电能表接插件优化设计

穆小星 ，陈 刚，徐敏锐，金 萍，欧阳曾恺

(1．国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 210019；2．国家电网公司电能计量重点实验室，江苏 南京 210019)

0 引言

电能表是千家万户用电计费的重要计量器具，能否准确计量电能，不仅取决于其准确度等级，还取决于电能表的正确、可靠接线，后者是保证电能表正确计量的首要条件[1]。而目前，国内电能表现场安装接线，采用人工螺丝压接方式：安装人员首先辨识接入电能表的多个导线端子，然后按次序通过螺丝压接接入电能表中。因螺丝旋紧程度不够导致电接触不可靠、虚接、振动松动，最终端子发热酿成火灾安全事故；接线端子工艺处理不好或插入不到位致金属裸露，产生触电或窃电事故(件)；由于人为疏忽，错接、漏接线产生电气或电量差错事故；安装螺丝多，造成劳动强度大、安装效率低、安装效果差。因此，人工螺丝压接方式难以满足城乡建设快速发展对大批量电能表安装的需要[2]。

目前，国外普遍采用一种插拔式电能表实现电能表插拔式安装，可以避免上述问题。然而目前国内面临的现状是，采用插拔式电能表，将面临巨大的技术改造困难及新老电能表不匹配带来诸多麻烦，因此国外的插拔式电能表不适合目前中国国情。实现电能表插拔式安装技术，必须是在不改变目前电能表型式的情况下，研发适用于接线式电能表的电气接插件。

基于以上情况，因地制宜，研究适应于目前接线式电能表(接线孔)的插拔式安装技术。开发一种傻瓜式电能表插拔式接插件[3]， 成为解决目前电能表安装诸多问题的关键。

1 接插件电接触理论分析

电接触发生在触头的“界面”。该界面是电流从一个触头件通过另一个触头件的区域。表面接触与有效接触面积图例如图1所示。

图1 表面接触与有效接触面积图例

触头电阻在此区域内产生，并通过焦耳效应引起发热[4-5]。接触电阻是接插件重要的电气指标。按电接触理论，接插件接触电阻由两部分组成。

①集中电阻。该电阻由通过基本触头的电流线汇集在一起而产生，电流通过导电斑点时，电流线会发生收缩现象，使电子流过的路径变长、有效导电面积缩小，从而造成电阻值变大。这些额外的电阻值称为收缩电阻。

(1)

式中：ρ为导体材料电阻率；α为导电斑点平均半径；n为导电斑点个数 。

②薄膜电阻。该电阻与氧化薄膜或在界面处吸收分子形成的薄膜有关。接触件表面通常会因为吸附、腐蚀、氧化、环境效应等因素的污染作用形成一层表面膜。通常该表面膜层多为氧化膜。氧化膜多为半导体，具有较高的电阻率。当电流通过这些膜层时，会受到一定的阻碍，从而附加一个电阻，称为膜层电阻。

(2)

式中：σc为称隧道比电阻，取决于氧化层的性质及其厚度；α为导电斑点平均半径；n为导电斑点个数；s为接触面积，实际指在触头面上施力达到触头材料的极限强度(材料的“硬度”)的那部分面积。

触头接触电阻R是集中电阻Rc和薄膜电阻Ri之和，即：

(3)

然而a是难以测量的，但与施加的力相关。假定施加在接触面积上的正压力等同于金属的接触硬度(H),则可得到公式：

(4)

由式(4)可以得到：

(5)

式中：ζ为取决于接触表面状态的无量纲“平面度系数”,与接触形式相关，正常力情况下该系数通常在0.3～0.6之间，但在接触表面互相作剧烈摩擦后系数可能会变得很小；F为接触面正压力；H为接触材料硬度 。

从式(5)可以看出，触头接触半径与接触压力成正比，与硬度、平面度成反比。对某一固定的金属材料对，基本的触点数量n可以用式(6)表示：

n=nkH0.625F0.2

(6)

式中：nk≈2.5×10-5。

(7)

式(7)为经典的接触电阻理论公式，反映了接触电阻与接触形式、材料硬度、正压力相关性。接触形式按触点分布情况可分为三种：点接触、线接触和面接触。它们对接触电阻的影响是不同的。一般而言，点接触的接触点数最少，集中电阻最大；面接触接触点数最多，集中电阻应最小，线接触介于两者之间。

触点压力对集中电阻、膜电阻同时产生影响：接插件接触件的正压力是指彼此接触的表面产生并垂直于接触表面的力，增大接触压力，材料受压超过弹性变形极限，产生塑性形变，接触面增加，接触点数增加，从而使集中电阻减少；增大接触压力，刺破或压碎金属表面薄膜，可减少膜电阻。通常，点接触点数最少，在相同外加触头压力F作用下，点接触表面的膜最容易破坏，从而减小膜电阻；反之，面接触触点数较多，其排除和破坏表面膜的能力小，膜电阻就较大，线接触介于两者之间。

图2为施加的接触压力与接触电阻关系图。

图2 接触压力与接触电阻关系图

接触电阻作为接插件的重要技术指标，要求其值越小越好。一方面，接触电阻越小，则要求接触压力越大，产生的插拔力也就越大，操作也越困难，对接触件的弹性性能要求也就越高，接触件的磨损也随之加剧。另一方面，由式(7)及图2可以看出：在一定变化区间内，接触电阻随接触压力的变化较为明显，在该区间外，接触电阻的变化缓慢。从经济、磨损寿命等角度考虑，超过一定限度后不宜再通过增加接触压力来减小接触电阻，必须考虑接触件之间的摩擦系数、接触压力、接触面积等因素的影响，选择合适的接触形式。接触压力较小时，点接触电阻较低;接触压力较大时，面接触电阻较低。接触形式及压力F对接触电阻影响如表1所示。

表1 接触形式及压力F对接触电阻影响(铜)

2 电能表接插件设计

2.1 设计分析

电器接插件通常包括阳极接触件(插头)和阴极接触件(插孔)两个部分。通过阳、阴极接触件的插合，实现接插件的连接功能。通常，阳极接触件为刚性接触件，阴极接触件为弹性插件。但对于目前国内电能表，不能改变其现状，只能针对其接线插孔而设计相应弹性件插头，通过插头的弹性结构产生弹性变形来提供与刚性电能表插孔壁间的接触压力，从而实现紧密可靠插合接触式电气连接。

电能表接插件组成应包括：①电气插头；②绝缘体(支架)；③附件(弱电连接件)。插头只能为圆柱弹性金属体；绝缘体为插头的绝缘支撑体，并兼具电能表定位、导向、安装架等功能，绝缘及耐候性是其基本要求；附件为组合的结构件，如RS-485连接器、费控开关控制连接器、加封及安全护套等独立结构措施。

2.2 接插件插头设计

电能表接插件电接触件设计其实变成了单独的圆型弹性插头设计。圆形弹性插头依据接触方式有多种型式：麻花型、香蕉型、一字型、圆柱型等。一字型靠插头上嵌入弹性金属丝与插孔接触，灯笼型靠围拢在柱体四周的一圈弹性片状丝与插孔接触，圆柱型通过对倒锥形圆柱空心体开槽形成弹性体，与插孔接触。一字型通常适应于小电流场合，多用于测试插头。灯笼式弹性片机械强度、寿命一般不太高，多用于音频接插件。圆柱开槽式插头(线、面接触)，弹性件与支撑体为一体化结构，弹性高、寿命长，电能表接插件插头选择此结构型式比较合适。它适合于大电流场合并具有较低接触电阻，具有稳定的电接触性能；能够承受较大损伤试验，满足现场安装条件要求；具有较高的机械插拔寿命，满足接插件机械寿命要求。

接线端圆柱开槽式弹性插头主要依靠插头开槽后形成悬臂梁弹性簧片，通过过盈量与电能表插孔接触，对电能表插孔四周产生接触压力。插头头部设计成球面或锥面，插体设计成倒锥形，并利用电能表接线孔台阶过渡区域，形成导向插入结构。图3为设计的四分瓣空心插头型式，包括接触端、接线端(段)两部分。

图3 四分瓣空心插头型式图

本方案金属插头通过线切割工艺，把金属空心柱分为4(6)瓣，通过本体产生弹性体。其特点为一体化结构，导电体、弹性元件为同体、同材料。弹性大小由插头部分几何尺寸、开缝大小、壁厚、材料塑性等因素决定。

2.2.1 圆柱开槽式弹性插头力学分析

插拔力是接插件独特而重要的机械性能指标，它包括插入力和分离力两部分，是接触件插合和分离时克服插孔/插头弹性变形及摩擦力而产生的阻力。电能表结构型式决定了其只能上下方向插拔，因此，在施力方向上不能得力，上下空间受电能表、接线槽、安装高度等因素制约，这就要求接插件插拔力不能过大。因此弹性插头的机械设计应权衡二者矛盾，进行优化设计。

①弹性插头力学模型。弹性插头力学设计归结为弹性件的弹力机械设计，弹力转换为垂直于接触面的正压力。但鉴于插头插合状态的正压力很难测量，故测量插头由静止变为运动的单孔分离力来表征。分离力理论值可用式(8)表达。

F=kFn

(8)

式中：Fn为正压力；k为摩擦系数。

由于分离力受正压力和摩擦系数两者制约，故不能认为分离力大，就表明正压力大，或接触可靠。对插头加工精度、表面镀层进行工艺处理，并将分离力控制在一个恰当的水平，即可保证接触可靠。

圆柱式开槽插头可将其简化成悬臂梁结构，其力学模型如图4所示。

图4 圆柱式开槽插头(悬臂梁)力学模型

其产生的接触压力可用式(9)描述：

(9)

式中：E为弹性模量；δ为挠度；L为插头弹性件长度；Ix为截面关于中性层轴X的惯性矩。

②圆柱式开槽插头截面惯性矩分析。圆柱式开槽插头截面如图5所示。

图5 圆柱式开槽插头截面图

通过查阅机械设计手册，可以得到以下已知量间的关系式。

截面面积为：

(10)

截面图形重心到x1轴的距离y：

(11)

截面图形对x1轴的惯性矩为：

(12)

根据惯性矩平移公式，图形对其中性轴X的惯性矩为：

Ix=Ix1-yA2

(13)

2.2.2 圆柱开槽式弹性插头设计仿真分析

(1)插入/拔出力。

图6为弹性插头插入力、接触压力与插入量关系图。

图6 插入力、接触压力与插入量关系图

由于插头为圆弧形、插孔为倒角形，插入力是一个过渡过程。初始时刻为“暂态”，之后进入“稳态”。从图6可以看出，由于插头头部的影响，插入力是随插入量不断变大的过程。在此过程中，插入力出现一个峰值，然后减小并于头部完全插入时趋于稳定。在进行接触件设计时，希望增大接触件间的接触压力，即增大稳定后的插入力，同时减小插入力峰值。由于接触件分离时，只受到摩擦力的作用，分离力的大小和插入力稳定值相同，所以插入力稳定值称为分离力或拔出力。

基于电能表标准对机械特性要求，电能表单孔插入力最大值不应超过60 N；考虑到人工现场操作力及电能表接线孔多达7个，合力不应超过300 N，所以单孔插入力最大值定为40 N是合适的。

(2)影响插拔力结构参数的分析。

①插头簧片长度。电能表接线孔深度为26 mm，插头还承担电能表安装支撑作用，长度不宜低于80%。

图7为插头簧片长度对插拔力及应变影响。从图7可以看出，随着簧片长度的增加，插拔力逐渐减小，且接近于线性关系。对基本尺寸20 mm，插头长度每减小20%，最大插入力可增加80%，分离力增加52%；若长度增大20%，最大插入力减小40%，分离力减小37.9%。由此可见，插头长度对最大插入力的影响较大，过短插头虽能节约材料、增加接触压力，但同时造成插入力增大，使插入困难、插头根部应力过大而发生塑性变形影响寿命。

图7 插头簧片长度对插拔力及应变影响

②插头簧片壁厚。依据插头簧片截面惯性矩及最大插入力确定簧片壁厚，其计算值整定后为1 mm。图8为插头簧片厚度对插拔力及应变影响。由图8可以看出，随着簧片厚度的增加，插拔力逐渐增加。对基本尺寸1 mm，每减小40%，最大插入力减小约43.3%，分离力减小约39.8%；每增加40%，最大插入力增加约65.9%，分离力增加约53.1%。可见，簧片厚度对最大插入力更为敏感。对簧片机械性能影响，厚度在0.8～1.1 mm之间变化时，接触面应变呈现直线上升；当簧片厚度大于1.1 mm时，由于接触面塑性变形不再增加。1 mm为簧片厚度的优选尺寸。

图8 插头簧片厚度对插拔力及应变影响

图9 插头开槽宽度对插拔力及应变影响

④插头过盈量。图10为插头过盈量对插拔力及应变的影响，考虑到电能表接线孔为固定尺寸的刚性孔及公差配合要求，选择插头基本直径尺寸7.6 mm；结合插孔倒角斜度(45°)，按其0.5 mm的投影长度约为0.3 mm选择过盈量。从图10可以看出，插拔力和接触应变量与插头过盈量近似于正线性相关。当过盈量在0.3 mm附近变化时，过盈量变化20%，最大插入力变化约为42.6%，分离力变化约为29.3%，接触应变变化平均为19.3%。过盈量对最大插入力比较敏感。在不明显影响接触压力的情况下，尽可能控制过盈量以减小最大插入力，且较小的过盈量使过盈配合产生的塑性变形和应力较小，提高弹性插头寿命。

图10 插头(头部)过盈量对插拔力及应变影响

综上分析，为尽可能得到最优的接插件结构设计参数，使接触压力最大、最大插入力值最小、簧片根部塑性变形最小，并以此为优化目标，利用ANSYS有限元软件建立有限元接触模型，对插头结构参数进行优化设计。将接触压力的目标设为最大，插入力的目标设为最小，重要程度均为高；最大等效应变和应力的目标为最小，重要程度均为低。由于插头长度、插头簧片厚度的灵敏度较高，故以插头长度和插孔簧片厚度作为为优化对象，重要程度均设为高。

2.3 接插件插头材料选择

插头材料的选取应以性能要求为依据，结合插头的结构特点，从弹性极限、弹性模量、疲劳强度、成型性、导电性、耐热性、性价比等多个方面综合考虑。

为保证插头插合时接触可靠,防止塑性变形和应力松弛,插头应选用具有较高弹性极限与疲劳极限和适当的弹性模量的材料；要具有较高机械强度，以防止插头插拔时弯曲损伤。插头的结构一般较小，还需充分考虑材料的加工性能。为了满足插头低接触电阻性能及避免高温环境下应力松弛造成接触压力下降，必须选择工作温度高的导电材料。

目前，在其他行业应用的接插件插头常用的材料有：锡青铜、铍青铜、黄铜等铜合金。常见铜金属材料性能特性见表2。

表2 常见铜金属材料性能表

铍铜是力学、物理、化学综合性能良好的一种合金。经淬火时效处理后,铍铜具有较高的强度、弹性、耐磨性、耐疲劳性和耐蚀性；同时,其还具有较高的导电性、导热性、耐寒性和无磁性。碰击时，铍铜无火花,易于焊接和钎焊,在大气、淡水和海水中耐腐蝕性极好，故它是制作高可靠接插件弹性插头的首选材料。

3 接插件支架设计

接插件支架用于支撑和固定插头，使之按电能表端子盒的插孔位置和间距排列，并保证插头电气绝缘性能。此外，它还要承担电能表安装基座功能，其结构还应考虑电能表挂鼻、安装导向及加封结构措施及通信/控制电连接件附属结构措施。

本文设计了单相电能表、三相电能表、互感器接入式电能表接插件。

4 接插件关键指标测试及分析

电能表接插件指标主要有插拔力、机械寿命、互换性和温升四个指标[6-8]。

4.1 电能表接插件插拔力测试

对各接插件进行诸项指标测试，单相、三相电能表接插件插拔力分别见表3、表4，测试频率为360次/h。

表3 单相电能表接插件插拔力

由表3、表4可以看出，单相电能表接插件插拔力小于4×40 N，三相电能表接插件插拔力小于7×40 N，低于电能表接线孔附着力，从而可保证其结构的稳定性。

表4 三相电能表接插件插拔力

4.2 温升测试

温升测试[9]在封闭的电能表计量箱中进行，电能表、空气开关分别接入。单相电能表接插件温升测试见表5。

为验证机械寿命试验后的温升，在接插件进行1 000次插拔后，再次进行温升测试。机械寿命试验前后温升测试数据比较见表6。试验结果表明：寿命试验前后温升都能保证在要求的指标范围内。

表5 单相电能表接插件温升测试数据

表6 机械寿命试验前后温升测试数据比较

4.3 连接可靠性电应力、热应力测试

为验证接插件通电情况下，环境温度变化影响及电接触可靠性，进行加速寿命试验[10]。

温度曲线试验在额定电流、常温下(25 ℃)进行温升测试，紧接着进行温度冲击的环境试验。环境试验温度循环周期如图11所示。以24 h为一个周期，共进行7周测试。温升测试数据见表7。数据表明，加速寿命试验后温升都能保证在要求的指标范围内。

图11 温升测试数据曲线

时间间隔/h环境温度/℃温升/K端子1端子2端子3端子4018.50.90.70.60.9119.642.345.741.240.1220.146.950.544.643.8320.947.251.646.244.8421.347.452.546.344.9521.647.952.946.244.7622.047.652.845.944.6722.147.652.945.744.4822.347.3 52.745.544.3

以上各种测试结果表明：电能表接插件温升≤60 K；接插件机械寿命在1 000次以上；接插件插拔力≤4×40 N(单相)≤7×40 N(三相)，满足设计指标要求。

5 结束语

经过了试验室内的测试，以及安装现场试点的长期跟踪检测，验证了新型电能表接插件的设计正确性，为电能表的快速安装提供了一种崭新的技术手段。该技术使电能表的安装安全、可靠、简便、快捷，实现了电能表即插即用目标。电能表接插件的应用，改变了传统的低压电能表导线接线方式，解决了人工螺丝压接诸多问题，确保了计量装置准确、安全可靠运行，提升了供电公司优质服务水平和企业形象。电能表接插件是电力企业值得推广应用的一种新型产品。随着该技术的推广应用，不断改进其结构、型式，降低其最大插入力，提高其实用性，接线式电能表插拔式连接技术将会得到不断发展，日臻完善。