GB/T 2099.3-2015中14.23.2條款插頭附加力矩量規設計

江朝軍 劉水強 蔡軍 李忠耀 劉 陽 陳 鵬

（1.公牛集團股份有限公司 慈溪 315314； 2.中國質量認證中心 北京 100000；3.中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

GB/T 2099.1-2021[1]《家用和類似用途插頭插座 第1部分：通用要求》已于2021年10月11日發布，而標準GB/T 2099.3正處于新版本的起草階段，本文想通過對附加力矩量規的研究結果，推薦給標委會引入一種量規，用來測試本標準中第14.23.2條款中的“力矩”試驗。

1 研究背景

1.1 標準背景

目前我國現行轉換器產品國家推薦性標準為GB/T 2099.3-2015[2]；在本標準第14.23.2條款中，要求轉換器要進行“力矩”試驗。并明確，要采用滿足標準要求的插頭進行相應的試驗。同時，在本條款注2中明確“代替相應的插頭和線纜的量規，正在考慮中。”

而國際上，針對轉換器產品的力矩試驗，有部分國家標準，明確了附加力矩試驗用量規。分別是BS 1363-3:2018[3]和 NF C 61-314:2017[4]，其中，BS 1363-3標準在1995版本中附加力矩測試已有量規測試的要求，NF C 61-314:2008版本中BB 14.23.2注2中描述：正在研究一種量規，以取代相應的插頭和軟纜，隨后在NF C 61-314:2010版本中BB 14.23.2已增加附加力矩測試量規。

1.2 現行標準轉換器力矩試驗情況說明

GB/T 2099.3標準規定：“轉換器的每個插座應先插合相應的插頭，插頭帶有一根長1 m、符合60227 IEC 53 （RVV）標準的圓軟纜，其標稱橫截面積為0.75 mm2。”轉換器力矩試驗要配有標稱橫截面積為0.75 mm2軟纜的插頭插入轉換器進行試驗。插頭的質量與插頭外形帶來的“力臂”，將對試驗結果產生影響。由于我國插頭插座標準的歷史背景以及和插頭插座產品特殊的市場情況，GB/T 1002-2021[5]標準也未對插頭的外形有規定。因此在進行力矩試驗時，選擇哪一種外形和質量的試驗插頭，可能影響試驗結果。

本文選用兩種典型試驗插頭，90 °彎插頭和180 °直插頭，對市場上常見的轉換器進行附加力矩測試對比，來驗證是否存在影響。經過100多組的測試結果對比，得出結論：

1）多位轉換器只插入180 °直插頭測試結果如下：在“一轉二位”轉換器及以上都用180 °直插頭進行測試，市場上的轉換器基本超出現有標準要求值。

2）多位轉換器只插入90 °彎插頭測試結果如下：在“一轉二位”轉換器及以上都用90 °彎插頭進行測試，市場上的轉換器90 %未超出現有標準要求值。

3）多位轉換器同時插入180 °直插頭與90 °彎插頭測試結果如下：在“一轉二位”、“一轉三位”轉換器通過兩種類型的插頭組合測試，分析得出：當轉換器上插合兩個180 °直插頭，市場上現有的產品約有87.8 %比例超出現有標準要求值。

綜上所述，插頭的外形與質量，將對試驗結果產生較大的影響。

2 英/法式轉換器標準力矩測試要求說明

2.1 BS 1363-3:2018標準針對轉換器的力矩測試要求

英式轉換器力矩測試要求用量規測試在BS 1363-3:1995版本中就已經有要求，測試方法按照13.10條款進行，測試用量規按照標準Figure 35（見圖1）。附加力矩值要求不能超過0.7 N·m。英國插頭外形類型均為90 °平插頭，其量規設計均按其外形設計，量規的整體材質采用黃銅材質，插頭量規中R15部分是用來調節量規的扭力，M5部分是用來連接平衡配重砝碼，平衡配重砝碼B是模擬1 m 線長1.5 mm2電源線質量，平衡配重砝碼C是模擬1 m 線長0.75 mm2電源線質量。

BS 1363-3標準測試方法與GB/T 2099.3標準測試方法上相差比較大，其量規的設計是組合的方式，不同的插頭量規加上不同規格平衡配重砝碼，故國標附加力矩量規的設計不參考英式附加力矩量規設計要求。

2.2 NF C 61-314:2017針對轉換器的力矩測試要求說明

NF C 61-314:2008標準中BB 14.23.2注2中要求：正在研究一種量規，以取代相應的插頭和線纜。在下一版本NF C 61-314:2010 Annexe BB.14.23.2（見圖2）中增加了附加力矩試驗量規的尺寸、質量的要求以及附加力矩測試裝置。附加力矩值要求不能超過0.25 N·m。法式插頭外形類型主要分為90 °彎插頭和180 °直插頭。分析其量規的尺寸及其質量，量規主要分為插頭主體和附加配重砝碼兩部分，插頭主體部分的材質為密度2.9 g/cm3的鋁，插頭的插銷和附加配重砝碼的材質為密度7.85 g/cm3的鋼，其中附加配重砝碼是模擬1 m 線長0.75 mm2線纜的質量，量規整體尺寸是模擬插頭的長度。

圖2 NF C 61-314:2010 Annexe BB.14.23.2

NF C 61-314與GB/T 2099.3均屬與采用修改IEC 60884標準，本文可以在轉換器標準設計附加力矩量規時，可參考借鑒法式附加力矩量規的設計思路。

3 我國居民轉換器產品實際使用場景調研及驗證

3.1 家用電器插頭類型

對25戶家庭正在使用的家用電器插頭類型做了相應調研。本次調查得出：家庭里的常見的電器主要分為33款大類，其中家用電器彎插頭約占比63.6 %，單相兩極直插頭約占比27.3 %，單相兩極帶接地直插頭約占比9.1 %，家用電器的插頭類型彎插頭占比較大。

調研顯示：

1）90 °單相兩極帶接地彎插頭使用場景相對較多；

2）180 °單相兩極帶接地直插頭的使用場景較少；

3）90 °單相兩極彎插頭使用場景較少；

4）180 °單相兩極直插頭使用場景相對較多。

3.2 我國居民轉換器產品實際使用場景

對家裝插座使用的高度要求做調研，轉換器的使用場景更多的是在臺面或桌面上。在臺面或桌面上使用情況下，插入轉換器的插頭的線纜會受到外力支撐，插頭軟纜對轉換器本體的“拖拽”情況較多，轉換器不易從插座中脫出，也即轉換器實際被施加的力矩值較小。

綜合家用電器插頭類型及轉換器使用場景，本文以10 A 、16 A 90 °單相兩極帶接地彎插頭、10 A 180 °單相兩極帶接地直插頭、10 A 180 °單相兩極直插頭這四類插頭作為研究對象。

4 國標轉換器力矩試驗附加力矩量規設計思路與量規參數說明

4.1 附加力矩量規設計方案前相關驗證

“一轉二位”、“一轉三位”的轉換器是最為基礎、也是目前家庭常見的轉換器類型，市場數量占比約60 %以上。選用這兩種類型的轉換器進行附加力矩的驗證具有代表性。

通過上述場景調研數據可得出：轉換器中插合2個180 °直插頭，超出標準規定值上限的概率約為87.8 %；因此量規設計時，應考慮以90 °彎插頭為主，再加上一位180 °直插頭。

我國轉換器力矩試驗附加力矩量規設計時，應考慮模擬上述插頭實際情況，綜合考慮量規的質量以及外形。

4.2 附加力矩量規質量參考因素——電源線部分線路參數與質量確認

GB/T 2099.3標準中對電源線線纜的要求為：長度1 m，符合60227 IEC 53（RVV）標準的圓軟纜，其標稱橫截面積為0.75 mm2。依據GB/T 5023.5-2008［6］標準表9中對2×0.75 mm2線纜外形尺寸要求：下限5.7 mm，上限7.2 mm；對3×0.75 mm2線纜外形尺寸要求：下限6.0 mm，上限7.6 mm。經過市場上此規格電源線的調研，3×0.75 mm2電源線線纜外形尺寸的均值為6.8 mm，處于標準上下限的中位值上，我們市場上隨機抽取線纜外形尺寸6.8 mm十款電源線，對其1 m線長質量進行稱量（見表1），其平均值為64.8 g，其值近似等于法式附加力矩量規的附加砝碼質量；2×0.75 mm2電源線線纜外形尺寸的均值為6.4 mm，處于標準上下限的中位值上，我們市場上隨機抽取線纜外形尺寸6.4 mm十款電源線，對其1 m線長質量進行稱量（見表1），其平均值為54.2 g。

表1 計量表

因此設計轉換器力矩試驗附加力矩量規時，應考慮一個附加砝碼，其質量分別取65 g和55 g，用以模擬插頭的軟纜重量。

4.3 附加力矩量規質量參考因素——插頭部分參數與質量確認

設計轉換器力矩試驗附加力矩量規時，同時應考慮設計一個量規本體，用以模擬插頭本體（去掉軟纜）部分重量以及外形厚度所施加的“力臂”。

對90 °彎插頭本體（去掉軟纜）進行測量（見表2），量規主體部分質量取40 g（最大值取整），插頭量規全長30 mm（同時與法式量規全長設計參數保持一致）。

表2 測量數量

對180 °直插頭本體（去掉軟纜）進行測量（見表3），量規主體部分質量取40 g（最大值取整），插頭量規全長取39 mm。

表3 測量數量

4.4 附加力矩量規其他參數設計說明

1）量規中插銷尺寸參數選擇：采用GB/T 1002-2021的尺寸參考值。

2）量規外形尺寸參數選擇：單相兩極帶接地附加力矩試驗用量規外形參考GB/T 1002-2021中的圖3插頭外形示意圖；單相兩極附加力矩試驗用量規外形參考我國常見插頭外形。

圖3 驗證數據

3）量規材質以及其他參數選擇：為使量規本體材質耐腐蝕磨損，以及方便機械加工，量規本體材質由鋁材和鋼材構成，相關參數直接參考法式NF C 61-314:2017標準中 Annexe BB.14.23.2。見本文圖2中對附加力矩試驗量規的尺寸、質量的要求。

4.5 附加力矩量規模擬測試數據與插頭測試數據分析比較

根據以上設定的量規設計參數要求，設計出首款轉換器附加力矩用插頭量規，進行附加力矩等效對比驗證，驗證數據（見圖3），并對驗證結果進行方差分析，得出P值遠小于0.05，可認為此設計的量規代替90 °彎插頭電源線方式是可靠的。

通過以上參數要求，重新設計附加力矩插頭量規，進行附加力矩等效對比驗證，驗證數據（見圖4），并對驗證結果進行方差分析，得出P值遠小于0.05，可認為此設計的量規代替180 °直插頭電源線方式是可靠的。

圖4 驗證數據

4.6 附加力矩量規設計方案說明

對10 A單相兩極帶接地等效量規設計方案：

1）目前第三方、企業實驗室在轉換器力矩測試過程中較少全部使用180 °直插頭進行測試；

2）經實際使用場景調研，轉換器在使用過程中同時使用兩個或以上的180 °直插頭場景很少；

3）考慮到雖然180 °直插頭使用場景少，但也會存在，故基于90 °彎插頭和180 °直插頭在同時使用的情況比例下，設計一個量規等效來代替同時插合一個180 °直插頭和兩個90 °彎插頭場景下的量規。

結合90 °彎插頭和180 °直插頭參數，量規的全長取33 mm，其值算法是30 mm+（39 mm-30 mm）/3 mm= 33 mm。

采用相同的驗證設計思路，分別對10A兩極180 °直插頭電源線、16 A三極90 °彎插頭電源線進行分解測試，測試結果（見圖5、圖6）。

圖5 測試結果

圖6 測試結果

根據測試完成的參數，設計相對應的量規進行附加力矩等效對比驗證，驗證數據見圖7，方差分析得出P值遠小于0.05，認為量規代替插頭電源線的方式是可靠的。

圖7 驗證數據

綜上所述，我們通過方差分析的結果認為，根據對應的插頭電源線參數設計出的量規替換原有的插頭電源線的方式是可靠的。推薦在標準GB/T 2099.3的14.23.2第1段內容之后增加：對轉換器，轉換器的每個插座應先插合相應的附加力矩量規（見圖8、圖9）。圖8、圖9是指標準中對應的圖號。

圖8 第14.23.2章單項兩極附加力矩插頭量規

圖9 第14.23.2章單項兩極帶接地附加力矩插頭量規

5 結束語

結合我國現行轉換器國家標準GB/T 2099.3-2015的未來修訂方向，綜合轉換器實際使用場景和我國市場上常見插頭類型及參考國際先進試驗方法，設計出轉換器力矩試驗附加力矩量規；采用該量規進行測試，加夠保證附加力矩檢測結果的均勻性和一致性，對標準試驗方法進行有效補充，促進相關標準被更廣泛的企業采納。