水下电连接器的热电耦合及热传导分析研究

袁生地 朱赫 伍能

摘   要：为了研究水下电连接器的热电相关特性，提出了仿真研究水下电连接器热传导及内导体导电产热对连接器密封问题的影响。建立了单根导体以及水下电连接器的热电耦合模型，根据单根导体的热电耦合模型，模拟了单根内导体的电流产热以及单根内导体的热通量，并结合热理论计算，验证了模拟值与测量值近似相等;根据电连接器的热电耦合模型，仿真了水下电连接器内导体产热及橡胶件热分布。其仿真结果对进一步研究温度升高对连接器其他性能的影响具有一定的参考价值。

关键词：电连接器  热电耦合  热传导  橡胶件

中图分类号：TN784                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0093-02

随着油气能源的需求量逐步增加，水下连接器得到长足发展。水下电连接器又分为干式和湿式电连接器，应用最广泛的是干式电连接器，即水上环境完成插合再应用于水下环境，本文主要研究干式电连接器。此类连接器采用的是刚柔啮合型密封结构，即利用刚性插针与柔性橡胶件之间的过盈配合来达到密封的效果，所以合理选择插针及橡胶件材料是密封效果良好的关键。

水下电连接器在工作时，电流经插针流过，由于金属自身电阻及接触对产生的接触电阻，会在电连接器导电时产生焦耳热，而金属部分与橡胶部分又是紧密接触的，所以，电连接器的工作会导致整个连接器温度的升高。温度升高不仅会加快接触对之间氧化物的生成，使得接触电阻急剧增大;而且会影响橡胶件的性能，从而使密封性能恶化、使用寿命缩短。此外，温度升高过多也有可能引起短路或电击穿等危险。故本文研究水下电连接器的电热耦合及热传导有着重要的意义。

1  热分析相关理论及有限元工具

根据热力学第二定律可知，温度差作为热能传递的动力，热能会自发由高温物体传向低温物体，其中热能传递的方式有三种，包括热对流、热辐射及热传导，而热对流及热辐射一般是涉及到液体或气体介质的热能传递[1]。本文所研究的水下电连接器内部采用过盈结构设计，满足热传导条件，故可采用热传导方式分析热传递[2]。热传导可定义为完全接触的两个物体之间或一个物体不同部分之间由于温度差异引起的热能交换，其遵循傅里叶定律：

对水下电连接器作热电耦合及热传导分析需要用到热电耦合模块及热传导模块。其中，热电耦合分析主要应用于电势场与温度场同时存在且需要同时求解的情况。

2  单针配合的热电耦合仿真分析

本文所讨论的电连接器是一款典型的四芯产品，其中插头和插座的外部基座均为橡胶结构，即橡胶包裹插针和插孔合件。在讨论整体结构前，对单个接触对进行分析。

2.1 模型建立及参数设置

插孔合件模型图1所示，针对插孔合件实际使用状况，对其进行合理简化，建立单根插孔合件对插模型。接触对为长度相同，但横截面不同的两个同轴圆柱体。

根据插孔合件实际的接触电阻值，设定接触电阻值为4mΩ，并结合插针和插孔的基材相同，并设置仿真所需的热传导系数为0.1089 W/mmg℃和电导系数为14085 1/Ωgmm。

2.2 单针配合仿真分析

插针的左端面上加载大小为10A的集中电流，在插孔的左端面加载电势为0的边界条件使电流可以顺利完成流动。其模型的初始温度9℃。通过仿真计算得出单根插孔合件的温度分布云图和电势分布云图，如图2和图3所示。

图2为单针配合的热电耦合的温度场分布结果，可以看出温度分布从接触配合处向两端按梯度下降;接触配合处的温度上升幅度最大。故接触配合处电阻值相对于导体自身较大，即在接触配合处有电阻集中、产生的焦耳热更多，导致此处温度升高最明显，热量从接触配合处向两侧传递，形成梯度温度场。图3为电势分布结果，可以看出接触配合处电势大小发生突变，其原因是此处电阻值较为集中;整个单针配合的电势差为0.04209V，加载的集中电流大小为10A，可以计算出整个部件的电阻值为4.21mΩ，此数值与仪器测量接触电阻值4.27mΩ近似相等。

3  电连接器整体的热传导分布

当电连接器处于工作状态时，插头部件与插座部件紧密結合，插针与插孔实现接触，且金属部分与橡胶件通过过盈紧密结合。热能量主要依靠热传导来进行径向和轴向方向上的热传递。此时，由于电流流过而温度升高的四根插针即是热源，其通过与橡胶件的面接触来实现热传导。在整体模型的热传导分析中，前一步计算结果是定义分析初始条件的依据[3]。

3.1 整体模型建立

根据电连接器实际工作是插头部件和插座部件紧密结合的实际情况，对模型进行适当简化，将插头部件和插座部件建立为一个整体。另外，由于电连接器左右两端部分离电接触对较远，温度几乎没有升高，故模型中不予建立。最终建立的模型为四组电接触对镶嵌在与之长度相等的橡胶圆柱体内。

3.2 整体模型的仿真及分析

整体模型与单根插针初始条件相同，其中插针的导热系数为0.0837 W/m2℃、橡胶的导热系数为2.5×10-4 W/m2℃，插针比热容为4.178×105 mJ/kg℃、橡胶比热容为5.12×105mJ/kg℃。通过对整体模型的仿真计算，其整体模型仿真结果剖视图如图4所示，橡胶件剖视图如图5所示。

由图4可以看出在整体连接器中，四个插针配合是热量来源，热量按径向和轴向传递给橡胶件部分。插针配合处为热量集中产生处，故插针配合处周围区域的温度升高最明显，最大温升达到了22.309℃以上，并沿着插针配合向四周逐渐下降。图5为橡胶件温度分布图，由图可看出其温度的梯度分布云图，根据动图可以看出其在较快的速度下从9℃升高到22℃，之后缓慢逼近稳态温度22.309℃。

4  结语

本文首先根据热电耦合理论，并结合连接器插针配合的实际结构，分析了单针配合通以10A集中电流下的温度场分布情况，为进一步进行连接器整体热传导分析提供了条件。其次根据热力学经典理论，分析了连接器整体的热量传递方式，将整体结构适当简化并建模，分析得到了连接器整体的温度分布情况。本文建模分析时考虑了接触电阻的影响，连接器温度分布更加合理。本文的模拟结果对进一步研究温度升高对连接器各方面性能的影响具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 许成彬.耐高温电连接器热分析与可靠性研究[D].浙江理工大学，2015

[2] 文艺.电连接器温度场数值分析研究[D].河北工业大学，2012.

[3] 齐鹏远，刘伟杰.基于ABAQUS软件的热传导问题分析[J].科技创新导报，2015（34）：135-136.