探究插座接線端子燒毀的故障現象

江朝軍 余 嘉 李 平 勵華東 鄒 春 李 彥 謝蔚蔚

（公牛集團股份有限公司 檢測中心 慈溪 315314）

引言

插座是由絕緣材料和導電金屬構成的電器附件，其中絕緣材料的功能主要是固定導電金屬的位置和保護導電金屬不被外露，而導電金屬則是作為整個插座功能的核心部分，為插座提供電氣連接。

國家標準GB/T 2099中對插座的絕緣材料和導電金屬設計了很多試驗進行驗證。

接線端子是為可拆線插座提供電氣連接的一種方式，其好處在于接線方便，無需使用過多工具即可實現，同時可以根據自己的需求對電源線進行更換。然而，導線在端子中的連接狀況，直接關系到插座是否會過熱，導致插座燒毀等現象。對于移動式插座，在國家標準GB/T 2099里面有規定端子應可靠的連接導線，而且應連接軟銅導線，并且在使用中也不會產生過度的發熱，在該標準19章的溫升這一條款中規定了端子的溫升不能超過45 K（K為熱力學單位，表示開爾文溫度），由于一部分人對電氣連接的概念理解的并不太深，所以，在接線時也不會太注重接線的可靠度，經常出現擰緊的力太小，導致連接松脫，或是用力過大，使導線擰斷。也有一部分人對于導線的材料特性不夠理解，比如，銅線比鋁線的導電性能更好，韌性更好，而他們并不在意，而是隨意的選擇鋁線進行連接。

基于這些狀況，我們對這些現象進行模擬，再現插座燒毀的故障現象。

1 試驗解析

在GB/T 2099.1中主要從兩個方面對產品進行了安全和性能方面的檢測，分別為絕緣材料和導電金屬的驗證。

對于絕緣材料，涉及了軟線的夾緊，絕緣材料的耐熱，耐非正常熱和耐燃，以及耐漏電起痕等試驗。

關于軟線的夾緊：應使軟線與插座連接的端子和端頭不受到擰絞,確保軟線不會因為軟線受到額外的應力而使電氣連接松脫或是斷開。

關于絕緣材料的耐熱：將產品放在100 ℃±2 ℃的高溫下，1 h之后，產品不會發生過度的變形或軟化，而使得帶電部件變為易觸及的，或是最大功率、警告語等標志變得模糊不清；并且，產品還應能經受球壓試驗，對于將載流部件保持在正常位置的絕緣材料，應在125 ℃ ±2 ℃的環境下進行試驗，該試驗確保了產品在受到熱應力時，不會發生過度變形或軟化，使得帶電部件極性之間，或是帶電部件與易觸及的金屬或絕緣材料之間形成電氣連接，從而發生短路或是觸電的危險。

關于耐非正常熱和耐燃：產品應能在過熱的條件下不會引起插座起火，譬如帶電部件的短路產生的電火花不會使插座的絕緣材料起燃；并且，在存在起燃風險時（如灼熱絲試驗起燃時間超過2 s），還應對其進行針焰試驗，直接以引燃絕緣材料的方式對其進行驗證，保證產品在起燃后，不持續施加熱源時，不會有絕緣材料持續燃燒超過30 s，此試驗在于考察絕緣材料的阻燃性能，在產品起燃后，不會有火勢蔓延的風險，從而規避火災現象的產生。

關于絕緣材料的耐漏電起痕：產品的絕緣性能應足夠，以避免由絕緣材料產生的電氣連接或擊穿現象。因此，材料的耐電痕化的能力就顯得尤為重要，如果材料的耐電痕能力太差，那么，絕緣材料將不再絕緣，而是一個電阻稍大的導電體了。耐電痕的試驗是指絕緣材料經受化學試劑的腐蝕變化，不會使電極間產生較大的電流或是產生燃燒現象。

對于導電金屬，涉及了端子的連接，導體間和導體與易觸及部位的絕緣電阻和電氣強度，帶電部件在工作時的溫升，使用過程中的插拔壽命，插頭和插座插合時的接觸力的大小，以及螺釘和載流部件的連接等。從這些方面能夠體現出產品的功能性和安全性。

關于端子的連接：端子是為方便用戶接線或是更換電源線而設計的連接部件，端子的設計應使得電源線能夠鎖緊，并且不會損傷導線，以致于影響電氣連接，導致端子處溫升過高。

關于絕緣電阻和電氣強度：應保證絕緣材料有足夠的絕緣，確保絕緣層不會出現擊穿現象；并且不同極性的導體之間或是帶電部件與易觸及部位之間應有足夠的距離，確保其電氣強度能夠滿足，避免產生擊穿起火的現象。

關于帶電部件的溫升：溫升是為體現產品在正常使用過程中的發熱情況，表示產品通電后的溫度與室溫之間的差值，即為產品發熱所產生的額外的溫度；溫升是體現一個產品電氣性能的一個直接體現，若溫升過高，則產品的安全性能大大降低，長期使用會有熔融的風險，嚴重時可能導致載流極性之間的短路，從而引起著火等現象。

關于插拔壽命：即為標準中定義的正常操作。在標準中，明確規定了插拔的次數和通電的電流，以GB/T 2099.1為例，插座應進行10 000個行程的插拔（5 000個插拔循環次數），在插拔過程中可能導致插座連接的損壞，從而引起溫升變高，產生著火的風險。

關于插頭插座插合時的接觸力：在GB/T 2099.1中被定義為拔出力，在此標準中分為最大拔出力和最小拔出力，最大拔出力是為保證插頭拔出插座時不會過大，不會影響客戶使用的手感；最小拔出力是為保證單極插銷的夾緊力足夠，不會導致接觸不良的情況。

關于螺釘和載流部件的連接：載流部件的連接在插座中主要以端子連接、焊接、壓接等方式來實現。焊接、壓接等方式主要以溫升的方式來確認其連接的可靠性；而端子連接，除溫升的驗證外，還應對螺釘進行擰緊擰松的驗證，確保在今后更換電源線時，不會出現電氣連接松動的現象。

2 試驗設計

接線端子的電氣連接與溫升緊密相連，若接線端子與導線的連接松脫，會使端子與導線的結合處產生較大的接觸電阻，由物理學公式：P=I2R（P為功率，I為電流，R為電阻）可知，當電流一定時，電阻越大，則功率越大，所產生的熱量也越大。而在正常使用時，插座上的負載端電流為額定電流，不會因接線是否良好而改變，若此時的接觸電阻很大，那么就會產生過高的溫度。當溫度達到一定程度就會引起插座的起火，而此時插座絕緣材料的阻燃性能就顯得尤為重要了，若采用劣質材料或是阻燃性較差的材料，就可能有兩方面的危險：一是絕緣材料起燃點低，很容易著火；另一個是材料著火后防蔓延能力差，會出現持續燃燒的狀態，存在引燃其他物件的風險。

為了證明端子的連接可靠程度與插座燃燒的關聯程度，我們將進行一系列的試驗。比如：考慮到所接導線的導電率不同，發熱功率也不一樣，所以需要進行連接銅線和鋁線的對比試驗；端子擰緊與松脫會有不一樣的接觸電阻，因此，需要對不同的連接狀態進行試驗；除了考慮客戶使用時產品本身的連接狀態外，還要考慮端子本身的優劣性，用戶使用過程中可能出現的跌落現象，是否會造成端子連接的松脫，從而產生過大的接觸電阻，并且端子材料的耐熱和阻燃的性能也是有差異的。

由端子本身的優劣，用戶接線的類型和松緊，以及使用過程中的機械沖擊等方面，我們設計了以下三個試驗加以論證：

試驗一：銅線和鋁線的對比；

相同環境溫度45 ℃，相同試驗電壓250 V，相同試驗電流20 A，相同的功率因數0.75-0.8，接線方式都是擰緊，并噴水1min。不同的是接線分別為銅線1.0 mm2，鋁線1.0 mm2。插座同為外殼PP材料，接線端子外殼為PC材料。

如圖1、圖2所示，試驗兩小時后，接鋁線的端子最高溫度達到308.8 ℃，而接銅線的端子溫度最高達到110 ℃；且接鋁線的端子燒融了，而接銅線的端子完好無損。這一現象表明，45 ℃高溫下，當插座進水后，接鋁線的插座會引起插座燒毀。

試驗二：擰緊與松脫的對比；

相同環境溫度25 ℃，相同試驗電壓250 V，相同試驗電流10 A，相同的功率因數0.75～0.8，接線方式分別為1.5 mm2銅線擰緊和1.5 mm2銅線不擰，此處的擰緊僅表示在規定的力矩0.53 N·m下的擰緊。插座同為外殼ABS材料，接線端子外殼為PC材料。

如圖3、圖4所示，端子接銅線螺絲擰緊狀態下，溫度最高為42.5 ℃，端子不擰螺絲的狀態下，銅線的溫度最高為1 100.8 ℃，端子燒融。

試驗三：銅線經過滾筒后的試驗；

圖1 接鋁線

圖2 接銅線

圖3 接線螺絲擰緊

圖4 接線螺絲不擰

環境溫度25 ℃，試驗電壓250 V，試驗電流16 A，功率因數0.75～0.8，接線1.0 mm2的銅線，材料為外殼PP材料，接線端子外殼為PC材料。先經過1 000次的滾筒試驗（模擬插座經過摔打的狀態），再進行溫升試驗。

如圖5所示，進行完滾筒試驗后，劣質接線端子的螺釘明顯松脫，但導線仍能導通，然后進行溫升試驗，最高溫度竟已達到330 ℃，并且端子燒融。

如圖6所示，而對于優質端子，導線無明顯松脫現象，進行溫升試驗后，其最高溫度也僅75 ℃。

3 試驗設備

圖7設備由變頻電源、負載、插拔試驗裝置、噴油噴水裝置、電感調節、控制系統幾個模塊組成。可以實現25～100 ℃的高溫環境，0～100 A的負載調節，0～300 V的電壓調節，實現阻性、感性負載的調節，也擁有噴油噴水的功能；同時可以進行高溫環境正常操作試驗和溫升全程監控試驗。

設備采用觸摸屏和PLC控制系統，可以控制試驗溫度，設置試驗電壓電流等試驗參數。模擬不同的使用環境，如廚房的高溫和油煙模擬，浴室的高溫和濺水或噴水等模擬。模擬不同的負載方式，阻性負載，感性負載，以及過載狀態，多達1 000多組隨意模擬組合，詳見圖8～圖11。

4 結論

經過以上試驗論證，插座的接線端子在接鋁線的情況下，溫度明顯高于接銅線的狀況；擰緊端子的溫度明顯低于未擰緊端子的溫度。因此，如何正確接線，也是規避插座燒毀的重要因素之一。往往人們會忽略這些因素，不規范操作。

在GB/T 2099的標準中有明確規定，可拆線的插座應使用符合GB/T 5013或GB/T 5023的軟銅導線。對于額定值為10 A的插座，接線不超過5 m時，可接上橫截面積為1.0 mm2的軟電纜，若接線長度不超過30m時，可接上橫截面積為1.5 mm2的軟電纜；對于額定值為16 A的插座，接線不超過5 m時，可接上橫截面積為1.5 mm2的軟電纜，若接線長度不超過30 m時，可接上橫截面積為2.5 mm2的軟電纜。若接線長度超過30 m，則不應使用移動式插座進行連接，建議大家使用專業線盤實現通電設備的延長作用。

圖5 劣質端子

圖6 優質端子

圖7 設備整體外形

圖8 操作界面

圖9 負載調節界面

在使用過程中，也應避免在潮濕環境中使用，避免因水汽的因素使帶電體之間形成電氣連接，造成觸電或是火宅等危險。

圖10 測試步驟界面

圖11 測試系統軟件界面