电缆终端连接器与接线铜排接触电阻分析

王科早 赵忠强

中邮通建设咨询有限公司

0 引言

在数据中心配套工程建设中，存在大量的电源电缆与设备铜排的连接固定，涉及到设备铜排、电缆成端的铜鼻子、固定螺丝、垫片（含弹簧垫片）等。在项目实施中，多种原因会造成上述元器件在型号、规格上存在一定差异，使得连接固定点时常达不到标准规范要求，留下安全事故隐患。有的连接固定不紧、接触电阻太大，在大电流通过时，因接触电阻较大而造成局部发热量不断增加，如果不及时采取措施，就会引发固定点打火、烧毁，更加严重的还可能引发机房火灾事故。本研究在分析电缆与铜排接触部分等效电路的基础上，指出造成等效电阻增加的原因，并给出防控措施，以供参考。

1 规范要求

在《通信电源设备安装工程验收规范》（GB 51199-2016）中，明确要求“接线端子与线缆应匹配”（3.3.2条）、“电源线与设备的连接应符合下列规定：…… 连接器尺寸与导线线径应吻合，压（焊）接牢固；连接器与设备的接触部分应平整；线缆与铜排之间的距离符合要求”（3.3.8条）。具体而言有以下几个要求：（1）电源线接线端子与电缆规格相匹配；（2）连接器（铜鼻子）尺寸与导线线径应吻合；（3）连接器与设备的接触部分应平整；（4）连接器与设备的接触部分应压（焊）接牢固。

在通信机房电源设备中，其负载是机柜中的服务器、传输/交换设备、用户其他设备，负载电流较大，电缆的工作电流、工作温度在《电力工程电缆设计规范》（GB 50217-2018）附录C中有明确要求，电缆缆芯的持续工作电流限制在最高工作温度70℃条件下，超出这个温度的限制，电缆的工作特性将发生变化。

2 等效电路

铜鼻子与接线铜排连接部分如图1所示。连接部分涉及到的材料：铜鼻子、设备铜排、螺丝、平垫片、弹簧垫片。在描述接触电阻大小、电阻的温度特性时，以连接器（铜鼻子）与设备铜排接触电阻为出发点，其绝缘介质是空气，将铜排与铜鼻子之间的接触部分间隙等效为一个电阻（接触电阻），如图2所示。

图1 铜鼻子与接线铜排连接部分

图2 铜鼻子与接线铜排接触点的等效电路

由图中可以看出：（1）Ir0=Ur0/r0，式中Ur0是等效电阻两端的电压，Ir0是等效电阻（接触电阻）上的电流，也是工作电流。当等效电阻为一个固定值时，两端的电压不变，上面流过的电流随负载的大小变化，等效电阻两端的电压随电流的变化而变化。（2）假设设备负载在某个时刻是固定的，那么等效电路中的电流Ir0由r0由决定。（3）负载电流等于等效电阻上的电流。接触电阻r0的大小、功率直接影响电路电流、电压的大小，r0的变化对负载电压、电流的影响见如表1所示。

表1 r0的变化对负载电流、电压的影响

因此，设备铜排与铜鼻子接触部分的电阻（接触电阻）大小，直接影响工作电流的大小，接触电阻大小对设备工作电流能否达到设计指标产生重大影响。

在施工工艺、施工质量符合标准要求的情况下，连接器与设备铜排接触良好，接触面积较大，符合规范要求，该接触电阻r0的数值趋于0；当施工工艺质量较差，选取的材料质量不符合要求时，将造成接触电阻增加。而且，如果接触电阻较大，两端电压较高，根据接触等效电阻的特性，将产生放电现象，严重的将产生连续打火甚至烧毁设备铜排和连接器（铜鼻子）。因此，控制施工工艺质量，保证设备铜排与连接器接触面积符合要求，降低接触电阻，对设备工作稳定性、工作安全有着非常重要的意义。

3 影响r0大小的因素

等效电阻r0的大小与以下因素有关：电阻的材料，材料的导电特性；接触电阻r0的面积；环境温度；电阻能承受的功率等。主要影响因素包括：

（1）材料不同，电阻的阻值不同，特种电阻（如温敏、光敏、压敏等）在特定的环境中起到特定的作用。本研究仅讨论在均匀电场下的空气绝缘特性，即铜鼻子与连接铜排之间的接触特性，也是线性特性部分。接触部分的空气含量越多，绝缘性能越强，等效电阻r0越大，两端的电压越高。

（2）等效电阻r0与接触面积有关，当铜排与铜鼻子之间接触面积越大，电阻越小，等效电阻两端的电压越小。

（3）与等效电阻的功率有关，是等效电阻所能承受的最大负荷，其负荷大小受流经的电流电压影响。

（4）与温度有关，主要表现在当负载电流流经等效电阻时，在其上产生的热量，电流越大，两端电压越高，等效电阻的温度越高。

4 造成r0增加的原因

由于等效电阻是铜鼻子与铜排的接触电阻，因此铜鼻子与连接铜排之间的紧固质量，即增加或减小接触面积、增加或降低等效电阻的数值，对电缆终端接线质量有着紧密的关联。部分数据中心机房配套的配电柜电源电缆终端接线不符合标准要求，存在重大质量和安全隐患。

4.1 材料及施工工艺因素

下面以某数据中心电源设备安装工程中对铜鼻子与设备铜排连接检查发现的问题为例，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

检查发现的问题 说明images/BZ_124_294_519_758_834.png问题：r0增加。原因：地线的铜排接触面不平整，有效接触面积减少。问题描述：（1）两个铜排之间加入钢质垫片，将铜排翘起，大大减少铜排接触面积；（2）铜排接触面积减少，电阻r0增加，当遇到雷电泄流时，因电阻太大无法瞬间泄流而产生很高的反向电压，对周围的用电设备带来严重威胁；（3）反向电压将击穿地线周围的设备，造成防雷接地质量事故。images/BZ_124_294_1007_758_1403.png问题：r0增加。原因：铜鼻子与铜排有效接触面积减少。问题描述：（1）铜鼻子孔径较大，与铜排预留孔径不一致；（2）垫片孔径较大，与铜鼻子、螺丝孔径不一致；（3）大垫片孔径大，小垫片太薄太小；（4）因螺丝、垫片、铜鼻子孔经与铜排预留尺寸无法统一，铜鼻子不能固紧（压紧），铜鼻子与铜排接触面积部分虚接触，且接触面积明显减小，r0明显增大，留下重大安全隐患。images/BZ_124_294_1593_758_1930.png问题：r0增加。原因：铜鼻子与铜排有效接触面积减小。问题描述：（1）铜鼻子孔径较大，与铜排预留孔径不一致；（2）垫片较薄，而且垫片规格不符合要求；（3）铜鼻子孔径较大，与螺丝规格不一致；（4）因螺丝、垫片、铜鼻子孔径无法统一，铜鼻子不能固紧（压紧），铜鼻子与铜排接触面虚接触，接触面积明显减小，r0明显增大，留下重大安全隐患。images/BZ_124_294_2093_758_2516.png问题：r0增加。原因：铜鼻子与铜排有效接触面积减小。问题描述：（1）螺丝规格与铜鼻子规格不一致；（2）垫片太薄，螺丝上紧时中间下陷，压铜鼻子力度不够；（3）铜鼻子压不紧，造成铜鼻子与铜排接触面虚接，接触电阻增加。images/BZ_124_294_2614_758_3035.png问题：r0增加。原因：铜鼻子与铜排有效接触面积减小。问题描述：（1）螺丝规格与铜鼻子规格不一致；（2）垫片太薄，螺丝上紧时中间下陷，压铜鼻子力度不够；（3）铜鼻子压不紧，造成铜鼻子与铜排接触面虚接，接触电阻增加。

检查发现的问题 说明问题：r0增加。原因：螺丝伸出长度不符合要求，造成铜鼻子压不紧。问题描述：螺丝伸出长度不符合规范要求（伸出长度5～8丝），造成铜鼻子压接不紧，压接数量减少等问题：螺丝上无弹簧垫片，r0增加。原因：铜鼻子与铜排有效接触面r0随温度变化。问题描述：不使用弹簧垫片的危害：由于螺丝、垫片都是钢材料，而铜鼻子、铜排为铜材料，在大电流工作时，其温度对两种材料的影响不同（主要是热胀冷缩效应）。在热膨胀效应下，螺丝母将有所偏移（松动），材料受热膨胀以后在没有外力的作用下很难恢复到原来的位置。而使用弹簧垫片以后，利用弹簧垫片本身的作用将对微微变化的螺母产生外力，使其在冷时能恢复原位，将螺母紧紧压在垫片上，将铜鼻子和铜排紧紧压住不松动。问题：r0增加。原因：螺丝下无垫片，螺丝与铜鼻子规格不统一，铜排有效接触面积减小。问题描述：螺丝伸出长度不符合规范要求（伸出长度5～8丝），造成铜鼻子压接不紧，压接数量减少等。问题：r0增加。问题描述：铜鼻子漏接，并有多余的螺丝。问题描述：（1）由于存在漏接的铜鼻子，铜鼻子与铜排接触面积非常小，接触电阻很大，一旦有一定的电流流过时，接触电阻发热，接触点打火、燃烧；（2）由于大部分多余的螺丝没有紧固，在设备维护、改造、割接等操作时，容易碰螺丝，引起松动而容易脱落。问题：r0增加。原因：设备铜排上的螺丝孔不规范。问题描述：（1）铜排螺丝孔为椭圆形，易造成安装时的移位；（2）由于螺丝孔为椭圆形，当固定螺丝时，垫片、螺丝的重心偏移，铜鼻子与铜排之间的固定不平整，压接重心偏离，导致铜鼻子与铜排之间的有效接触面积减少，接触电阻增大。

4.2 接线铜鼻子规格差异

前述问题中，涉及铜排、螺丝、垫片等。主要表现是电源设备中的铜排预留接线孔大部分都是Φ12的，与国标连接器（铜鼻子）的标准孔径有较大差异。有的是施工单位自己采购的非标准铜鼻子及其附件，采购时比较随意，没有考虑到接线端是否配套的问题。按照标准，铜鼻子的规格参见表3（《电力电缆导体用压接型铜、铝接线端子和连接管》GB/T 14315）。

表3 铜接线端子（DT型）尺寸

表中C、N的偏差为GB/T 1800.3-1998规定的标准公差等级IT14级；螺栓直径和数量由供需双方商定。表中数据具体位置如图3所示。比如，240mm2的电缆使用的铜鼻子是240mm2的，铜鼻子固定螺栓直径Φ16mm，孔径是ΦH=16.5mm，由于设备厂家没有根据铜鼻子的螺丝孔径设计接线铜排的接线孔径，仅将其设计为直径Φ12mm，并配Φ12mm的螺丝，造成施工现场大部分国标铜鼻子与设备预留孔直径、规格不一致，给施工带来不便。如果建设单位、施工单位、监理单位未能发现问题并采取措施，就会留下隐患。

4.3 参建单位工作不细

图4中显示了前述问题中，各参建单位的占比。由此可见，造成铜鼻子与铜排连接质量问题的主要原因，建设单位占66.67%，设计单位占58.33%，其次是设备厂商占50.00%。其中，建设单位的主要问题表现在《建设工程采购合同》签订过程中，条款约定不明确，对设备的要求不细致，对标准不熟悉，缺少设备安装过程整体考虑等。表4列出了具体原因。

表4 电源电缆终端接线存在问题的原因

5 减小r0的管控措施

针对前述问题，工程实施时应采取以下措施进行质量管控：建设单位在签订设备材料采购合同时，应明确设备铜排预留接线孔径规格，避免设备与国标接线端子的不匹配问题；施工单位在安装设备前，应充分了解掌握设备铜排预留孔径大小，在购买辅助材料时，严格掌握标准，购买与设备一致的产品，在材料报审程序上要严肃认真，没有经过检验或检验不合格的辅材严禁在工程上使用。

监理单位应重点做好以下工作：（1）对所有受监项目涉及到的同类型工序进行全面检查，记录问题所在；（2）组织召开专题工程例会，对上述问题进行通报；（3）监理应发《监理通知单》，要求施工单位限期整改，并在整改结束后，提交监理复检；（4）监理单位应发《工作联系单》，要求施工单位后续施工中，必须按照标准规范要求施工；（5）要求施工单位采购国标或非标接线铜鼻子前，查验标准，与监理沟通，购买与电缆规格、铜排预留孔径一致的产品；（6）购买其他辅助材料，如垫片、螺丝、弹簧垫片等，应符合国家标准《通信电源设备安装工程验收规范》（GB 51199-2016）要求。

图3 密封式铜或铝接线端子（DTM型或DLM型）结构图

图4 各单位在检查出的问题中所占比例

6 结束语

电源电缆终端接线存在问题，对机房电源设备、主设备正常运行的危害非常大，各参建单位在机房配套设备安装工程中，在关键工序、关键部位的质量控制中，应严格工作程序，严格落实质量管控内容，提高施工工艺质量，从严、从细，高标准、严要求。对施工过程中发现的问题，无论大小，都应予以重视，严格履行合同义务，保证工程质量。在施工过程中，应及早发现问题，消除隐患，保证电缆终端连接器与设备铜排接触部分符合标准和规范要求。