January 19, 2023
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大电流连接器塑胶材料的选择与应用

近年来随着数据中心的蓬勃发展,数据中心对于效率及规格的要求也越来越高,也因此材料的选用在数据中心升级的过程中扮演至关重要的角色。塑胶材料广泛使用于大电流连接器中,主要用于支撑导体,提供绝缘功能,也可以制作各种其他功能零件,比如外壳,卡扣,螺帽等。塑胶材料种类繁多,性能千差万别,需要根据连接器不同的应用环境和功能需求,选择合适的塑胶材料。塑胶材料主要特性有:机械性能,电气性能,耐热性,耐燃性等。机械性能包含:抗拉强度(Tensile Strength),弯曲强度(Flexural Strength),冲击强度(Impact Strength),硬度(Hardness)等,电气性能包含:体积电阻率(Volume Resistivity),相对电痕指数(Comparative Tracking Index,简称CTI)等,耐热性包含:热变形温度(Heat deflection temperature), 相对热指数(Relative Thermal Index,简称 RTI),耐燃性:可根据UL94标准,分为HB、V-2、V-1、V-0、5VA、5VB等。贸联基于自身丰富的产品开发经验,已建立其对于不同应用环境及产业需求选用不同塑胶胶材料的专业知识与开发流程。


数据中心用大电流连接器

随着云端服务器的发展,人类已越来越快进入到大数据社会。而云端服务器的海量数据运算能力离不开充足的电能供应,大电流连接器在数据中心里运用越来越重要。不同于光伏连接器一直在户外使用,数据中心用的大电流连接器应用环境相对温和,一般是在有空调的室内使用,不需要很高的防水性能,不需要耐紫外线照射。温升性能是此类连接器的首先要考虑的性能,而温升测试的上限温度不能高于塑胶材料的RTI值,因此需要选择较高RTI值的塑胶材料。考虑到防火安全性,塑胶材料的防火等级建议选择V0级或以上。另外,塑胶材料还需要有好的耐冲击性能以通过跌落测试。塑胶材料的CTI值影响产品的爬电距离,见下表,需根据产品电压和产品实际结构选择CTI值合适的塑胶材料。
 


图1 BizLink 大电流连接器

浸没式冷却连接器(immersion cooling)

随着数据中心的运算能力增加,发热也越来越大,为了更好的散热,越来越多的数据中心采用浸没式液冷散热设计,将整个服务器浸没在专用的冷却液中。而应用于浸没式冷却的连接器,由于长期浸泡于冷却液中,需考虑冷却液对塑胶材料的腐蚀,对塑胶材料的物理性能的影响,以及塑胶材料自身是否会析出导致污染冷却液。通过将塑胶材料放入冷却液中进行浸泡测试,对比测试前后塑胶材料成分变化和冷却液的成分变化,以及对比测试前后塑胶材料的物理性能变化,如抗拉强度,弯曲强度等变化,确认塑胶材料是否合适。

光伏连接器

除数据中心外,能源亦是经济发展下另一个迫切待解的议题。随着全球能源危机加剧和传统能源的环境污染问题日益加重,太阳能光伏发电已经成为重要新能源之一。光伏发电是通过太阳能电池板接受阳光的照射,将太阳能转换为电能,并通过电线和连接器导出,多块太阳能电池板通过连接器串/并联以达到发电系统设计的电压和电流。由于太阳能电池板的安装是长期暴露于户外,很多电站更是直接建立在戈壁、沙漠等恶劣环境中,光伏连接器也长期直接暴露于户外,设计寿命一般10年到20年,对防尘和防水性能,耐高/低温性能和耐紫外线都要有很高的要求。


图2 光伏电站
 
一般光伏连接器典型参数如下:
额定电压:直流1000V到1500V,
额定电流: 从15A到90A,
环境温度: -40℃~+85℃,
防护等级:最小达到IP67级。

光伏连接器典型结构如下,包含公端连接器和母端连接器,由公端主体,公端子,母端主体,母端子,防水圈,螺帽等零件组成,其中公端主体,母端主体,和螺帽使用塑胶材料。


图3 光伏连接器结构

对于户外使用的塑胶材料,需要考虑材料的耐紫外照射和耐水解性能,根据光伏连接器安规标准的要求,外壳塑胶材料需通过UL746C标准规定的紫外线暴露测试(Ultraviolet light exposure)和水浸泡测试(Water exposure and immersion)。塑胶材料在自身进行UL认证时,通过此测试后,型号后面会加(f1)后缀。考虑到防火安全性,外壳塑胶材料需符合UL94标准规定的V-0或5VA耐热等级。相对热指数(Relative Thermal Index,简称 RTI)是指材料在长时间暴露于高温下时保持特定性能(物理、电学等)的能力,考虑到光伏连接器的环境温度,RTI应大于等于105℃。以上防火等级和RTI值与材料的最小厚度有关,因此要根据实际产品结构的最小厚度来确定。相对电痕指数(Comparative Tracking Index,简称CTI)是痕量材料对电痕的易感性,CTI这些参数非常重要,而在选择材料时往往容易被忽略,根据IEC标准,材料按CTI值被分成以下4类。

材料组I: CTI ≥600
材料组II: 400 ≤ CTI < 600
材料组IIIa: 175 ≤ CTI < 400
材料组IIIb: 100 ≤ CTI < 175

不同CTI材料对应的爬电距离(Creepage distance)见下表。根据产品本身结构的限制,一般来说光伏连接器要选择CTI≥400的材料才能满足爬电距离的要求。
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另外,由于户外使用,不可避免受到冰雹的冲击,因此材料必须有好的耐低温冲击能力,具体来说,要求产品在-35℃的条件下承受6.78J的冲量。综合来说,目前比较适合的材料有:PPE/PPO材料,PC材料,和PA材料。

每种连接器都有自身的应用环境,如室内,室外,空气及冷却液中。如何依照应用环境和功能需求,选用最适当的材料以最大化使用效率并维持稳定且优异的品质,是贸联始终如一的承诺。
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