線纜線徑和壓線鉗對(duì)壓接端子熱性能的影響研究

李翔飛，黃召明，常杰，葛艷霞，康瑋

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，電氣系統(tǒng)趨于復(fù)雜化，設(shè)備功能需求也更加多樣化，對(duì)電氣系統(tǒng)的安全可靠性要求也越發(fā)嚴(yán)格。壓接端子作為電氣系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)用范圍廣，數(shù)量龐大，若該部件出現(xiàn)問(wèn)題，則會(huì)直接影響到整個(gè)電氣系統(tǒng)的可靠性和安全性[1～4]，尤其在軌道交通運(yùn)輸過(guò)程中，可能會(huì)危及到旅客的安全。壓接端子的性能直接關(guān)系整個(gè)電氣系統(tǒng)的性能，而壓接端子在極端環(huán)境下的熱性能對(duì)壓接端子電氣性能影響頗大，為了保證壓接端子使用的安全可靠性，需要對(duì)壓接端子熱性能的影響因素進(jìn)行研究。

1 性能影響分析

溫升變化是評(píng)價(jià)壓接端子熱性能的1個(gè)重要指標(biāo)。溫升和熱循環(huán)2個(gè)試驗(yàn)均會(huì)造成壓接端子在使用的過(guò)程中出現(xiàn)溫度升高的情況，2個(gè)試驗(yàn)均可檢測(cè)壓接端子在極端環(huán)境下對(duì)熱應(yīng)力的適應(yīng)能力。溫度升高過(guò)多除了會(huì)對(duì)壓接端子的機(jī)械強(qiáng)度產(chǎn)生影響，還會(huì)加速端子金屬表面的氧化[5]，而生成的氧化物會(huì)使壓接電阻值增大；除此之外，溫度升高過(guò)多會(huì)使端子絕緣部分出現(xiàn)損傷，加速其老化[6～8]。溫升異常不僅會(huì)對(duì)端子造成損傷，還會(huì)造成配電網(wǎng)絡(luò)事故，引起電氣火災(zāi)的發(fā)生，因此必須限制壓接端子的溫升。此外，壓接端子進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)之后，壓接電阻值會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，若其溫度不超過(guò)與端子連接導(dǎo)線的溫度，保證壓接電阻值的穩(wěn)定，則可判定壓接端子對(duì)極端環(huán)境和熱應(yīng)力具有良好的適應(yīng)能力，也可判定其具有良好的長(zhǎng)期運(yùn)行能力[9]。故本文主要通過(guò)溫升和熱循環(huán)2個(gè)試驗(yàn)對(duì)壓接端子熱性能的影響進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)依據(jù)

對(duì)壓接端子的溫升和熱循環(huán)2個(gè)試驗(yàn)測(cè)試依據(jù)Q/SF 25-077-2011《高速動(dòng)車組用電線電纜訂貨技術(shù)條件》進(jìn)行。室內(nèi)環(huán)境溫度保持在20 ℃±15 ℃，相對(duì)濕度保持在45%～85%。試樣保持在自由氣流下，且溫度控制在15 ℃～30 ℃之內(nèi)。

2.2 試樣制備

所用試樣電纜符合Q/SF 25-077-2011規(guī)定。端子材質(zhì)采用GB/T 5231-2001《加工銅及銅合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》中規(guī)定的銅質(zhì)材料，絕緣套采用硬質(zhì)乙烯基類樹(shù)酯或聚酰亞胺類樹(shù)酯。線纜線徑分為1.25 mm2、2 mm2、3.5 mm2、5.5 mm2、8 mm2、14 mm2、22 mm2、38 mm2、50 mm2、80 mm2、100 mm2、150 mm2、200 mm213種。不同的線徑按照合理的壓接工具匹配采用不同規(guī)格的壓線鉗進(jìn)行壓接處理，按推薦和需要使用了YNT-2216、YNT-1210S、YNT-1614、AK-15A、AKH-60N、AK-150S、HEX-300、E-4 8種壓線鉗進(jìn)行壓接，共計(jì)31種匹配組以進(jìn)行本次試驗(yàn)，以研究不同的匹配關(guān)系對(duì)壓接端子熱性能的影響。

2.3 試驗(yàn)儀器

a) 溫升試驗(yàn)

1) CT-3004W-5V200A-NT直流電源供應(yīng)器，供電范圍0～800 A，精度可達(dá)0.1 A；

2) DR130溫升記錄儀，測(cè)量范圍0～250 ℃，測(cè)量精度0.1 ℃；

3) 34401A數(shù)字多用表，測(cè)量精度10-6Ω；

4) RTD260CN扭力批，扭力范圍0～260 N·m，精度0.1 N·m。

b) 熱循環(huán)試驗(yàn)

1) 1504500A50V交流恒流源，供電范圍0～1 500 A，精度可達(dá)0.1 A；

2) DR130溫升記錄儀，測(cè)量范圍0～250 ℃，測(cè)量精度0.1 ℃；

3) 34401A數(shù)字多用表，測(cè)量精度10-6Ω；

4) RTD260CN扭力批，扭力范圍0～260 N·m，精度0.1 N·m。

2.4 試驗(yàn)內(nèi)容

1) 溫升試驗(yàn)

測(cè)試壓接端子通流后產(chǎn)生電流熱效應(yīng)，記錄在循環(huán)通斷電的情況下，不同壓形壓接部位的溫升。試驗(yàn)根據(jù)試樣類型分別按照Q/SF 25-077-2011規(guī)定進(jìn)行連接。

測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試電流保持恒定，直至測(cè)試點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定值，穩(wěn)定溫值是指當(dāng)溫升值每隔10 min測(cè)量1次，連續(xù)測(cè)量3次，且各次溫值相差≤1 ℃時(shí)的溫度值。測(cè)試點(diǎn)溫度值穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量，溫升值為測(cè)試點(diǎn)溫值減去周圍溫值后的數(shù)值。

2) 熱循環(huán)試驗(yàn)

壓接端子在循環(huán)通斷電的情況下，記錄不同壓形壓接部位的溫升。試驗(yàn)根據(jù)試樣類型分別按照Q/SF 25-077-2011規(guī)定進(jìn)行連接。

測(cè)試過(guò)程中，按照規(guī)定的時(shí)間通以試驗(yàn)電流，再斷電，相同時(shí)間作為1次試驗(yàn)循環(huán)，共需通電125次。測(cè)試點(diǎn)溫度值分別在第25次和第125次完成后5 min內(nèi)測(cè)定，溫升值為測(cè)試點(diǎn)溫值減去周圍溫值后的數(shù)值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用軟件Origin7.5處理后繪制成曲線圖，進(jìn)行對(duì)比分析，溫升試驗(yàn)曲線圖如圖1所示。圖中橫坐標(biāo)為每種匹配關(guān)系試樣組的試樣量，縱坐標(biāo)為壓接部位的溫升。

圖1 溫升試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理圖

按照Q/SF 25-077-2011中要求：根據(jù)規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)后，壓接部位的溫升不超過(guò)30 K。但是根據(jù)圖1中可以看出有部分?jǐn)?shù)據(jù)超限，超限部分在3.2節(jié)中討論。

由于壓接電阻是反映壓接端子電氣性能的主要指標(biāo)，因此本文也將其作為其性能的評(píng)判依據(jù)。

熱循環(huán)試驗(yàn)后溫升變化會(huì)引起壓接端子壓接電阻值的變化，為了能夠研究?jī)烧咧g是否有規(guī)律性的關(guān)系，將熱循環(huán)試驗(yàn)溫升變化數(shù)據(jù)和試驗(yàn)后壓接電阻變化率放在一起處理，直觀地展現(xiàn)出兩者間的關(guān)系，以便于進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)處理如圖2所示，圖2中橫坐標(biāo)為每種匹配關(guān)系試樣組的試樣量，右邊縱坐標(biāo)為試驗(yàn)第125次后與第25次后的溫升差值，左邊縱坐標(biāo)為熱循環(huán)試驗(yàn)后壓接電阻變化率。

圖2 熱循環(huán)試驗(yàn)溫升和試驗(yàn)后壓接電阻變化率的數(shù)據(jù)處理

按照Q/SF 25-077-2011中要求：根據(jù)規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)后，第125次熱循環(huán)時(shí)壓接部位的溫升不高于第25次熱循環(huán)的8 K，由圖2可以看出隨著溫升變化幅度增大，壓接電阻的變化率也更大。但可以看出也有部分?jǐn)?shù)據(jù)超限，超限部分在3.2中討論。

3.2 結(jié)果分析

結(jié)合圖1和圖2中NH-WL1-5.5線型的試樣曲線來(lái)看，與YNT-1210S型壓接試樣的結(jié)果相比，AK-15A型壓接的試樣溫升變化大，試驗(yàn)后壓接電阻變化率高而波動(dòng)大，由此得知此種匹配關(guān)系壓接的試樣電氣性能并不理想，不適合在現(xiàn)場(chǎng)使用；從NH-WL1-14線型的試樣曲線來(lái)看，與AKH-60N型壓接試樣的結(jié)果相比，AK-150S型壓接的試樣溫升變化大，部分超限，試驗(yàn)后壓接電阻變化率高而波動(dòng)大，說(shuō)明此種匹配關(guān)系壓接的試樣電氣性能并不良好，不適合在現(xiàn)場(chǎng)使用；而從線徑為50 mm2的試驗(yàn)曲線來(lái)看，線纜型號(hào)相同而壓線鉗型號(hào)不同，溫升值全部超出標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的30 K，熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果中只有HEX-300型壓接的試樣壓接電阻變化率高且波動(dòng)大，部分超限，這種情況表明應(yīng)重新選擇匹配關(guān)系，排除HEX-300型來(lái)壓接該型號(hào)的線纜，還應(yīng)使用控制變量法來(lái)繼續(xù)研究其他匹配關(guān)系來(lái)得出最優(yōu)方案；而由線徑為80 mm2的試驗(yàn)曲線來(lái)看，同種壓線鉗而線纜型號(hào)不同，其溫升值也全部超出標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的30 K，熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果卻全部符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這種情況亦表明應(yīng)重新選擇壓線鉗，繼續(xù)研究其他匹配關(guān)系以得出最優(yōu)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析可得如下結(jié)論：

1) 壓線鉗型號(hào)和線纜線徑對(duì)接線端子的熱性能有直接影響。

2) 在同種壓線鉗的情況下，對(duì)于線徑<5 mm的線纜，自承式線纜電氣性能優(yōu)于非承式線纜；對(duì)于大線徑線纜，電壓等級(jí)越高，電氣性能越良好。

3) 在同種線纜線徑的情況下，對(duì)于線徑<5 mm的線纜， AK-15A型壓線鉗壓接的線纜性能較為良好；對(duì)于中等線徑的線纜，AKH-60N型壓線鉗壓接的線纜熱性能較為良好。

因此，為提高壓接端子的電氣性能，應(yīng)該慎重選擇線纜線徑和壓線鉗型號(hào)的匹配關(guān)系等，以嚴(yán)格控制壓接端子的溫升，提高壓接端子的熱性能，保證動(dòng)車組電氣系統(tǒng)的安全性和可靠性。