电源插座是如何传输电的?

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电源插座是如何传输电的?

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Patrick Zhang,电气工程师

先说答案:插头插座之间是依靠电接触实现电能传递的。


我给题主科普一些有关电接触的知识吧。

1.先来一番科普

我们看下图:

图 1:插头和插座的内部

当插头插入插座时,插头的插片与插座的弹性接触铜片接触,并发生摩擦,继而去除掉插片上的氧化层,实现电接触。可见,插头与插座之间是通过电接触传递电能的。

我们从中学化学中就知道,电接触金属材料暴露在空气中,它们的表面是会氧化的,一旦氧化后,接触电阻就会增加。此外,尘埃覆盖也会产生尘埃膜,还有无机膜和有机膜。这些膜的统称叫做表面膜。

从膜的导电性看,主要有两类性质完全不同的表面膜。一类为绝缘膜,这类膜的电阻率非常大,约为。另一类为导电膜,这类膜的电阻率为数量级,厚度为数量级,电子可借“隧道效应”透过薄膜而导电,这类膜由“吸附”效应产生,故又称为吸附膜。

常见的插头插座内部都采用铜片作为导电材料。氧化铜的电阻率非常大,例如氧化膜的电阻率可达,且随着温度升高,氧化膜的厚度迅速增加,使得接触电阻成千倍地增加。故对于铜 - 铜的电接触,必须加大接触压力 F,把氧化膜压碎,以降低接触电阻。

我们看下图:

图 2:电接触的三要素

我们仔细看图 2,当插头的插片或者插杆推入插座时,插片或者插杆与插座的弹性电接触弹片之间存在摩擦过程。同时,弹性电接触弹片施加了力 F 作用在插片或者插杆上,利用摩擦磨碎氧化层。在这个过程中有三要素,其一是电接触的材料系数 K,不同的材料有不同的 K 值;其二就是接触压力 F,其三就是接触形式。一般地,如果电接触为点接触,m=0.5;如果电接触为线接触,m=0.5 到 0.8,一般取值 m=0.7;如果电接触为面接触,则 m=1。

我们看材料的 K 值,如下:

图 3:材料的 K 值

图 3 中,我们看到铜 - 铜接触的 K=100,银 - 银(或者铜镀镍 - 铜镀镍)K=60,镀锡铜 - 镀锡铜的 K=100,最大的是黄铜,黄铜 - 黄铜的 K=670,比铜 - 铜的 K 值大了 6.7 倍!

我们看接触电阻的计算经验公式,如下:,式 1

注意式 1 的单位,是μΩ,即微欧!

我们设插座弹性接触铜片对插头插片的接触压力是 20N,差不多两瓶矿泉水的压力。因为是线接触,取 m=0.7。因为是铜 - 铜电接触,故材料 K 系数取值为 100。我们把这些值代入到式 1 中,看看接触电阻是多少:

注意到图 2 中插片或者插杆插图弹片时其接触面有两面,接触电阻是并联关系,实际接触电阻只有 60.70 微欧的一半。我们再设插头插座组合的额定电流是 10A,于是电接触产生的接触电压为:,差不多 0.3 个毫伏。

知道了接触电压有何用?我们可以计算插头插座组合的运行温升或者运行温度。计算方法如下:

我们先看 10A 的插头尺寸,见下图:

图 4:插头插片的尺寸

我们设此插头的综合散热系数,环境温度是 25℃,流过的电流是满载 10A。插头插片截面周长,插片截面积,则插头单个插片产生的温升τ为:

插片与插座电接触弹片之间的温升τj 的计算式是:,这里的 Uj 就是接触电压,L 是劳伦兹系数,它的值为;T 是插片的绝对温度,其值为:

代入到τj 的计算式中:我们由此得到结果:

插头插片的温度是:

插座弹性电接触簧片的温度是:

我们看到,插头和插座中的单根插片在满载时的温度比环境温度仅仅升高了 1.4℃和 1.6℃。考虑到 2 根插片同时工作,其温度升高值不会超过 3℃。

2.探讨题主的问题答案

电源插座依靠的是电接触传递电能。传递电能必然会带来插头插座组合的温度上升,如果在满载条件下其温度升高值符合技术参数规定的最高值,则此插头插座组合在传递电能时工作是稳定的。

我们由此看到,必须确保插头插座组合的接触电阻较小。为此,对于长期工作的插头插座组合,例如电冰箱的插座,需要定期(大概三个月到半年)把冰箱插头在停机后反复拔插几次,以去除掉插头插片和插座弹片上的氧化层,这样才能确保插头插座组合工作的可靠性。

另外,插座用久了,弹性压力会下降,插座的工作温度会上升,此时就有必要更换插座。

再来,我们在任何情况下也不要用黄铜作为插头和插座材料。

某次我到某家五金店去买插头,商家告诉我此插头是黄铜做的,我看了实物,只不过铜的镀层而已,但我不确定。为此,我让商家给我换另款插头。商家不解,我告诉她最差的就是黄铜插座,接触电阻 N 大,她才明白过来。

电接触理论是电器技术五大理论之一。这五大理论是:电器的发热理论,电器的电接触理论,电器的电动力理论,电器的电弧理论和电器的电磁系统理论。可参阅的读物也 N 多,例如贺湘琰的《电器学》第三版,虽然是大专课本,但相对浅显,可作为电气工作者的读物。另外,《高低压电器技术手册》这本书就更加详尽了,但显然不适合于一般的读者。


这篇文档我写了近一个小时,写作速度可以吧?!

我要去晨练了,就写到这里吧。


晨练跑步中听见手机响,原来是某位群友看了这篇帖子,她问我:我家的插座温度很高,该怎么办?

我的回答是:如果这个插座使用很久了,说明它内部的接触压力已经减小了,造成接触电阻加大而发热。建议更换。

这位群友回复说,此插座用了十多年了,装修到现在从来没换过。她说,旁边的另外一只插座,去年还起火燃烧。看来,要请电工把家里的插座成批换掉。

另外一位群友说他们单位的 GGD 开关柜用的是铝母线,而下接分支母线却是铜排,搭接面温度很高,问怎么办?

我告诉他,看本帖图 3 中的数据,铜 - 铝的 K 值是 980,比铜 - 铜大了 10 倍。因此,要把分支母线换成铝排才行。

从此群友的交互中我们看到,插座内部电接触的接触压力很重要,电接触材料的表面氧化状况也很重要,若接触压力下降或者电接触材料氧化严重,则插座温度升高是必然的。

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