二極插座保護門結構優化設計

何安民 蘭慶明 張 靖

（浙江德力西國際電工有限公司 杭州 310024）

前言

二極插座是國標插座系統中極為重要一個插座型式，而二極插座的保護門更是二極插座系統中的核心結構。在日常生活中二極插座使用的頻率極高，既需要符合國家標準所規定的防觸電保護測試、正常操作測試，還要滿足日常生活中的各種環境下的正常使用，以及帶給用戶良好的使用體驗感。因此設計并生產出一個好的二極插座可以體現生產廠商的技術實力，并影響著每一個人的日常生活電器使用。

在二極插座系統中保護門常見種類有扭簧旋轉式保護門、對插雙片型保護門、單片斜面式保護門。本文所述為應用最為廣泛、數量最多、成本最低的單片斜面式保護門。

1 標準要求

防觸電保護標準要求。GB/T 2099.1第10.1條：插座應能做到當插座按正常使用要求安裝和接好線后，帶電部件是不易觸及的。用IEC 61032中的試具B標準試驗指，施加到各個可能的位置上，電指示器顯示試驗指與相關部分的接觸情況。在此附加試驗期間，電器附件要經受75 N的力達1 min，此力是通過IEC 61032的試具11的直的無節試驗指的端部來施加的。

插座保護門對防觸電保護的測試要求。GB/T 2099.1第10.5條[2]：帶保護門的插座在結構上還應做到用20 N和1 N的探針施加到與帶電插套對應的插入孔，應不接觸到帶電部件。插座在結構上應做到，當插頭被拔出時，帶電插套能自動被遮閉。

2 用戶體驗及測試要求

插座產品在正常安裝后，二極插座在使用時，插頭垂直于插孔90 °，不需搖動即能順利插入，使用戶使用體驗更便利。

由于實際使用環境的不確定性，用戶未能使插頭垂直于插孔使用時，要求當插頭傾斜一定的角度時亦能夠順利插入。

為了提升用戶體驗，二極插頭插入時保護門打開的推力要輕。

裝配工藝要求彈簧對保護門的保持力≥0.3 N，使其在裝配過程中不會散落。

國標的正常操作測試為機械插拔，其插頭插入時是垂直于插孔90 °，測試過程中保護門能順利打開，插拔次數5 000次。

3 保護門外形尺寸設計影響因素

3.1 保護門厚度

保護門的強度。保護門需要經過5 000次的帶載插拔，以及75 N的試具11防觸電測試。

不接觸規。插套至插合面的距離，國標GB/T 1002的規定單相插座中的插套離插合面的距離應不小于8.45（+0/-0.05）mm，用不接觸規檢測判定[1]。因二極插頭插銷長度為16 mm，為保證插頭的插銷與插套有足夠的接觸長度（影響插拔手感、電性能）又要能滿足國標規定的安全距離。考慮到裝配疊加公差影響，插套距離插合面的距離推薦值通常控制在9～11 mm之間（在保證保護門的斜度與插套接觸長度之間平衡）。

插套接觸長度。國標規定二極插頭的插銷長度尺寸為16 mm。插頭的插銷與插座的插套連接，其功能要求是電氣連接性能與安全良好（電氣壽命高、溫升低、插拔手感體驗好等），這就要求插套與插銷的有效接觸：接觸行程合理，夾持力良好。（GB/T 2099.1第22.2條規定二極插座的最小拔出力多插銷為40 N，單插銷最小拔出力1.5 N，單插銷最大拔出力17 N）。通過多次的驗證，插銷與插套的實際接觸行程通常需＞4 mm（圖1）。當實際接觸行程偏小時，會影響插銷與插套的實際載流面積，以及用戶插拔手感。

圖1 接觸行程示例

插座蓋的厚度。墻壁開關的插座蓋通常分單層和雙層。單層式插座蓋的通常是功能件的蓋直接作為外觀件，厚度約1.5～2.0 mm左右。雙層式插座蓋的外觀面蓋通常是整體式，功能件的蓋僅僅是作為固定板使用，雙層式插座蓋由于有2層塑料蓋，故其疊加厚度比單層式厚，一般取值3.0 mm左右。

3.2 保護門長度

保護門長度＞最大插孔寬度（圖2）（GB/T 1002圖2、表5），推薦值為＞24.6 mm。

圖2 最大插孔寬度

L/N插套最大外輪廓尺寸（圖3）。保護門長度＞插套最大外輪廓。

圖3 L/N插套最大外輪廓尺寸

3.3 保護門寬度

國標GB/T 1002標準規定了二極插座的插孔寬度尺寸為7.3（+0.22/-0）mm，為了滿足第1.2條所述的探針測試，保護門需要屏蔽遮蓋住插孔，使插座內部的帶電部件不被探針接觸，保護門寬度尺寸＞7.52 mm。

4 單片斜面式保護門防觸電結構原理

4.1 保護門結構原理

單片斜面式保護門（圖4）對應插座插孔面是斜面機構，下方設置有滑軌，斜面反方向設置復位彈簧。

圖4 單片斜面式保護門

正常插頭插入使用：當插銷插入推力作用在保護門斜面上時，保護門沿著滑軌向后移動，直至插孔漏出，插銷順利插入（圖5）。當拔出插頭時，保護門在復位彈簧力的作用下復位，從而遮蔽住插孔內的帶電插套。

圖5 保護門打開結構

4.2 小角度插入要求

小角度傾斜插入確保正常使用：當用戶因為使用空間等環境因素、手拿插頭的隨意性導致未做到插頭面與插座面垂直插入時，同樣要求用戶能夠方便插入，經過人體工程學模擬以及多次實驗人員手動體驗驗證，當保護門傾斜角度尺寸A在0～4 °（圖6），防單極插入止位凸臺不起阻擋作用時即能滿足日常絕大部分場合環境下使用。

圖6 尺寸A

4.3 防單極要求

防單極插入或異常導電體插入。當插座在防觸電測試或意外使用導體插入插座的單個插孔時，保護門應能遮蔽插座內部的帶電部件，防止帶電部件被觸及而引起意外觸電傷害。插座在保護門被單極插入傾斜達到一定角度時，防單極止位凸點開始作用，以阻止保護門滑開。

接合小角度傾斜插入情況下所述的尺寸A的0～4 °度要求，再考慮到機械測試插頭對保護門的推力偏大時保護門會產生一定的下彎變形情況下保護門能正常打開，故推薦防單極止位凸點的作用角度尺寸B推薦為5～6 °（圖7）。

底座（或支架）的防單極結構：當保護門旋轉傾斜到其最大角度時，防單極止位凸點與保護門重合的高度尺寸C應＞0.5 mm（圖7），防止保護門受力往后滑移時，防單極止位凸點有足夠的強度保證插座內部的帶電部件不被接觸。

圖7 尺寸B/C

底座（或支架）的防單極結構：當保護門復位狀態時，垂直方向保護門應與防單極止位凸點有適當的間隙，此間隙尺寸D （圖8）推薦值為0.5～0.6 mm，根據實際結構取值，原則一是保護門前端與插座孔前壁縫隙不能通過φ1 mm的探針；二是單極插入時保護門的旋轉傾斜不能直接被防單極止位凸點頂住，會造成防單極失效。

圖8 尺寸D

保護門防單極插入結構：其一，在保護門上增加凸點（圖6），使其與插座蓋板的插孔形成防單極功能，其優點是同時增加保護門的斜坡角度，降低插入力，改善插入手感，但保護門的小角度傾斜插入使用及防單極結構尺寸應符合尺寸A、B、C、D的要求。其二，在保護門前端設置小平臺，防止探針測試時因保護門斜面滑入。

蓋板防單極插入結構：在探針測試時，保護門的前端與蓋板接觸面是高風險區，故蓋板與保護門前端應確保在保護門最大傾斜角度下是重合屏蔽內部銅件的（圖9），防止探針從蓋板與保護門前端的縫隙插入。

圖9 蓋板防單極重合區

在保護門蓋板上設置類似于底座或保護門支架的凸臺（圖10）。

圖10 蓋板防單極凸臺

4.4 保護門的定位

保護門應防止其在底座（或支架）與保護門蓋之間位移產生超出探針直徑的縫隙。在保護門上方設置導軌或滑槽，蓋板上應設置限制保護門脫出導軌或滑槽的限位筋（圖11），但不能妨礙保護門的傾斜旋轉。保護門垂直方向的配合間隙推薦值0.5 mm。

圖11 保護門的活動定位

5 單片斜面式保護門插入力及防觸電的仿真分析

5.1 對象及變量（圖12）

圖12 仿真設計條件

仿真初始條件設置中。元件、底座、蓋板、面板設置為塑料，插片設置為銅，探針設置為鋼，彈簧設置為65 Mn。其中彈簧剛度為0.369 N/m，初始壓縮賦予載荷為0.601 N。

5.2 仿真結果與失效分析

根據表1所示：單片斜面式保護門，并不是斜面角度越大越好，需要其它部位的配合尺寸合理，才能在插入插頭時順利滑開；保護門彈簧在工作長度時的力，達到0.6 N即能滿足保護門的防探針要求。

表1 仿真驗證數據

圖13 仿真失效狀態

6 總結

通過上述各方面的分析，二極插座保護門的設計即要滿足防觸電安全要求，又要降低插入力提高用戶體驗。需從以下方向進行優化改善：

材料方面：選擇帶有自潤滑性、防火，強度高的；防觸電保護：保護門與關聯裝配件配合，保護門本體結構細；插入力：保護門彈簧的力，保護門的斜面角度及其本體結構。