Высоковольтные электрические соединители компании GES High Voltage для науки, робототехники и медицины.

 

Задача обеспечения качественного электрического соединения возникает при проектировании оборудования различного назначения во многих отраслях промышленности. Особого внимания требуют вопросы коммутации силовых линий с рабочими напряжениями, достигающими десятков кВ.   

Разъемы, предназначенные для данных целей, помимо обеспечения надежного электрического контакта должны обладать повышенной прочностью изоляции, безопасностью эксплуатации и стойкостью к механическим и климатическим воздействиям. Широкую линейку высоковольтных компонентов, удовлетворяющих данным требованиям, предлагает немецкая компания GES High Voltage. В данной статье рассматриваются отличительные особенности одно- и многоконтактных соединителей, рекомендованных производителем для применения в разнообразных промышленных устройствах.

 

Введение.

Основанная еще в 1959 году компания GES High Voltage в настоящее время является ведущим разработчиком высококачественных электрических соединителей гражданского назначения. Компания преимущественно специализируется на производстве высоковольтных разъемов, линейка продукции включает в себя компоненты с номинальными рейтингами напряжений до 100 кВ и токов до 80 А, а также широкий спектр комплектующих к ним [1]. Все предлагаемые изделия соответствуют требованиям, установленным международным стандартом IEC 60309 и его отечественным аналогом ГОСТ IEC 60309-1-2016 “Вилки, штепсельные розетки и соединительные устройства промышленного назначения”.

С целью модернизации существующих моделей и производства новых типов соединителей компания постоянно работает в непосредственном контакте с потребителями. Она имеет собственный центр НИОКР, современные производственные мощности и полностью оснащенную тестовую лабораторию. Для поддержки разработчиков высоковольтного оборудования к каждому изделию прилагается полный комплект документации с рекомендациями по применению и техническому обслуживанию, а также готовые 3D модели разъёмов. По запросу возможно предоставление образцов соединителей для проведения тестовых испытаний и практической оценки возможности их применения в своих устройствах.

Серийная продукция компании на протяжении многих лет успешно используется во многих областях промышленности. Среди типовых применений можно отметить оборудование для производства полупроводников, обеспечивающее процессы литографии, легирования, травления и т.д., устройства диагностики качества материалов (рентгеновские системы неразрушающего контроля, масс-спектрометры, хроматографы, электронные микроскопы), биотехнологическое лабораторное оборудование и медицинские установки (томографы, рентгеноскопы, аппараты УЗИ), аппаратуру ядерной физики (тиратроны, магнетроны, ускорители частиц, электронные пушки, фотоэлектронные умножители), а также  лазеры, системы индукционного нагрева, электронно-лучевой сварки и обработки поверхностей. Помимо серийных изделий, существует возможность изготовления разъемов, разработанных в соответствии с техническими требованиями заказчика. Заказная разработка включает в себя как модификацию стандартных компонентов, так и проектирование их “с нуля”, полученные изделия позволяют найти оптимальное решение применительно к конкретной задаче и могут выпускаться даже в небольших объемах. Официальным представителем GES High Voltage в России является компания “Квест” [2].

         Отличительные особенности высоковольтных разъемов GES High Voltage.

GES High Voltage большое внимание уделяет качеству предлагаемых компонентов. К очевидным преимуществам применения устройств компании относятся:

  • Повышенная надежность. Обеспечивается бескомпромиссными требованиями к качеству используемых при производстве материалов и соблюдению технологий изготовления. Конструктивно соединители выпускаются как в пластиковых, так и в металлических корпусах, подходящих для использования совместно с неэкранированными и экранированными кабелями. Герметичные металлические разъемы с уровнем защиты вплоть до IP68 гарантируют надежное функционирование в условиях воздействия агрессивных сред. Изготавливаются из латуни, покрытой никелем, контакты имеют серебряное или золотое напыление.
  • Безопасность эксплуатации. Для обеспечения пожаробезопасности применяются исключительно диэлектрики со сравнительным индексом пробоя изоляции (CTI, Comparative Tracking Index) 550 или выше, такие как PTFE (политетрафторэтилен, тефлон), POM (полиоксиметилен), PBT (полибутилентерефталат) или PA6.6 (полиамид).
  • Жесткий выходной контроль. Вся готовая продукция подвергается ряду электрических, климатических и механических испытаний. Большая часть соединителей способна выдержать до 100 тыс. циклов стыковки/расстыковки без ухудшения электрических характеристик.
  • Малые размеры и вес. Внешние габариты во многом зависят от номинальных электрических параметров, но в ассортименте продукции присутствуют специально разработанные серии компактных разъемов, отличающихся повышенной прочностью и предназначенных для оборудования, работающего в полевых условиях. Легкие пластиковые корпуса соединителей медицинского назначения характеризуются небольшим весом и простотой монтажа.  
  • Широкий диапазон рабочих температур. Возможность применения того или иного соединителя в расширенном диапазоне рабочих температур определяется характеристиками материала изолятора. Разъемы GES High Voltage, использующие POM изолятор, способны надежно функционировать при температурах от -20 до +100 °C, а соединители на основе PTFE – от -50 до +200 °C. Таким образом, данные компоненты можно использовать как внутри, так и вне помещений, в том числе в суровых условиях эксплуатации.

 

Линейка предлагаемой продукции.

В настоящее время компания GES High Voltage предлагает широкий модельный ряд высоковольтных цилиндрических одно- и многоконтактных разъёмов в различных конфигурациях, а также гибридных модульных разъемов, предназначенных для соединения помимо высоковольтных электрических цепей пневмоканалов и низковольтных информационных линий. Доступные серии различаются между собой электрическими параметрами, количеством контактов (от 1 до 14), материалу корпуса (пластик или металл), классом защиты (от IP20 до IP68), способом подключения жилы (пайка или обжим) и т.д. Линейка стандартных изделий включает в себя (таблица 1):

  • Одноконтактные цилиндрические высоковольтные разъёмы серий S и 100 с рабочими напряжениями от 10 до 100 кВ и токами коммутации до 80 А;
  • Многоконтактные цилиндрические высоковольтные разъёмы с различными конфигурациями выводов, предназначенные для работы с напряжениями до 12 кВ и токами до 30 А. Группа включает в себя серии M, MC и MCS, максимальное количество контактов – девять;
  • Пластиковые самозащёлкивающиеся высоковольтные разъёмы серии VarioPro (несколько модификаций) с допустимыми рабочими напряжениями до 13 кВ и токами до 30 А;
  • Модульные наборные разъёмы из серии MOD. Количество и тип контактов, а также внешние габариты конкретного изделия выбираются пользователем исходя из решаемой задачи. В таблице представлены исключительно высоковольтные электрические соединители. Разъемы, содержащие дополнительные вставки для организации интерфейсов связи, пневмомагистралей и т.д. будут рассмотрены отдельно.

Таблица 1 – Основные характеристики высоковольтных разъемов GES High Voltage. 

 

Одноконтактные цилиндрические разъемы.

Одноконтактные высоковольтные соединители серии S предназначены для применения в лабораторном измерительном оборудовании и способны выдерживать рабочие напряжения до 40 кВ DC и номинальные токи до 30 А (до 3 кА в импульсе). Рекомендованы для использования совместно с экранированными проводами с диаметром до 6,5 мм и площадью сечения центральной жилы, не превышающей 2,5 мм². Выполнены в цельнометаллических никелированных корпусах из латуни (CuZn). Выводы разъемов также изготовлены из латуни. Они имеют серебряное (по умолчанию) или золотое (опция /Au в наименовании) износостойкое покрытие, позволяющее избежать окисления, обеспечить хорошую проводимость и постоянное переходное сопротивление контакта не более 300 мкОм. В качестве материала изоляции применяются термопласты PTFE или POM, их огнестойкость определяется стандартом UL94 и соответствует оценкам V-0 и HB соответственно. Конструкция разъемов гарантирует степень защиты от внешних воздействий – IP50 (пылезащищенное исполнение).  

Цилиндрические разъемы серии S представляют собой сочетание пары: штепсельной вилки (HS) и штепсельной розетки (HB). Соединение центральных проводников вилки и розетки стандартное: штыревой контакт одного соединителя входит в гнездовой цанговый контакт другого и удерживается в нем за счет усилия, создаваемого пружинящим гнездом. Фиксация контакта выполняется при помощи присоединительной гайки, расположенной на корпусе вилки, и резьбы на корпусе розетки. Для обеспечения гарантированного количества циклов коммутации (100 тыс.) усилие стыковки и расстыковки не должно превышать 5,5 и 4,0 Н соответственно. Монтаж розетки к корпусу приборов возможен двумя способами в зависимости от модификации разъема (HBx0 или HBx1). Первые имеют квадратные фланцы с четырьмя крепежными отверстиями, у вторых ее фиксация выполняется при помощи специальной гайки с внутренней стороны корпуса устройства (рис 1а). У вилки заделка центральной жилы кабеля производится при помощи пайки, обеспечивающей простоту и хорошее качество контакта. Наружный проводник гибкого кабеля (оплетка) закрепляется путем обжима.

Рис. 1 – Внешний вид разъемов серий S (а) и 100 (б).

Аналогичное строение имеют высоковольтные разъемы серии 100, позиционируемые для промышленного применения в тяжелых условиях эксплуатации и обладающие повышенной стойкостью к ударным нагрузкам и сильным механическим воздействиям. Серия включает в себя 12 различных моделей, рассчитанных на предельные рабочие напряжения от 10 до 100 кВ. Для каждого номинала напряжения доступны разъемы с рабочими токами 30 А (максимальное значение – 40 А) или 80 А (110 А). Соединители с повышенным рейтингом тока имеют уменьшенное до 150 мкОм сопротивление контакта и могут использоваться с проводами с диаметром центральной жилы до 5 мм и внешним диаметром до 14 мм. Также для каждого разъема выпускаются модификации, отличающиеся между собой наличием внутренней или внешней уплотнительной манжеты, адаптированной под различные диаметры используемых проводов.

Разъемы данной серии предлагаются в виде пары: вилки KS1xy и розетки GB1xy, где x отвечает за номинальное напряжение, а y за значение рабочего тока. Никелированный корпус с тефлоновой изоляцией обеспечивает класс защиты IP67 (в соединенном состоянии), выводы имеют исключительно серебряное покрытие. Материал изолятора (PTFE) способен выдерживать температуры до +200 °C. Монтаж розетки на корпус прибора осуществляется только при помощи соединительной гайки (рис. 1б).

 

Многоконтактные цилиндрические разъемы.

Линейка серийно выпускаемых многоконтактных разъемов компании, представленная тремя семействами (M, MC и MCS), отличается универсальностью применения. Соединители серии M с надежным резьбовым соединением находят широкое применение в цепях постоянного, переменного и импульсного токов. Они рассчитаны на рабочие напряжения до 12 кВ (новые модели до 30 кВ DC) и токи до 30 А. Каждый разъем серии содержит от двух до девяти контактов из латуни с серебряным напылением. Доступны контакты трех видов, объединенных в различных комбинациях (рис. 2).

Рис. 2 – Доступные конфигурации выводов многоконтактных разъемов серии M.

Помимо обычных высоковольтных контактов с диаметром 2,7 мм и переходным сопротивлением пары 300 мкОм возможно использование дополнительных выводов для обеспечения заземления или соединения цепи контура безопасности (E), а также вспомогательных низковольтных выводов с диаметром 1,5 мм, номинальным током 25 А и сопротивлением не более 500 мкОм (L).

Компоненты серии изготавливаются в прочных герметичных алюминиевых корпусах, покрытых слоем никеля и обеспечивающих степень защиты от внешних воздействий IP54. В качестве материала диэлектрика применяется PTFE или POM. В зависимости от задачи на приборную панель могут устанавливаться как штепсель, так и гнездо. Их монтаж производится при помощи четырех отверстий на фланцах корпуса. Ответные части (розетка и вилка соответственно), образующие с ними контактные пары, крепятся на неэкранированный кабель. Монтаж провода производится при помощи пайки, допустимый калибр кабеля варьируется от AWG 14 (площадь поперечного сечения 2,5 мм2) до AWG 16 (1,5 мм2). Износостойкость разъемов достигает 100 тыс. циклов стыковки/расстыковки (показатель гарантируется для всех типов контактов). Внешний вид разъемов серии показан на рис. 3.

Рис. 3 – Внешний вид многоконтактных разъемов серии M.

Серия MC объединяет малогабаритные разъемы, каждый из которых содержит от двух до пяти выводов, рассчитанных на рабочее напряжение до 10 кВ и ток до 13 А. В отличие от многоконтактных компонентов серии M, они предназначены для коммутации только высоковольтных линий. Изделия изготавливаются в никелированных корпусах из латуни, для улучшения качества контакта выводы имеют серебряное или золотое покрытие (рис. 4). Из отличительных особенностей серии можно отметить большое разнообразие доступных моделей. Благодаря наличию широкого спектра опциональных кабельных зажимов обеспечивается возможность подключения проводов с внешним диаметром от 6,5 до 14 мм. Запрессовка кабеля в контакт выполняется путем пайки, в качестве изолятора преимущественно используется полиоксиметилен. Класс защиты устройств соответствует IP60 (IP65 по запросу). Отдельно стоит отметить разъемы типа MC520, изготавливаемые с применением PTFE и характеризующиеся повышенным до 15 кВ рабочим напряжением.

Рис. 4 – Внешний вид многоконтактных разъемов серии MC.

Миниатюрные высоковольтные разъемы бюджетной серии MCS предназначены для интенсивной эксплуатации в силовых электрических цепях лабораторного, медицинского, измерительного и тестового оборудования, а также в промышленных установках с номинальным напряжением до 5 кВ (DC) и током до 4,5 А. Для обеспечения безопасности функционирования предусмотрено тестирование напряжением 8 кВ постоянного тока. Каждый разъем серии имеет четное количество контактов (2, 4 или 6). Выводы c диаметром 0,7 мм изготавливаются из латуни и выполнены с золотым напылением. Надежная фиксация вилки и розетки осуществляется при помощи резьбового соединения. Никелевое покрытие корпуса обеспечивает отличную защиту от воздействия промышленных газов, солевых испарений и других источников коррозии. В качестве изолятора используется полибутилентерефталат (PBT), который обладает высокой устойчивостью к воздействию растворителей и обеспечивает надежное функционирование при температурах от -40 до +150 °C. Класс защиты от внешних воздействий (IP68) обеспечивает стабильную работу соединителей даже в крайне неблагоприятных условиях, в том числе при воздействии агрессивных сред. Гарантированное количество циклов стыковки/расстыковки – не менее 5000. Внешний вид разъемов серии MCS представлен на рис. 5.

 

Рис. 5 – Внешний вид разъемов серии MCS.

 

Пластиковые разъемы серии VarioPro.

Серия VarioPro включает в себя высоковольтные разъемы, предназначенные для организации межкабельного соединения. Основное назначение – медицинское оборудование, а также аналитические и лабораторные приборы, такие как лазерные установки, стереометры, кристаллографы и т.д. Компоненты серии способны надежно функционировать в цепях с рабочими напряжениями от 8 до 13 кВ и токами до 30 А. Они отличаются простотой обслуживания, высоким уровнем безопасности и гибкостью применения при минимально необходимом пространстве для размещения. Пластиковые детали имеют усиленную конструкцию, обладают хорошими диэлектрическими показателями и стойкостью к ударным нагрузкам, изнашиванию и истиранию. Соединители VarioPro изготавливаются в негерметичном исполнении с уровнем защиты IP20 (по DIN EN 60529), стойкость к воспламенению соответствует оценке UL94 V-0. Они обеспечивают более 1000 циклов соединений/разъединений без существенного ухудшения электрических характеристик, сопротивление контакта штекер-гнездо не превышает 5 мОм. Все разъемы подразделяются на несколько типов, их внешний вид показан на рис. 6.

Рис. 6 – Внешний вид одноконтактных разъемов серии VarioPro.

Однополюсные разъемы VarioPro Basic подходят для кабелей с размерами от AWG 26 до AWG 14. Модификация VarioPro Basic DF с одним либо двумя силовыми контактами снабжена дополнительными пластиковыми фланцами с двумя отверстиями для крепления штекера и гнезда между собой. Одноконтактные коннекторы VarioPro SB10 позиционируются для соединения высоковольтных линий с более высокими значениями номинального тока (до 30 А). Каждый разъем VarioPro CL может содержать от одного до трех контактов. Отличительной особенностью данного типа является наличие практичного механизма автоматической фиксации при помощи пластиковой защелки, обеспечивающей невозможность случайного размыкания соединения. Также конструкцией предусмотрена возможность крепления разъема в вырез на приборной панели. Материал изготовления и одновременно изоляции – полибутилентерефталат (PBT). Выводы имеют диаметр 1,6 мм, а также серебряное или золотое напыление (в зависимости от модели).

 

Модульные разъемы.

Серия MOD состоит из специализированных модульных разъемов, позиционируемых для применения в роботизированных системах, контрольных панелях, устройствах автоматизированной сварки, а также разнообразных промышленных установках. Каждый разъем формируются на основе модульных вставок различного типа, позволяющих коммутировать не только основные силовые и вспомогательные низковольтные электрические цепи, но и линии передачи данных по сети Ethernet, а также пневмомагистрали. Контактная группа определяется самим разработчиком исходя из определенной задачи. При выборе учитываются требования по количеству полюсов, нагрузочной способности контактов (минимальным коммутируемым токам и напряжениям) и габаритам конечного разъема. Различные комбинации объединяемых контактных групп обеспечивают высокую гибкость применения, экономят занимаемое пространство и устраняют потребность использования дополнительных разъемов. Перечень и основные характеристики модульных вставок представлены в таблице 2, а их внешний вид изображен на рис. 7.

Таблица 2 – Характеристики модульных вставок разъемов серии MOD. 

           

Рис. 7 – Внешний вид модульных вставок разъемов серии MOD.

Помимо силовых вставок, рассчитанных на рабочее напряжение до 12 кВ, в настоящее время производителем предлагаются:

  • Группа электрических вставок с количеством контактов от 3 до 20 и максимальным напряжением от 63 В (для 20-выводного варианта) до 630 В (для 3-контактного);
  • Трехконтактные модули для соединения коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом;
  • Вставки для передачи сигналов стандарта Ethernet(пропускная способность до 100 Мбит/с). Помимо типового разъема RJ45 содержат четыре вспомогательных низковольтных канала;
  • Одно- и двухконтактные вставки для пневмомагистралей с рабочим давлением до 8 бар.

Модульные вставки закрепляются вместе при помощи пластиковых каркасов четырех типоразмеров. В зависимости от размеров каркасов можно объединить 2, 3, 5 или 7 модульных вставок различного назначения. Допускается установка как вилочных, так и розеточных контактных вставок, это позволяет создавать необходимую конфигурацию кабельных соединений. Полученная конструкция устанавливается в корпус разъема. Корпуса, изготавливаемые из алюминия, обладают большим запасом механической прочности и надежно защищают контактные группы при работе в тяжелых условиях эксплуатации. Продуманная конструкция и применение качественных материалов позволило достичь класса защиты IP65 (полная защита от проникновения пыли и брызг воды) при применении дополнительно предлагаемых кабельных вводов. Габариты корпусов также зависят от количества модульных вставок, в пределах одного типоразмера доступны устройства как для крепления на панели приборов, так и для обеспечения межкабельного соединения. Также предлагаются варианты с угловым вводом кабеля. Разъемы, предназначенные для монтажа на приборную панель, имеют 4 крепежных отверстия с диаметром 4,5 мм.

Специализированные модульные разъемы, подходящие для определенных сфер применения, поставляются как готовые скомпонованные изделия. Они обладают полной совместимостью с продукцией крупных производителей, таких как Amphenol, Lapp, Wieland, Weidmueller и т.д. Среди подобных изделий можно отметить модульные высоковольтные соединители, объединенные в серии MOD HP и MOD T и рассчитанные на работу в цепях с напряжениями до 12 кВ и токами 25 и 30 А соответственно. Каждый разъем серий MOD HP и MOD T может содержать от 2 до 14 контактов. Тип MOD HP выполнен с применением модульных вставок HiPro HV. Сами контакты, предназначенные под обжим или пайку, изготовлены из латуни с напылением из серебра и имеют сопротивление менее 2 мОм. В качестве материала изоляции выступает полиамид PA 6.6 GF, соединение двух частей разъема осуществляется при помощи защелки. Данные разъёмы гарантируют не менее 500 циклов соединения/разъединения без ухудшения электрических параметров. Разъемы типа MOD T построены на основе PTFE HV модулей, которые для изоляции выводов используют фторопласт. Они обеспечивают не менее 100 тыс. циклов коммутации, при этом сопротивление контактной пары не превышает 0,3 мОм. Контакты под пайку имеют диаметр 2,7 мм и изготавливаются из латуни.  

         Рис. 8 – Внешний вид 4-х полюсных разъемов MOD HP и MOD T.

На рис. 8 представлен внешний вид 4-х полюсных разъемов MOD HP и MOD T. Одна часть контактной пары монтируется на панель прибора, ответная устанавливается на кабель.

 

Заключение.

Широкий ассортимент высоковольтных разъемов в различном корпусном исполнении, предлагаемый компанией GES High Voltage, подходит для большинства применений, где ключевое значение имеют надежность и безотказность функционирования разрабатываемой аппаратуры. Традиционное немецкое качество и многолетний опыт работы в данной области позволяют создавать конкурентоспособные изделия, не уступающие соответствующей продукции ведущих производителей.

 

Список используемой литературы.

  • Официальный сайт компании GES High Voltage. https://www.ges-highvoltage.com
  • Официальный сайт компании “Квест”. http://icquest.ru