探究插座接線端子燒毀的故障現(xiàn)象

江朝軍 余 嘉 李 平 勵華東 鄒 春 李 彥 謝蔚蔚

（公牛集團股份有限公司 檢測中心 慈溪 315314）

引言

插座是由絕緣材料和導(dǎo)電金屬構(gòu)成的電器附件，其中絕緣材料的功能主要是固定導(dǎo)電金屬的位置和保護導(dǎo)電金屬不被外露，而導(dǎo)電金屬則是作為整個插座功能的核心部分，為插座提供電氣連接。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2099中對插座的絕緣材料和導(dǎo)電金屬設(shè)計了很多試驗進行驗證。

接線端子是為可拆線插座提供電氣連接的一種方式，其好處在于接線方便，無需使用過多工具即可實現(xiàn)，同時可以根據(jù)自己的需求對電源線進行更換。然而，導(dǎo)線在端子中的連接狀況，直接關(guān)系到插座是否會過熱，導(dǎo)致插座燒毀等現(xiàn)象。對于移動式插座，在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2099里面有規(guī)定端子應(yīng)可靠的連接導(dǎo)線，而且應(yīng)連接軟銅導(dǎo)線，并且在使用中也不會產(chǎn)生過度的發(fā)熱，在該標(biāo)準(zhǔn)19章的溫升這一條款中規(guī)定了端子的溫升不能超過45 K（K為熱力學(xué)單位，表示開爾文溫度），由于一部分人對電氣連接的概念理解的并不太深，所以，在接線時也不會太注重接線的可靠度，經(jīng)常出現(xiàn)擰緊的力太小，導(dǎo)致連接松脫，或是用力過大，使導(dǎo)線擰斷。也有一部分人對于導(dǎo)線的材料特性不夠理解，比如，銅線比鋁線的導(dǎo)電性能更好，韌性更好，而他們并不在意，而是隨意的選擇鋁線進行連接。

基于這些狀況，我們對這些現(xiàn)象進行模擬，再現(xiàn)插座燒毀的故障現(xiàn)象。

1 試驗解析

在GB/T 2099.1中主要從兩個方面對產(chǎn)品進行了安全和性能方面的檢測，分別為絕緣材料和導(dǎo)電金屬的驗證。

對于絕緣材料，涉及了軟線的夾緊，絕緣材料的耐熱，耐非正常熱和耐燃，以及耐漏電起痕等試驗。

關(guān)于軟線的夾緊：應(yīng)使軟線與插座連接的端子和端頭不受到擰絞,確保軟線不會因為軟線受到額外的應(yīng)力而使電氣連接松脫或是斷開。

關(guān)于絕緣材料的耐熱：將產(chǎn)品放在100 ℃±2 ℃的高溫下，1 h之后，產(chǎn)品不會發(fā)生過度的變形或軟化，而使得帶電部件變?yōu)橐子|及的，或是最大功率、警告語等標(biāo)志變得模糊不清；并且，產(chǎn)品還應(yīng)能經(jīng)受球壓試驗，對于將載流部件保持在正常位置的絕緣材料，應(yīng)在125 ℃ ±2 ℃的環(huán)境下進行試驗，該試驗確保了產(chǎn)品在受到熱應(yīng)力時，不會發(fā)生過度變形或軟化，使得帶電部件極性之間，或是帶電部件與易觸及的金屬或絕緣材料之間形成電氣連接，從而發(fā)生短路或是觸電的危險。

關(guān)于耐非正常熱和耐燃：產(chǎn)品應(yīng)能在過熱的條件下不會引起插座起火，譬如帶電部件的短路產(chǎn)生的電火花不會使插座的絕緣材料起燃；并且，在存在起燃風(fēng)險時（如灼熱絲試驗起燃時間超過2 s），還應(yīng)對其進行針焰試驗，直接以引燃絕緣材料的方式對其進行驗證，保證產(chǎn)品在起燃后，不持續(xù)施加熱源時，不會有絕緣材料持續(xù)燃燒超過30 s，此試驗在于考察絕緣材料的阻燃性能，在產(chǎn)品起燃后，不會有火勢蔓延的風(fēng)險，從而規(guī)避火災(zāi)現(xiàn)象的產(chǎn)生。

關(guān)于絕緣材料的耐漏電起痕：產(chǎn)品的絕緣性能應(yīng)足夠，以避免由絕緣材料產(chǎn)生的電氣連接或擊穿現(xiàn)象。因此，材料的耐電痕化的能力就顯得尤為重要，如果材料的耐電痕能力太差，那么，絕緣材料將不再絕緣，而是一個電阻稍大的導(dǎo)電體了。耐電痕的試驗是指絕緣材料經(jīng)受化學(xué)試劑的腐蝕變化，不會使電極間產(chǎn)生較大的電流或是產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象。

對于導(dǎo)電金屬，涉及了端子的連接，導(dǎo)體間和導(dǎo)體與易觸及部位的絕緣電阻和電氣強度，帶電部件在工作時的溫升，使用過程中的插拔壽命，插頭和插座插合時的接觸力的大小，以及螺釘和載流部件的連接等。從這些方面能夠體現(xiàn)出產(chǎn)品的功能性和安全性。

關(guān)于端子的連接：端子是為方便用戶接線或是更換電源線而設(shè)計的連接部件，端子的設(shè)計應(yīng)使得電源線能夠鎖緊，并且不會損傷導(dǎo)線，以致于影響電氣連接，導(dǎo)致端子處溫升過高。

關(guān)于絕緣電阻和電氣強度：應(yīng)保證絕緣材料有足夠的絕緣，確保絕緣層不會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象；并且不同極性的導(dǎo)體之間或是帶電部件與易觸及部位之間應(yīng)有足夠的距離，確保其電氣強度能夠滿足，避免產(chǎn)生擊穿起火的現(xiàn)象。

關(guān)于帶電部件的溫升：溫升是為體現(xiàn)產(chǎn)品在正常使用過程中的發(fā)熱情況，表示產(chǎn)品通電后的溫度與室溫之間的差值，即為產(chǎn)品發(fā)熱所產(chǎn)生的額外的溫度；溫升是體現(xiàn)一個產(chǎn)品電氣性能的一個直接體現(xiàn)，若溫升過高，則產(chǎn)品的安全性能大大降低，長期使用會有熔融的風(fēng)險，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致載流極性之間的短路，從而引起著火等現(xiàn)象。

關(guān)于插拔壽命：即為標(biāo)準(zhǔn)中定義的正常操作。在標(biāo)準(zhǔn)中，明確規(guī)定了插拔的次數(shù)和通電的電流，以GB/T 2099.1為例，插座應(yīng)進行10 000個行程的插拔（5 000個插拔循環(huán)次數(shù)），在插拔過程中可能導(dǎo)致插座連接的損壞，從而引起溫升變高，產(chǎn)生著火的風(fēng)險。

關(guān)于插頭插座插合時的接觸力：在GB/T 2099.1中被定義為拔出力，在此標(biāo)準(zhǔn)中分為最大拔出力和最小拔出力，最大拔出力是為保證插頭拔出插座時不會過大，不會影響客戶使用的手感；最小拔出力是為保證單極插銷的夾緊力足夠，不會導(dǎo)致接觸不良的情況。

關(guān)于螺釘和載流部件的連接：載流部件的連接在插座中主要以端子連接、焊接、壓接等方式來實現(xiàn)。焊接、壓接等方式主要以溫升的方式來確認(rèn)其連接的可靠性；而端子連接，除溫升的驗證外，還應(yīng)對螺釘進行擰緊擰松的驗證，確保在今后更換電源線時，不會出現(xiàn)電氣連接松動的現(xiàn)象。

2 試驗設(shè)計

接線端子的電氣連接與溫升緊密相連，若接線端子與導(dǎo)線的連接松脫，會使端子與導(dǎo)線的結(jié)合處產(chǎn)生較大的接觸電阻，由物理學(xué)公式：P=I2R（P為功率，I為電流，R為電阻）可知，當(dāng)電流一定時，電阻越大，則功率越大，所產(chǎn)生的熱量也越大。而在正常使用時，插座上的負(fù)載端電流為額定電流，不會因接線是否良好而改變，若此時的接觸電阻很大，那么就會產(chǎn)生過高的溫度。當(dāng)溫度達到一定程度就會引起插座的起火，而此時插座絕緣材料的阻燃性能就顯得尤為重要了，若采用劣質(zhì)材料或是阻燃性較差的材料，就可能有兩方面的危險：一是絕緣材料起燃點低，很容易著火；另一個是材料著火后防蔓延能力差，會出現(xiàn)持續(xù)燃燒的狀態(tài)，存在引燃其他物件的風(fēng)險。

為了證明端子的連接可靠程度與插座燃燒的關(guān)聯(lián)程度，我們將進行一系列的試驗。比如：考慮到所接導(dǎo)線的導(dǎo)電率不同，發(fā)熱功率也不一樣，所以需要進行連接銅線和鋁線的對比試驗；端子擰緊與松脫會有不一樣的接觸電阻，因此，需要對不同的連接狀態(tài)進行試驗；除了考慮客戶使用時產(chǎn)品本身的連接狀態(tài)外，還要考慮端子本身的優(yōu)劣性，用戶使用過程中可能出現(xiàn)的跌落現(xiàn)象，是否會造成端子連接的松脫，從而產(chǎn)生過大的接觸電阻，并且端子材料的耐熱和阻燃的性能也是有差異的。

由端子本身的優(yōu)劣，用戶接線的類型和松緊，以及使用過程中的機械沖擊等方面，我們設(shè)計了以下三個試驗加以論證：

試驗一：銅線和鋁線的對比；

相同環(huán)境溫度45 ℃，相同試驗電壓250 V，相同試驗電流20 A，相同的功率因數(shù)0.75-0.8，接線方式都是擰緊，并噴水1min。不同的是接線分別為銅線1.0 mm2，鋁線1.0 mm2。插座同為外殼PP材料，接線端子外殼為PC材料。

如圖1、圖2所示，試驗兩小時后，接鋁線的端子最高溫度達到308.8 ℃，而接銅線的端子溫度最高達到110 ℃；且接鋁線的端子燒融了，而接銅線的端子完好無損。這一現(xiàn)象表明，45 ℃高溫下，當(dāng)插座進水后，接鋁線的插座會引起插座燒毀。

試驗二：擰緊與松脫的對比；

相同環(huán)境溫度25 ℃，相同試驗電壓250 V，相同試驗電流10 A，相同的功率因數(shù)0.75～0.8，接線方式分別為1.5 mm2銅線擰緊和1.5 mm2銅線不擰，此處的擰緊僅表示在規(guī)定的力矩0.53 N·m下的擰緊。插座同為外殼ABS材料，接線端子外殼為PC材料。

如圖3、圖4所示，端子接銅線螺絲擰緊狀態(tài)下，溫度最高為42.5 ℃，端子不擰螺絲的狀態(tài)下，銅線的溫度最高為1 100.8 ℃，端子燒融。

試驗三：銅線經(jīng)過滾筒后的試驗；

圖1 接鋁線

圖2 接銅線

圖3 接線螺絲擰緊

圖4 接線螺絲不擰

環(huán)境溫度25 ℃，試驗電壓250 V，試驗電流16 A，功率因數(shù)0.75～0.8，接線1.0 mm2的銅線，材料為外殼PP材料，接線端子外殼為PC材料。先經(jīng)過1 000次的滾筒試驗（模擬插座經(jīng)過摔打的狀態(tài)），再進行溫升試驗。

如圖5所示，進行完滾筒試驗后，劣質(zhì)接線端子的螺釘明顯松脫，但導(dǎo)線仍能導(dǎo)通，然后進行溫升試驗，最高溫度竟已達到330 ℃，并且端子燒融。

如圖6所示，而對于優(yōu)質(zhì)端子，導(dǎo)線無明顯松脫現(xiàn)象，進行溫升試驗后，其最高溫度也僅75 ℃。

3 試驗設(shè)備

圖7設(shè)備由變頻電源、負(fù)載、插拔試驗裝置、噴油噴水裝置、電感調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)幾個模塊組成?？梢詫崿F(xiàn)25～100 ℃的高溫環(huán)境，0～100 A的負(fù)載調(diào)節(jié)，0～300 V的電壓調(diào)節(jié)，實現(xiàn)阻性、感性負(fù)載的調(diào)節(jié)，也擁有噴油噴水的功能；同時可以進行高溫環(huán)境正常操作試驗和溫升全程監(jiān)控試驗。

設(shè)備采用觸摸屏和PLC控制系統(tǒng)，可以控制試驗溫度，設(shè)置試驗電壓電流等試驗參數(shù)。模擬不同的使用環(huán)境，如廚房的高溫和油煙模擬，浴室的高溫和濺水或噴水等模擬。模擬不同的負(fù)載方式，阻性負(fù)載，感性負(fù)載，以及過載狀態(tài)，多達1 000多組隨意模擬組合，詳見圖8～圖11。

4 結(jié)論

經(jīng)過以上試驗論證，插座的接線端子在接鋁線的情況下，溫度明顯高于接銅線的狀況；擰緊端子的溫度明顯低于未擰緊端子的溫度。因此，如何正確接線，也是規(guī)避插座燒毀的重要因素之一。往往人們會忽略這些因素，不規(guī)范操作。

在GB/T 2099的標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定，可拆線的插座應(yīng)使用符合GB/T 5013或GB/T 5023的軟銅導(dǎo)線。對于額定值為10 A的插座，接線不超過5 m時，可接上橫截面積為1.0 mm2的軟電纜，若接線長度不超過30m時，可接上橫截面積為1.5 mm2的軟電纜；對于額定值為16 A的插座，接線不超過5 m時，可接上橫截面積為1.5 mm2的軟電纜，若接線長度不超過30 m時，可接上橫截面積為2.5 mm2的軟電纜。若接線長度超過30 m，則不應(yīng)使用移動式插座進行連接，建議大家使用專業(yè)線盤實現(xiàn)通電設(shè)備的延長作用。

圖5 劣質(zhì)端子

圖6 優(yōu)質(zhì)端子

圖7 設(shè)備整體外形

圖8 操作界面

圖9 負(fù)載調(diào)節(jié)界面

在使用過程中，也應(yīng)避免在潮濕環(huán)境中使用，避免因水汽的因素使帶電體之間形成電氣連接，造成觸電或是火宅等危險。

圖10 測試步驟界面

圖11 測試系統(tǒng)軟件界面