线缆线径和压线钳对压接端子热性能的影响研究

2018-11-05李翔飞黄召明常杰葛艳霞康玮

机械制造与自动化 2018年5期

李翔飞，黄召明，常杰，葛艳霞，康玮

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111)

0 引言

随着科技的不断进步，电气系统趋于复杂化，设备功能需求也更加多样化，对电气系统的安全可靠性要求也越发严格。压接端子作为电气系统的重要组成部分，应用范围广，数量庞大，若该部件出现问题，则会直接影响到整个电气系统的可靠性和安全性[1～4]，尤其在轨道交通运输过程中，可能会危及到旅客的安全。压接端子的性能直接关系整个电气系统的性能，而压接端子在极端环境下的热性能对压接端子电气性能影响颇大，为了保证压接端子使用的安全可靠性，需要对压接端子热性能的影响因素进行研究。

1 性能影响分析

温升变化是评价压接端子热性能的1个重要指标。温升和热循环2个试验均会造成压接端子在使用的过程中出现温度升高的情况，2个试验均可检测压接端子在极端环境下对热应力的适应能力。温度升高过多除了会对压接端子的机械强度产生影响，还会加速端子金属表面的氧化[5]，而生成的氧化物会使压接电阻值增大；除此之外，温度升高过多会使端子绝缘部分出现损伤，加速其老化[6～8]。温升异常不仅会对端子造成损伤，还会造成配电网络事故，引起电气火灾的发生，因此必须限制压接端子的温升。此外，压接端子进行热循环试验之后，压接电阻值会出现波动，若其温度不超过与端子连接导线的温度，保证压接电阻值的稳定，则可判定压接端子对极端环境和热应力具有良好的适应能力，也可判定其具有良好的长期运行能力[9]。故本文主要通过温升和热循环2个试验对压接端子热性能的影响进行研究。

2 试验

2.1 试验依据

对压接端子的温升和热循环2个试验测试依据Q/SF 25-077-2011《高速动车组用电线电缆订货技术条件》进行。室内环境温度保持在20 ℃±15 ℃，相对湿度保持在45%～85%。试样保持在自由气流下，且温度控制在15 ℃～30 ℃之内。

2.2 试样制备

所用试样电缆符合Q/SF 25-077-2011规定。端子材质采用GB/T 5231-2001《加工铜及铜合金化学成分和产品形状》中规定的铜质材料，绝缘套采用硬质乙烯基类树酯或聚酰亚胺类树酯。线缆线径分为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种。不同的线径按照合理的压接工具匹配采用不同规格的压线钳进行压接处理，按推荐和需要使用了YNT-2216、YNT-1210S、YNT-1614、AK-15A、AKH-60N、AK-150S、HEX-300、E-4 8种压线钳进行压接，共计31种匹配组以进行本次试验，以研究不同的匹配关系对压接端子热性能的影响。

2.3 试验仪器

a) 温升试验

1) CT-3004W-5V200A-NT直流电源供应器，供电范围0～800 A，精度可达0.1 A；

2) DR130温升记录仪，测量范围0～250 ℃，测量精度0.1 ℃；

3) 34401A数字多用表，测量精度10-6Ω；

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

b) 热循环试验

1) 1504500A50V交流恒流源，供电范围0～1 500 A，精度可达0.1 A；

2) DR130温升记录仪，测量范围0～250 ℃，测量精度0.1 ℃；

3) 34401A数字多用表，测量精度10-6Ω；

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

2.4 试验内容

1) 温升试验

测试压接端子通流后产生电流热效应，记录在循环通断电的情况下，不同压形压接部位的温升。试验根据试样类型分别按照Q/SF 25-077-2011规定进行连接。

测试过程中，测试电流保持恒定，直至测试点温度达到稳定值，稳定温值是指当温升值每隔10 min测量1次，连续测量3次，且各次温值相差≤1 ℃时的温度值。测试点温度值稳定后进行测量，温升值为测试点温值减去周围温值后的数值。

2) 热循环试验

压接端子在循环通断电的情况下，记录不同压形压接部位的温升。试验根据试样类型分别按照Q/SF 25-077-2011规定进行连接。

测试过程中，按照规定的时间通以试验电流，再断电，相同时间作为1次试验循环，共需通电125次。测试点温度值分别在第25次和第125次完成后5 min内测定，温升值为测试点温值减去周围温值后的数值。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

所得实验数据用软件Origin7.5处理后绘制成曲线图，进行对比分析，温升试验曲线图如图1所示。图中横坐标为每种匹配关系试样组的试样量，纵坐标为压接部位的温升。

图1 温升试验部分数据处理图

按照Q/SF 25-077-2011中要求：根据规定的方法进行试验后，压接部位的温升不超过30 K。但是根据图1中可以看出有部分数据超限，超限部分在3.2节中讨论。

由于压接电阻是反映压接端子电气性能的主要指标，因此本文也将其作为其性能的评判依据。

热循环试验后温升变化会引起压接端子压接电阻值的变化，为了能够研究两者之间是否有规律性的关系，将热循环试验温升变化数据和试验后压接电阻变化率放在一起处理，直观地展现出两者间的关系，以便于进行分析。数据处理如图2所示，图2中横坐标为每种匹配关系试样组的试样量，右边纵坐标为试验第125次后与第25次后的温升差值，左边纵坐标为热循环试验后压接电阻变化率。

图2 热循环试验温升和试验后压接电阻变化率的数据处理

按照Q/SF 25-077-2011中要求：根据规定的方法进行试验后，第125次热循环时压接部位的温升不高于第25次热循环的8 K，由图2可以看出随着温升变化幅度增大，压接电阻的变化率也更大。但可以看出也有部分数据超限，超限部分在3.2中讨论。

3.2 结果分析

结合图1和图2中NH-WL1-5.5线型的试样曲线来看，与YNT-1210S型压接试样的结果相比，AK-15A型压接的试样温升变化大，试验后压接电阻变化率高而波动大，由此得知此种匹配关系压接的试样电气性能并不理想，不适合在现场使用；从NH-WL1-14线型的试样曲线来看，与AKH-60N型压接试样的结果相比，AK-150S型压接的试样温升变化大，部分超限，试验后压接电阻变化率高而波动大，说明此种匹配关系压接的试样电气性能并不良好，不适合在现场使用；而从线径为50 mm2的试验曲线来看，线缆型号相同而压线钳型号不同，温升值全部超出标准所规定的30 K，热循环试验结果中只有HEX-300型压接的试样压接电阻变化率高且波动大，部分超限，这种情况表明应重新选择匹配关系，排除HEX-300型来压接该型号的线缆，还应使用控制变量法来继续研究其他匹配关系来得出最优方案；而由线径为80 mm2的试验曲线来看，同种压线钳而线缆型号不同，其温升值也全部超出标准所规定的30 K，热循环试验结果却全部符合标准规定，这种情况亦表明应重新选择压线钳，继续研究其他匹配关系以得出最优方案。