闲时自断电插座的结构设计*

郑晓龙，宋丕伟，丛颖婕，王艳雪，孙 颖，刘 鹏，张孝臣

（大连科技学院，辽宁 大连116052）

随着科技的迅速发展，电子设备和家用电器的数量越来越多，使得每个家庭的家用电器数量大幅增加且种类繁杂，每年都会有大量由于用电问题引发的触电事故。因此做好防触电工作是十分重要的，为了更安全地使用插座，防止儿童用金属接触到插座发生危险，该设计改变了传统插座的缺陷，即使人的肢体触及到了插座的电路，在防触电插座电路的保护下也不会发生触电事故，同时将智能化（手机终端控制）与多用途（电功率测量）结合在一起，设计了这款闲时自动断电插座，其结构如图1所示。

图1 整体结构

该插座在闲时，即没有插入插头时插座内部的接触铜片处于断电状态，此时即使儿童由于好奇将金属导体插入插座或者将液体泼在插座上，一般也不会发生触电的事故。该插座主要由以下几部分组成：

1 滑块系统设计

滑块系统的设计是由弹簧、挡板、滑块以及穿簧杆组成，如图2所示。每当施加给滑块一个与弹簧平行的力时，滑块向下运动，弹簧受力被压缩，同时三角形滑块的斜边与挡板接触，滑块会给挡板一个垂直于三角形斜边的一个力F，根据平行四边形法则将力可以分解为平行于弹簧的分力F1和不垂直挡板的分力F2，分力与合力的关系是等效替代关系，合力F对物体的作用效果和两个分力F1、F2的作用效果是相同的，分力F2会使挡板向下运动从而达到滑动的目的。

图2 滑块系统设计

2 弹性金属片设计

在滑块的下方安装用来推动弹性金属片的挡板，挡板的选用需要遵循如下原则：（1）质量轻：挡板的下压依靠滑块的运动，恢复则需要靠金属弹片支撑，因此挡板的质量一定要轻；（2）良好的绝缘性：挡板需要与金属片连接，金属片是带电流的，因此挡板绝缘性的好坏直接影响插座的安全性；（3）尺寸精度高：插座里的空间十分有限，在挡板下压和恢复的过程中不能因为尺寸的不合适影响运动精度。挡板是整个防触电装置中承上启下的装置，虽没有直接参与电流的传递，但也是整个装置中必不可少的构件。

在插座中，两弹性金属片分别连接火线和插座中与插头接触的导电铜片，如图3所示。因为在导线连接处存在接触电阻，接触电阻的数值一般都大于导线的自身电阻，当电流流过时，由于焦耳效应，必然会引起发热，由焦耳定律Q=I2Rt可知，导线连接处与别处串联，在通电时间t和电流I相等的条件下，电阻R越大，电流通过导体产生的热量Q就越多，因此导线连接处往往比别处更易发热，加速老化，甚至引起火灾。同样在开关、保险丝、端子排等接头处，也都存在接触电阻，所以这些地方最容易因过热而引起事故。因此在此装置中采用材料、形状、大小完全一致的金属片，来达到增长使用寿命，使用寿命一致以及加大安全系数的目的，并且拥有互换性高的优点。而且金属片的弹性要求很高，在选材上需要多次实验，保证装置的安全性。

图3 弹性金属片设计

3 插头设计

在本设计中两弹性金属片有一定距离，插座平时处于断电状态，使用时需要让两金属片相碰才能够使插座通电，因此与插座配套使用的为带有凸起的专用插头，如图4所示。当使用带有凸起的专用插头时，凸起部分能够推动装置内的滑块，将插头的垂直运动变为滑块的水平运动，滑块运动使两金属片接触，电流通路，插座带电。即实现了插座在有插头插入时自运通电的效果。

图4 插头设计

为了保障插座的通用性，需要格外配有插头套，在使用普通插头时，将设计好的插头套安装在插头上，使原有的用电器也能在插座中使用，不用特意更换插头。

4 手动旋钮设计

由于此款防触电插座的防触电装置需要配合专用插头使用，但是家庭里有很多电器是普通插头，短时间内无法更换用电器，为了保证防触电插座的通用性，让普通插头也可以使用，因此本产品在插座上装有手动调节旋钮，如图5所示。旋钮原理和螺栓类似，材料为绝缘塑料。用极小的一字螺丝刀扭动旋钮，扭动15圈可以有效防止家里小孩因好奇扭动旋钮，发生触电事故，而且需要极小的一字螺丝刀，徒手是无法扭动的，并且绝缘塑料的材质不仅仅保证了使用者的安全，还降低了成本。旋钮顶住挡板，扭动旋钮使挡板下压，弹性金属板受力弯曲，两金属板接触，插座通电，这时普通插头也可以使用。使用后需要将旋钮复位，保证插座安全性与通用性。

图5 手动旋钮设计

5 结束语

该闲时自动断电插座能够在拔下插头时，即插座的非工作时间自动切断插座的电源，从而在一定程度上降低触电事故发生的可能性，提高了用电的安全系数。通过机械结构及电路改进使插座在平时根本不带电，只有配有的专用插头插入时才会启动插座。即使不小心碰到插座内部，由于插座不带电也就从根本上做到了防触电。另外，该插座的结构简单，减少了防触电挡板，让插座盒内部的空间得以释放，空余的空间为插座的多功能化提供了便利，可以在空间内进行其他功能的开发利用，比如增加功率显示功能、远程遥控的功能，为插座在现如今的社会智能化方向上发展提供了条件。除此之外在造价上成本低廉；采用机械式结构，可靠性高，需要插头及插座的双向配合，相当于为用电安全上了两把锁，机械结构不同于电子元器件，其可靠性更高，并且此款插座磨损程度小，有效增加了插座的使用寿命，因此应用前景较好。