不同材質載流部件組合使用時的承載能力研究

王會玖 鄭立和 王俊夫 陳 翰 尹軍平

（公牛集團股份有限公司 慈溪 315314）

前言

大量電器的出現對產品的電氣連接提出了更嚴格的要求。插頭和插排的組合連接成為了一個主流的電氣連接方式。通過排插取電已經成為當今社會最普遍的取電方式，插排因其體積小巧，價格便宜，取電方便，可以為多個用電器同時供電等優點，所以被廣泛地用于生活，工業中。

插排使用場景豐富，并且與人密切接觸，所以安全就成為研發該產品時的重中之重。因用電器在使用過程中電流的不穩定性，設備啟動、堵轉、短路時可能會產生大電流損壞插排。

通過網絡及面談話方式采訪調查者200人。其中男性調查者120人，女性調查者80人。通過調查發現36 %的調查者考慮安全，25 %的調查者考慮價格，然后再是考慮功能和產品造型。62 %的調查者認為現有插排的安全系數不夠高[1]。

經客戶反饋及研究發現目前市面上的一些插座使用過程中，產品的主要失效形式為：插孔面板燒壞（插套/座子完好）；端子燒壞；無線銅條連接條燒斷（面板/座子完好）三種，如圖1所示。

圖1 產品的主要失效形式

因此研究插排的承載能力不僅使得客戶在使用過程中更加安全，也是一個產品品牌的保證。

1 研究對象和方法

市面上常見的插排內部結構主要由L插套、N極插套、E極插套以及與之對應的導電電線組成，為使實驗結果更加明顯我們將連接插套所用的電線改為導電條，如圖2所示。將其作為本實驗的研究對象。

圖2 插排內部導電結構介紹

在選擇材料時，安全是最大的因素。材料的選擇應按照有關標準選用，并充分考慮各種可能預的危險[2]。所以本實驗采用的連接條材料為紫銅T2，XYK-6、H62。采用的插套材料為XYK-6和QSn4-0.3。

市面上價格紫銅T2>XYK-6>H62。

產品燒壞的問題主要源自于載流部件(本文特指銅質插套與銅質連接條)發熱，給載流部件通一定的電流，因載流部件存在電阻，會發熱，使得其溫度上升，當其溫度上升至材料熔點（熔點：固態液態的溫度臨界值）或者相鄰零件的熔點，載流部件或與之相鄰的零件開始熔化。

根據熱學公式：

其中：

c—比熱容；

m—導體質量；

S—導體橫截面積；

I—通電電流；

ρ—電阻率；

L—導體長度。

由此可知載流部件的熔斷與其自身的材料性質和長度，橫截面積等有關，除此之外還與通電的電流有關。根據實際反饋發現相似結構的插座其毀壞率差異較大，分析發現其載流部件材質不同。所以假設載流部件的材質是影響插座載流能力的重要因素之一。

本文實驗通過更換產品內部的插套以及連接條的材質，通過不同材質載流部件的組合使用來驗證其對產品承載能力的影響。

研究不同材料載流部件組合的電流承載能力，不但能在產品研發中對載流部件的選擇提供有力的支持，還能結合產品的成本選出合適成本范圍內載流能力最強的方案。

2 試驗數據及分析

2.1 實驗過程

插排的損壞大多見于工業取電中，工業產業設備如電鎬、電焊機、切割機，手持電鉆，手持切割機等在設備啟動瞬間電流峰值可以提升5～8倍，可以達到96 A左右。為了使實驗結果更加明顯將本實驗設備的最大電流136 A作為實驗的電流。

1）做一組實驗，驗證載流部件的熔斷與其自身的長度和通電的電流有關。

我們選用材料為H62連接條和材料為QSn4-0.3的插套。將L連接條和N極連接條短接，具體實現方式是用一根導線在導電條末端用焊錫的方式將兩者短接。從通電開始計時，記錄連接條熔斷所需時間。

改變L極連接條的長度（分別選用長度為105 mm和長度為132.2 mm）來驗證載流部件的熔斷與自身長度的關系。

改變通電電流（分別選用115 A和136 A的電流）來驗證載流部件的熔斷與自身長度的關系。

2）做一組實驗，觀察紫銅T2，XYK-6、H62的熔斷情況。

通過改變連接條的材料（保證其余特征相同），將L連接條和N極連接條短接，通以相同大小電流（選用設備所能提供的最大電流136 A），記錄熔斷所需時間。

3）做一組實驗，觀察材料分別為紫銅T2，XYK-6、H62的連接條與材料為XYK-6和QSn4-0.3的插套組合使用時的熔斷情況。這組實驗采用插套短接方式使電路短路。具體實現方法是采用一個L與N極直接連接的插頭插入插套實現。

本實驗對每組數據做5～10次，去除異常數據后，取平均值作為試驗的最后結果。

2.2 實驗數據及結果分析

實驗數據見表1。

表1 實驗數據記錄

通過1、3組實驗數據，可以發現銅件熔斷開始時間與通過其電流大小成負相關，符合實驗的依據。

通過2、3組實驗數據，可以發現銅件熔斷時間與其長度成負相關，符合實驗依據。

通過2、4、5組實驗數據，得相同情況下，紫銅T2開始熔斷時間大于XYK-6，且都大于H62的熔斷時間。所以相同實驗條件下載流部件承載能力紫銅T2優于XYK-6，且都優于H62。

將插套材質換成XYK-6的情況下，分別用材質為H62、紫銅T2、XYK-6的連接條與之組合研究，在插頭短接情況下觀察其熔斷情況。得出數據6、7、8。

將插套材質換成QSn4-0.3的情況下，分別用材質為H62、紫銅T2、XYK-6的連接條與之組合研究，在插頭短接情況下觀察其熔斷情況。得出數據9、10、11。

通過6和9對比，7和10對比，8和11對比，可以得出當插套材質為XYK-6時連接條的材質開始熔斷時間大于插套材質為QSn4-0.3的情況。

通過以上實驗，我們可以發現當連接條材料為H62時在10 s時間以內連接條便會熔斷，承載能力不理想。所以初步選用連接條材質為分別為紫銅T2和XYK-6，插套材質為XYK-6的組合。

考慮到136 A電流與實際啟動瞬間96 A的電流差距，在兩者中間取一個中間值115 A，將7、8號實驗的電流值改為115 A，其余實驗條件不變，得12、13組實驗數據。

由此數據可以得出在電流為115A情況下，連接條材質為紫銅T2和XYK-6，插套材質為XYK-6時，實驗結果一致，都可達到80 s沒有熔斷。

3 實驗結論

通過實驗發現銅件熔斷開始時間與通過其電流大小成負相關，與其長度成負相關。通過更換連接條和插套的材料，結合工業中電器的最大電流可以得出連接條材質為紫銅T2和XYK-6，插套材質為XYK-6時，產品不易燒毀。結合成本分析可知，紫銅T2的價格高于XYK-6。所以在生產方面選用連接條材質為XYK-6，插套材質為XYK-6的方式為最優解。

本實驗的實驗結果可以為后續插排產品的研發提供一定的實驗支持，實現在成本和質量方面的同步保證。