探究插座接线端子烧毁的故障现象

2019-08-07江朝军励华东谢蔚蔚

日用电器 2019年7期

关键词：绝缘材料铜线温升

江朝军余嘉李平励华东邹春李彦谢蔚蔚

（公牛集团股份有限公司检测中心慈溪 315314）

引言

插座是由绝缘材料和导电金属构成的电器附件，其中绝缘材料的功能主要是固定导电金属的位置和保护导电金属不被外露，而导电金属则是作为整个插座功能的核心部分，为插座提供电气连接。

国家标准GB/T 2099中对插座的绝缘材料和导电金属设计了很多试验进行验证。

接线端子是为可拆线插座提供电气连接的一种方式，其好处在于接线方便，无需使用过多工具即可实现，同时可以根据自己的需求对电源线进行更换。然而，导线在端子中的连接状况，直接关系到插座是否会过热，导致插座烧毁等现象。对于移动式插座，在国家标准GB/T 2099里面有规定端子应可靠的连接导线，而且应连接软铜导线，并且在使用中也不会产生过度的发热，在该标准19章的温升这一条款中规定了端子的温升不能超过45 K（K为热力学单位，表示开尔文温度），由于一部分人对电气连接的概念理解的并不太深，所以，在接线时也不会太注重接线的可靠度，经常出现拧紧的力太小，导致连接松脱，或是用力过大，使导线拧断。也有一部分人对于导线的材料特性不够理解，比如，铜线比铝线的导电性能更好，韧性更好，而他们并不在意，而是随意的选择铝线进行连接。

基于这些状况，我们对这些现象进行模拟，再现插座烧毁的故障现象。

1 试验解析

在GB/T 2099.1中主要从两个方面对产品进行了安全和性能方面的检测，分别为绝缘材料和导电金属的验证。

对于绝缘材料，涉及了软线的夹紧，绝缘材料的耐热，耐非正常热和耐燃，以及耐漏电起痕等试验。

关于软线的夹紧：应使软线与插座连接的端子和端头不受到拧绞,确保软线不会因为软线受到额外的应力而使电气连接松脱或是断开。

关于绝缘材料的耐热：将产品放在100 ℃±2 ℃的高温下，1 h之后，产品不会发生过度的变形或软化，而使得带电部件变为易触及的，或是最大功率、警告语等标志变得模糊不清；并且，产品还应能经受球压试验，对于将载流部件保持在正常位置的绝缘材料，应在125 ℃ ±2 ℃的环境下进行试验，该试验确保了产品在受到热应力时，不会发生过度变形或软化，使得带电部件极性之间，或是带电部件与易触及的金属或绝缘材料之间形成电气连接，从而发生短路或是触电的危险。

关于耐非正常热和耐燃：产品应能在过热的条件下不会引起插座起火，譬如带电部件的短路产生的电火花不会使插座的绝缘材料起燃；并且，在存在起燃风险时（如灼热丝试验起燃时间超过2 s），还应对其进行针焰试验，直接以引燃绝缘材料的方式对其进行验证，保证产品在起燃后，不持续施加热源时，不会有绝缘材料持续燃烧超过30 s，此试验在于考察绝缘材料的阻燃性能，在产品起燃后，不会有火势蔓延的风险，从而规避火灾现象的产生。

关于绝缘材料的耐漏电起痕：产品的绝缘性能应足够，以避免由绝缘材料产生的电气连接或击穿现象。因此，材料的耐电痕化的能力就显得尤为重要，如果材料的耐电痕能力太差，那么，绝缘材料将不再绝缘，而是一个电阻稍大的导电体了。耐电痕的试验是指绝缘材料经受化学试剂的腐蚀变化，不会使电极间产生较大的电流或是产生燃烧现象。

对于导电金属，涉及了端子的连接，导体间和导体与易触及部位的绝缘电阻和电气强度，带电部件在工作时的温升，使用过程中的插拔寿命，插头和插座插合时的接触力的大小，以及螺钉和载流部件的连接等。从这些方面能够体现出产品的功能性和安全性。

关于端子的连接：端子是为方便用户接线或是更换电源线而设计的连接部件，端子的设计应使得电源线能够锁紧，并且不会损伤导线，以致于影响电气连接，导致端子处温升过高。

关于绝缘电阻和电气强度：应保证绝缘材料有足够的绝缘，确保绝缘层不会出现击穿现象；并且不同极性的导体之间或是带电部件与易触及部位之间应有足够的距离，确保其电气强度能够满足，避免产生击穿起火的现象。

关于带电部件的温升：温升是为体现产品在正常使用过程中的发热情况，表示产品通电后的温度与室温之间的差值，即为产品发热所产生的额外的温度；温升是体现一个产品电气性能的一个直接体现，若温升过高，则产品的安全性能大大降低，长期使用会有熔融的风险，严重时可能导致载流极性之间的短路，从而引起着火等现象。

关于插拔寿命：即为标准中定义的正常操作。在标准中，明确规定了插拔的次数和通电的电流，以GB/T 2099.1为例，插座应进行10 000个行程的插拔（5 000个插拔循环次数），在插拔过程中可能导致插座连接的损坏，从而引起温升变高，产生着火的风险。

关于插头插座插合时的接触力：在GB/T 2099.1中被定义为拔出力，在此标准中分为最大拔出力和最小拔出力，最大拔出力是为保证插头拔出插座时不会过大，不会影响客户使用的手感；最小拔出力是为保证单极插销的夹紧力足够，不会导致接触不良的情况。

关于螺钉和载流部件的连接：载流部件的连接在插座中主要以端子连接、焊接、压接等方式来实现。焊接、压接等方式主要以温升的方式来确认其连接的可靠性；而端子连接，除温升的验证外，还应对螺钉进行拧紧拧松的验证，确保在今后更换电源线时，不会出现电气连接松动的现象。

2 试验设计

接线端子的电气连接与温升紧密相连，若接线端子与导线的连接松脱，会使端子与导线的结合处产生较大的接触电阻，由物理学公式：P=I²R（P为功率，I为电流，R为电阻）可知，当电流一定时，电阻越大，则功率越大，所产生的热量也越大。而在正常使用时，插座上的负载端电流为额定电流，不会因接线是否良好而改变，若此时的接触电阻很大，那么就会产生过高的温度。当温度达到一定程度就会引起插座的起火，而此时插座绝缘材料的阻燃性能就显得尤为重要了，若采用劣质材料或是阻燃性较差的材料，就可能有两方面的危险：一是绝缘材料起燃点低，很容易着火；另一个是材料着火后防蔓延能力差，会出现持续燃烧的状态，存在引燃其他物件的风险。

为了证明端子的连接可靠程度与插座燃烧的关联程度，我们将进行一系列的试验。比如：考虑到所接导线的导电率不同，发热功率也不一样，所以需要进行连接铜线和铝线的对比试验；端子拧紧与松脱会有不一样的接触电阻，因此，需要对不同的连接状态进行试验；除了考虑客户使用时产品本身的连接状态外，还要考虑端子本身的优劣性，用户使用过程中可能出现的跌落现象，是否会造成端子连接的松脱，从而产生过大的接触电阻，并且端子材料的耐热和阻燃的性能也是有差异的。

由端子本身的优劣，用户接线的类型和松紧，以及使用过程中的机械冲击等方面，我们设计了以下三个试验加以论证：

试验一：铜线和铝线的对比；

相同环境温度45 ℃，相同试验电压250 V，相同试验电流20 A，相同的功率因数0.75-0.8，接线方式都是拧紧，并喷水1min。不同的是接线分别为铜线1.0 mm2，铝线1.0 mm2。插座同为外壳PP材料，接线端子外壳为PC材料。

如图1、图2所示，试验两小时后，接铝线的端子最高温度达到308.8 ℃，而接铜线的端子温度最高达到110 ℃；且接铝线的端子烧融了，而接铜线的端子完好无损。这一现象表明，45 ℃高温下，当插座进水后，接铝线的插座会引起插座烧毁。

试验二：拧紧与松脱的对比；

相同环境温度25 ℃，相同试验电压250 V，相同试验电流10 A，相同的功率因数0.75～0.8，接线方式分别为1.5 mm2铜线拧紧和1.5 mm2铜线不拧，此处的拧紧仅表示在规定的力矩0.53 N·m下的拧紧。插座同为外壳ABS材料，接线端子外壳为PC材料。

如图3、图4所示，端子接铜线螺丝拧紧状态下，温度最高为42.5 ℃，端子不拧螺丝的状态下，铜线的温度最高为1 100.8 ℃，端子烧融。

试验三：铜线经过滚筒后的试验；

图1 接铝线

图2 接铜线

图3 接线螺丝拧紧

图4 接线螺丝不拧

环境温度25 ℃，试验电压250 V，试验电流16 A，功率因数0.75～0.8，接线1.0 mm2的铜线，材料为外壳PP材料，接线端子外壳为PC材料。先经过1 000次的滚筒试验（模拟插座经过摔打的状态），再进行温升试验。

如图5所示，进行完滚筒试验后，劣质接线端子的螺钉明显松脱，但导线仍能导通，然后进行温升试验，最高温度竟已达到330 ℃，并且端子烧融。

如图6所示，而对于优质端子，导线无明显松脱现象，进行温升试验后，其最高温度也仅75 ℃。

3 试验设备

图7设备由变频电源、负载、插拔试验装置、喷油喷水装置、电感调节、控制系统几个模块组成。可以实现25～100 ℃的高温环境，0～100 A的负载调节，0～300 V的电压调节，实现阻性、感性负载的调节，也拥有喷油喷水的功能；同时可以进行高温环境正常操作试验和温升全程监控试验。

设备采用触摸屏和PLC控制系统，可以控制试验温度，设置试验电压电流等试验参数。模拟不同的使用环境，如厨房的高温和油烟模拟，浴室的高温和溅水或喷水等模拟。模拟不同的负载方式，阻性负载，感性负载，以及过载状态，多达1 000多组随意模拟组合，详见图8～图11。

4 结论

经过以上试验论证，插座的接线端子在接铝线的情况下，温度明显高于接铜线的状况；拧紧端子的温度明显低于未拧紧端子的温度。因此，如何正确接线，也是规避插座烧毁的重要因素之一。往往人们会忽略这些因素，不规范操作。

在GB/T 2099的标准中有明确规定，可拆线的插座应使用符合GB/T 5013或GB/T 5023的软铜导线。对于额定值为10 A的插座，接线不超过5 m时，可接上横截面积为1.0 mm2的软电缆，若接线长度不超过30m时，可接上横截面积为1.5 mm2的软电缆；对于额定值为16 A的插座，接线不超过5 m时，可接上横截面积为1.5 mm2的软电缆，若接线长度不超过30 m时，可接上横截面积为2.5 mm2的软电缆。若接线长度超过30 m，则不应使用移动式插座进行连接，建议大家使用专业线盘实现通电设备的延长作用。