電纜終端連接器與接線銅排接觸電阻分析

王科早 趙忠強

中郵通建設(shè)咨詢有限公司

0 引言

在數(shù)據(jù)中心配套工程建設(shè)中，存在大量的電源電纜與設(shè)備銅排的連接固定，涉及到設(shè)備銅排、電纜成端的銅鼻子、固定螺絲、墊片（含彈簧墊片）等。在項目實施中，多種原因會造成上述元器件在型號、規(guī)格上存在一定差異，使得連接固定點時常達不到標準規(guī)范要求，留下安全事故隱患。有的連接固定不緊、接觸電阻太大，在大電流通過時，因接觸電阻較大而造成局部發(fā)熱量不斷增加，如果不及時采取措施，就會引發(fā)固定點打火、燒毀，更加嚴重的還可能引發(fā)機房火災(zāi)事故。本研究在分析電纜與銅排接觸部分等效電路的基礎(chǔ)上，指出造成等效電阻增加的原因，并給出防控措施，以供參考。

1 規(guī)范要求

在《通信電源設(shè)備安裝工程驗收規(guī)范》（GB 51199-2016）中，明確要求“接線端子與線纜應(yīng)匹配”（3.3.2條）、“電源線與設(shè)備的連接應(yīng)符合下列規(guī)定：…… 連接器尺寸與導(dǎo)線線徑應(yīng)吻合，壓（焊）接牢固；連接器與設(shè)備的接觸部分應(yīng)平整；線纜與銅排之間的距離符合要求”（3.3.8條）。具體而言有以下幾個要求：（1）電源線接線端子與電纜規(guī)格相匹配；（2）連接器（銅鼻子）尺寸與導(dǎo)線線徑應(yīng)吻合；（3）連接器與設(shè)備的接觸部分應(yīng)平整；（4）連接器與設(shè)備的接觸部分應(yīng)壓（焊）接牢固。

在通信機房電源設(shè)備中，其負載是機柜中的服務(wù)器、傳輸/交換設(shè)備、用戶其他設(shè)備，負載電流較大，電纜的工作電流、工作溫度在《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》（GB 50217-2018）附錄C中有明確要求，電纜纜芯的持續(xù)工作電流限制在最高工作溫度70℃條件下，超出這個溫度的限制，電纜的工作特性將發(fā)生變化。

2 等效電路

銅鼻子與接線銅排連接部分如圖1所示。連接部分涉及到的材料：銅鼻子、設(shè)備銅排、螺絲、平墊片、彈簧墊片。在描述接觸電阻大小、電阻的溫度特性時，以連接器（銅鼻子）與設(shè)備銅排接觸電阻為出發(fā)點，其絕緣介質(zhì)是空氣，將銅排與銅鼻子之間的接觸部分間隙等效為一個電阻（接觸電阻），如圖2所示。

圖1 銅鼻子與接線銅排連接部分

圖2 銅鼻子與接線銅排接觸點的等效電路

由圖中可以看出：（1）Ir0=Ur0/r0，式中Ur0是等效電阻兩端的電壓，Ir0是等效電阻（接觸電阻）上的電流，也是工作電流。當?shù)刃щ娮铻橐粋€固定值時，兩端的電壓不變，上面流過的電流隨負載的大小變化，等效電阻兩端的電壓隨電流的變化而變化。（2）假設(shè)設(shè)備負載在某個時刻是固定的，那么等效電路中的電流Ir0由r0由決定。（3）負載電流等于等效電阻上的電流。接觸電阻r0的大小、功率直接影響電路電流、電壓的大小，r0的變化對負載電壓、電流的影響見如表1所示。

表1 r0的變化對負載電流、電壓的影響

因此，設(shè)備銅排與銅鼻子接觸部分的電阻（接觸電阻）大小，直接影響工作電流的大小，接觸電阻大小對設(shè)備工作電流能否達到設(shè)計指標產(chǎn)生重大影響。

在施工工藝、施工質(zhì)量符合標準要求的情況下，連接器與設(shè)備銅排接觸良好，接觸面積較大，符合規(guī)范要求，該接觸電阻r0的數(shù)值趨于0；當施工工藝質(zhì)量較差，選取的材料質(zhì)量不符合要求時，將造成接觸電阻增加。而且，如果接觸電阻較大，兩端電壓較高，根據(jù)接觸等效電阻的特性，將產(chǎn)生放電現(xiàn)象，嚴重的將產(chǎn)生連續(xù)打火甚至燒毀設(shè)備銅排和連接器（銅鼻子）。因此，控制施工工藝質(zhì)量，保證設(shè)備銅排與連接器接觸面積符合要求，降低接觸電阻，對設(shè)備工作穩(wěn)定性、工作安全有著非常重要的意義。

3 影響r0大小的因素

等效電阻r0的大小與以下因素有關(guān)：電阻的材料，材料的導(dǎo)電特性；接觸電阻r0的面積；環(huán)境溫度；電阻能承受的功率等。主要影響因素包括：

（1）材料不同，電阻的阻值不同，特種電阻（如溫敏、光敏、壓敏等）在特定的環(huán)境中起到特定的作用。本研究僅討論在均勻電場下的空氣絕緣特性，即銅鼻子與連接銅排之間的接觸特性，也是線性特性部分。接觸部分的空氣含量越多，絕緣性能越強，等效電阻r0越大，兩端的電壓越高。

（2）等效電阻r0與接觸面積有關(guān)，當銅排與銅鼻子之間接觸面積越大，電阻越小，等效電阻兩端的電壓越小。

（3）與等效電阻的功率有關(guān)，是等效電阻所能承受的最大負荷，其負荷大小受流經(jīng)的電流電壓影響。

（4）與溫度有關(guān)，主要表現(xiàn)在當負載電流流經(jīng)等效電阻時，在其上產(chǎn)生的熱量，電流越大，兩端電壓越高，等效電阻的溫度越高。

4 造成r0增加的原因

由于等效電阻是銅鼻子與銅排的接觸電阻，因此銅鼻子與連接銅排之間的緊固質(zhì)量，即增加或減小接觸面積、增加或降低等效電阻的數(shù)值，對電纜終端接線質(zhì)量有著緊密的關(guān)聯(lián)。部分數(shù)據(jù)中心機房配套的配電柜電源電纜終端接線不符合標準要求，存在重大質(zhì)量和安全隱患。

4.1 材料及施工工藝因素

下面以某數(shù)據(jù)中心電源設(shè)備安裝工程中對銅鼻子與設(shè)備銅排連接檢查發(fā)現(xiàn)的問題為例，描述造成r0增加的原因，如表2所示。

表2 造成r0增加的原因及后果

檢查發(fā)現(xiàn)的問題 說明images/BZ_124_294_519_758_834.png問題：r0增加。原因：地線的銅排接觸面不平整，有效接觸面積減少。問題描述：（1）兩個銅排之間加入鋼質(zhì)墊片，將銅排翹起，大大減少銅排接觸面積；（2）銅排接觸面積減少，電阻r0增加，當遇到雷電泄流時，因電阻太大無法瞬間泄流而產(chǎn)生很高的反向電壓，對周圍的用電設(shè)備帶來嚴重威脅；（3）反向電壓將擊穿地線周圍的設(shè)備，造成防雷接地質(zhì)量事故。images/BZ_124_294_1007_758_1403.png問題：r0增加。原因：銅鼻子與銅排有效接觸面積減少。問題描述：（1）銅鼻子孔徑較大，與銅排預(yù)留孔徑不一致；（2）墊片孔徑較大，與銅鼻子、螺絲孔徑不一致；（3）大墊片孔徑大，小墊片太薄太小；（4）因螺絲、墊片、銅鼻子孔經(jīng)與銅排預(yù)留尺寸無法統(tǒng)一，銅鼻子不能固緊（壓緊），銅鼻子與銅排接觸面積部分虛接觸，且接觸面積明顯減小，r0明顯增大，留下重大安全隱患。images/BZ_124_294_1593_758_1930.png問題：r0增加。原因：銅鼻子與銅排有效接觸面積減小。問題描述：（1）銅鼻子孔徑較大，與銅排預(yù)留孔徑不一致；（2）墊片較薄，而且墊片規(guī)格不符合要求；（3）銅鼻子孔徑較大，與螺絲規(guī)格不一致；（4）因螺絲、墊片、銅鼻子孔徑無法統(tǒng)一，銅鼻子不能固緊（壓緊），銅鼻子與銅排接觸面虛接觸，接觸面積明顯減小，r0明顯增大，留下重大安全隱患。images/BZ_124_294_2093_758_2516.png問題：r0增加。原因：銅鼻子與銅排有效接觸面積減小。問題描述：（1）螺絲規(guī)格與銅鼻子規(guī)格不一致；（2）墊片太薄，螺絲上緊時中間下陷，壓銅鼻子力度不夠；（3）銅鼻子壓不緊，造成銅鼻子與銅排接觸面虛接，接觸電阻增加。images/BZ_124_294_2614_758_3035.png問題：r0增加。原因：銅鼻子與銅排有效接觸面積減小。問題描述：（1）螺絲規(guī)格與銅鼻子規(guī)格不一致；（2）墊片太薄，螺絲上緊時中間下陷，壓銅鼻子力度不夠；（3）銅鼻子壓不緊，造成銅鼻子與銅排接觸面虛接，接觸電阻增加。

檢查發(fā)現(xiàn)的問題 說明問題：r0增加。原因：螺絲伸出長度不符合要求，造成銅鼻子壓不緊。問題描述：螺絲伸出長度不符合規(guī)范要求（伸出長度5～8絲），造成銅鼻子壓接不緊，壓接數(shù)量減少等問題：螺絲上無彈簧墊片，r0增加。原因：銅鼻子與銅排有效接觸面r0隨溫度變化。問題描述：不使用彈簧墊片的危害：由于螺絲、墊片都是鋼材料，而銅鼻子、銅排為銅材料，在大電流工作時，其溫度對兩種材料的影響不同（主要是熱脹冷縮效應(yīng)）。在熱膨脹效應(yīng)下，螺絲母將有所偏移（松動），材料受熱膨脹以后在沒有外力的作用下很難恢復(fù)到原來的位置。而使用彈簧墊片以后，利用彈簧墊片本身的作用將對微微變化的螺母產(chǎn)生外力，使其在冷時能恢復(fù)原位，將螺母緊緊壓在墊片上，將銅鼻子和銅排緊緊壓住不松動。問題：r0增加。原因：螺絲下無墊片，螺絲與銅鼻子規(guī)格不統(tǒng)一，銅排有效接觸面積減小。問題描述：螺絲伸出長度不符合規(guī)范要求（伸出長度5～8絲），造成銅鼻子壓接不緊，壓接數(shù)量減少等。問題：r0增加。問題描述：銅鼻子漏接，并有多余的螺絲。問題描述：（1）由于存在漏接的銅鼻子，銅鼻子與銅排接觸面積非常小，接觸電阻很大，一旦有一定的電流流過時，接觸電阻發(fā)熱，接觸點打火、燃燒；（2）由于大部分多余的螺絲沒有緊固，在設(shè)備維護、改造、割接等操作時，容易碰螺絲，引起松動而容易脫落。問題：r0增加。原因：設(shè)備銅排上的螺絲孔不規(guī)范。問題描述：（1）銅排螺絲孔為橢圓形，易造成安裝時的移位；（2）由于螺絲孔為橢圓形，當固定螺絲時，墊片、螺絲的重心偏移，銅鼻子與銅排之間的固定不平整，壓接重心偏離，導(dǎo)致銅鼻子與銅排之間的有效接觸面積減少，接觸電阻增大。

4.2 接線銅鼻子規(guī)格差異

前述問題中，涉及銅排、螺絲、墊片等。主要表現(xiàn)是電源設(shè)備中的銅排預(yù)留接線孔大部分都是Φ12的，與國標連接器（銅鼻子）的標準孔徑有較大差異。有的是施工單位自己采購的非標準銅鼻子及其附件，采購時比較隨意，沒有考慮到接線端是否配套的問題。按照標準，銅鼻子的規(guī)格參見表3（《電力電纜導(dǎo)體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管》GB/T 14315）。

表3 銅接線端子（DT型）尺寸

表中C、N的偏差為GB/T 1800.3-1998規(guī)定的標準公差等級IT14級；螺栓直徑和數(shù)量由供需雙方商定。表中數(shù)據(jù)具體位置如圖3所示。比如，240mm2的電纜使用的銅鼻子是240mm2的，銅鼻子固定螺栓直徑Φ16mm，孔徑是ΦH=16.5mm，由于設(shè)備廠家沒有根據(jù)銅鼻子的螺絲孔徑設(shè)計接線銅排的接線孔徑，僅將其設(shè)計為直徑Φ12mm，并配Φ12mm的螺絲，造成施工現(xiàn)場大部分國標銅鼻子與設(shè)備預(yù)留孔直徑、規(guī)格不一致，給施工帶來不便。如果建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位未能發(fā)現(xiàn)問題并采取措施，就會留下隱患。

4.3 參建單位工作不細

圖4中顯示了前述問題中，各參建單位的占比。由此可見，造成銅鼻子與銅排連接質(zhì)量問題的主要原因，建設(shè)單位占66.67%，設(shè)計單位占58.33%，其次是設(shè)備廠商占50.00%。其中，建設(shè)單位的主要問題表現(xiàn)在《建設(shè)工程采購合同》簽訂過程中，條款約定不明確，對設(shè)備的要求不細致，對標準不熟悉，缺少設(shè)備安裝過程整體考慮等。表4列出了具體原因。

表4 電源電纜終端接線存在問題的原因

5 減小r0的管控措施

針對前述問題，工程實施時應(yīng)采取以下措施進行質(zhì)量管控：建設(shè)單位在簽訂設(shè)備材料采購合同時，應(yīng)明確設(shè)備銅排預(yù)留接線孔徑規(guī)格，避免設(shè)備與國標接線端子的不匹配問題；施工單位在安裝設(shè)備前，應(yīng)充分了解掌握設(shè)備銅排預(yù)留孔徑大小，在購買輔助材料時，嚴格掌握標準，購買與設(shè)備一致的產(chǎn)品，在材料報審程序上要嚴肅認真，沒有經(jīng)過檢驗或檢驗不合格的輔材嚴禁在工程上使用。

監(jiān)理單位應(yīng)重點做好以下工作：（1）對所有受監(jiān)項目涉及到的同類型工序進行全面檢查，記錄問題所在；（2）組織召開專題工程例會，對上述問題進行通報；（3）監(jiān)理應(yīng)發(fā)《監(jiān)理通知單》，要求施工單位限期整改，并在整改結(jié)束后，提交監(jiān)理復(fù)檢；（4）監(jiān)理單位應(yīng)發(fā)《工作聯(lián)系單》，要求施工單位后續(xù)施工中，必須按照標準規(guī)范要求施工；（5）要求施工單位采購國標或非標接線銅鼻子前，查驗標準，與監(jiān)理溝通，購買與電纜規(guī)格、銅排預(yù)留孔徑一致的產(chǎn)品；（6）購買其他輔助材料，如墊片、螺絲、彈簧墊片等，應(yīng)符合國家標準《通信電源設(shè)備安裝工程驗收規(guī)范》（GB 51199-2016）要求。

圖3 密封式銅或鋁接線端子（DTM型或DLM型）結(jié)構(gòu)圖

圖4 各單位在檢查出的問題中所占比例

6 結(jié)束語

電源電纜終端接線存在問題，對機房電源設(shè)備、主設(shè)備正常運行的危害非常大，各參建單位在機房配套設(shè)備安裝工程中，在關(guān)鍵工序、關(guān)鍵部位的質(zhì)量控制中，應(yīng)嚴格工作程序，嚴格落實質(zhì)量管控內(nèi)容，提高施工工藝質(zhì)量，從嚴、從細，高標準、嚴要求。對施工過程中發(fā)現(xiàn)的問題，無論大小，都應(yīng)予以重視，嚴格履行合同義務(wù)，保證工程質(zhì)量。在施工過程中，應(yīng)及早發(fā)現(xiàn)問題，消除隱患，保證電纜終端連接器與設(shè)備銅排接觸部分符合標準和規(guī)范要求。