、下绝缘安装板的胶料中混有杂质,或由于多次插拔磨损残留金属屑及端接锡焊时 焊剂残留渗入绝缘体表面,都会明显降低绝缘电阻。如某厂生产的圆形电连接器在成品交收试验时发现有一个产品接触件之间的绝缘电阻很低,仅20MΩ不合格,后经解剖分析发现其原因是由于注塑绝缘体用的粉料中混有杂质,后只得将该批产品全部报废。

6 电气间隙

电连接器的接触对由绝缘安装板固定其相互位置,接触对之间,接触对与外壳之间由绝缘板和空气隙组成,绝缘板的抗电强度一般比空气隙高,因此在正常条 件和低气压条件下,电击穿通常首先发生在空气隙中,特别在尖角棱边处空气隙被击 穿产生飞弧由于电弧,的高温将附近的绝缘材料表面烧焦碳化而短路,造成绝缘失效。

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