在家用电器中使用快速连接端子的安全隐患分析

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简介:在家用电器中使用快速连接端子的安全隐患分析Analysis on Hazard of Quick-connect Terminations for Home Appliances摘要:在家用电器中,由于使用方便、工艺操作性强,快速连接端子得到了大量的应用,但其带来的安 ...
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家用电器中使用快速连接端子的安全隐患分析
Analysis on Hazard of Quick-connect Terminations for Home Appliances

摘要:在家用电器中,由于使用方便、工艺操作性强,快速连接端子得到了大量的应用,但其带来的安全隐患也很多。大量实验证明,在承载大电流时,安装在器具内部的快速连接端子的接触电阻最容易受到外界影响,此外,使用环境温度的周期性变化和端子额外应力也是两个不可忽略的因素。采用适当技术可以低成本消除隐患。
关键词:快速连接端子;接触电阻;触点温升;高低温周期变化;火灾隐患
Abstract:Quick-connect terminations are widely used in the household electrical appliances due to its convenient usage and strong operability. However, they are also potentially dangerous. A great deal of experiments show that, when bearing the high current, the contact resistance of quick-connect termination installed in the interior of appliance is the part to be most easily influenced by outside. Besides, the periodic variety of environment temperature and the extra stress are the two factors that can’t be ignored. Adopting the appropriate techniques can eliminate the hidden dangers at a lower cost.
Key words:quick-connect terminations; contact resistance; temperature rises of interface; periodic variety of environment temperature; distortion

  在家用电器中,由于使用方便、工艺操作性好,扁平快速连接端子得到了大量应用。但是近年来,使用快速连接端子的电器出现了不少产品质量问题,其中高温烧蚀壳体甚至引起火灾成为主要问题。经过分析,主要是由于快速连接端子与端片接触电阻增大导致产生灼热丝效应,加之产品设计时未能考虑该质量风险,造成异常连接处与产品塑料壳体意外接触,从而导致事故的发生,如图1所示,通过内部带有机械应力的布线,将热能传递到外壳,导致外壳烧熔。此外,国内多个厂家出口到国外的电水壶和咖啡壶均发现类似问题,导致输出国相关部门多次给出风险警示,对国内厂商造成不良影响。
  避免具有灼热丝效应的端子连接处碰触到塑料外壳,是目前解决这一问题的最直接的办法。但是该方法会增加结构设计的难度,并造成电器成本的上升,而且也并未消除异常产生的根本隐患。最根本的解决方法就是找出异常产生的原因并将该风险减少或消除。本文就从这个角度展开阐述。
  1 原因分析
  快速连接端子与触片之间接触电阻的异常增加是快速连接端子出现灼热丝效应质量安全问题的主要原因。
  接触电阻的异常增加无外乎两个方面的原因,一是化学变化导致的接触点氧化;二是物理变化造成触点面积大幅减少,甚至发生断续接触造成电火花。正规厂家的产品均使用标准要求的无氧铜或合格的铜合金制造并在表面电镀,家电使用的环境为家庭或办公室,无异常腐蚀性环境,盐雾试验也证明其满足要求,由此就排除了化学变化的可能,因此可知物理变化是造成快速连接端子发生安全事故的主要原因。
  从理论上分析,可能引起快速连接端子物理变化的可能因素包括:
  1)制造端子所用材料是否合格(影响硬度和弹性);
  2)端子的制造过程包括了裁切、冲压、弯折和电镀等多道工序中产生的应力;
  3)再加工过程有压线加工,护套套入(产生应力);
  4)电器组装生产中插接和维修类多次插接;
  5)采用了快速连接端子的成品电器的长期使用。
  2 试验研究
  经过调研,目前市售的快速连接端子按照品质分类有由正规厂家生产并获得认证的快速连接端子以及无证端子两种;按结构分类有待卡簧锁死结构、凸点锁死和无锁死结构三种。
  本文分别采集了数家家电企业使用的七组端子(未从市场上采购的原因是无法确认哪些端子是在家用电器产业使用的),包括两组国产无证端子(A组和B组),A组为凸点锁死,B组为无锁死;三组国产知名品牌有证端子(C组、D组和E组),C组为凸点锁死,D组为无锁死, E组为卡簧锁死类型;两组世界知名品牌有证端子(F组和G组),F组为凸点锁死,G组为卡簧锁死类型。每组各5只样品。
  2.1 插拔力试验
  按照标准IEC 60760对上述样品进行尺寸和插拔力检测,尺寸均合格,插拔力测试结果见表1。
  表1中P表示通过,F表示不合格,数字代表不合格样品数。
  拔出力试验证明,获得认证的带锁死结构的C\E\F\G组样品插拔力合格,因此可以排除端子制造过程的差异和再加工过程对其产品质量的影响。那么影响快速连接端子质量安全性的主要是材料、电器生产工艺和电器最终使用这三个因素。
  2.2模拟端子加工、使用和电器成品的环境试验
  由于各品牌间价格差异巨大,且涉及商业机密,无法获得其材料成分。考虑到插拔力试验的结果,无法从材料因素进行系统的试验和评估。唯一需要考虑的是加工后的端子自身具有的内在应力在器具使用环境中对端子性能的影响。在插拔力试验中,插拔操作是按照规范在标准使用情况下进行的,但在实际生产操作和维修时,由于人工操作存在一定随意性,考虑极端情况,端子极有可能不是与端片在同一轴线上插入,其角度会有偏差。一般情况下,即使返修,其次数均不会超过两次。
  电器使用时,端子片除经历大电流外,还要经历从常温到高温,然后冷却到常温的温变过程。每天最大周期按照5次计,历时最短的大约10分钟。在进行实验时,因为所用的测试电器不同且其端子环境温度难以保证,为保证结果的可重复性,笔者将端子外置保持在相对稳定的老化房温度(35℃)下,将被测端子进行前期处理后再行测试。
  根据以上分析,试验方案设计如下:
  1)选取若干C\E\F\G类型的端子各若干,加装护套并压线后,每类型端子分成8个一组,共36组。编号为C1-C9……G1-G9。
  2)第一组端子平插入端片后,放入高温箱,进行100℃老化24小时。
  3)第二组端子以5度角度插入端片,放入高温箱,进行100℃老化24小时。
  4)第三组端子以15度角度插入端片,放入高温箱,进行100℃老化24小时。
  5)第四组端子以5度角度插入端片并插拔两次,放入高温箱,进行100℃老化24小时。
  6)第五组端子以15度角度插入端片并插拔两次,放入高温箱,进行100℃老化24小时。
  7)第六组端子平插入端片后,放入高低温环境箱,设置为10分钟从15到100℃,然后30分钟后降到15℃。经历1000个周期。
  8)第七组端子以5度角度插入端片并插拔两次后,放入高低温环境箱,设置为10分钟从15到100℃,然后30分钟后降到15℃。经历1000个周期。
  9)第八组端子以15度角度插入端片并插拔两次后,放入高低温环境箱,设置为10分钟从15到100℃,然后30分钟后降到15℃。经历1000个周期。
  10)第九组端子以15度角度插入端片后,端片固定后,在端子压线端施加一个100克重物模拟外力。放入高低温环境箱,设置为10分钟从15到100℃,然后30分钟后降到15℃。经历1000个周期。
  11)负载使用230V1600W电水壶作为负载将端子连接在电源盒插座之间的火线上,电水壶插入插座并放入老化间进行测试。每小时大约4个工作周期。
  12)使用红外温度计。每隔12小时记录一次端子温度,测试点落在端片锁死凹点上。共测试30天。
  测试完成后的典型数据见表2。
  从表2数据可得:
  1)前3组变化不大,基本都是在正常值内,说明端子在加工过程中积累的内应力不会造成异常。即使在电器装配过程中未按照端子使用的规定按角度插入,也没有造成过大的影响。
  2)第4、5组是插拔过两次的端子,可以看出其对接触电阻有一定影响,但其温升在一开始就有上升,其温度变化趋势并无明显变化。其影响应可在接受范围内。
  3)第6、7、8组为施加了温度冲击后的实验组,模拟了端子在器具内部使用过程中的温度耐受过程。从数据可以看出,其温度有较大范围的升高,明显其接触电阻已经变大。
  4)第9组是在模拟了所有恶劣情况后,模拟器具内部由于装配或者设计本身的原因造成端子受到额外应力的影响。大约为切向1N左右。此时温度有明显的升高了,其中甚至有一组异常升温到危险程度。
  2.3 常用于家电端子使用环境模拟试验 
  从表2可以看出,端子受温度变化和外应力影响是比较明显的。笔者继续进行更多的试验,此时只选择电器厂商绝大部分使用的C\E组端子进行,F\G组因为价格高昂,很少电器厂家选用。
  试验设计方案如下:
  1)选取若干C\E类型的端子各若干,加装护套并压线后,每类型端子分成4个一组,共8组。编号为C1-C4,E1-E4。
  2)第一组端子端子平插入端片后,放入高低温环境箱,设置为10分钟从15到100℃,然后30分钟后降到15℃。经历1000个周期。
  3)第二组端子端子平插入端片后,放入高低温环境箱,设置为10分钟从15到100℃,然后30分钟后降到15℃。经历2000个周期。
  4)第三组端子平插入端片后,端片固定后,在端子压线端施加一个50克重物模拟外力。放入高低温环境箱,设置为10分钟从15到100℃,然后30分钟后降到15℃。经历1000个周期。
  5)第四组端子平插入端片后,端片固定后,在端子压线端施加一个200克重物模拟外力。放入高低温环境箱,设置为10分钟从15到100℃,然后30分钟后降到15℃。经历1000个周期。
  6)负载使用230V1600W电水壶作为负载将端子连接在电源盒插座之间的火线上,电水壶插入插座并放入老化间进行测试。每小时大约4个工作周期。
  7)使用红外温度计。每隔12小时记录一次端子温度,测试点落在端片锁死凹点上。共测试30天。
  表3是测试完成后的典型数据(老化房温度约30度)。
 
  3 试验结果分析
  上述结果表明,安装在器具内部的快速连接端子,其接触电阻最容易受到外界影响的因素是在端子承载大电流时,使用环境温度的周期性变化和端子额外应力是两个不可忽略的因素。其中额外应力施加可以通过增加少许成本,设计时优化线路布局来消除该异常应力来解决。
  为此,笔者设计了一种有效改进的方法,因为涉及专利申请此处不再赘述。
  表4是按照2.3试验条件测试完成后的典型数据(老化房温度约30度)。
  由表4数据可以看出,该方法可以有效消除上述两个原因造成的端子形变引起的接触电阻增加。
  4 结语
  本文针对应用了快速连接端子的家用电器,经常出现快速连接端子异常导致器具出现火灾隐患,进行了深层次的原因分析,而不是简单的将其归纳为使用的快速连接端子不合格造成。以前,企业往往只是简单的认为是端子质量的问题,产品出现质量事故后,更换一些更好的品牌但也更加昂贵的端子,看似可以解决问题,但实际上并未找到真正的原因。只是减少了质量问题产生的概率却并没有切实消除隐患,同时造成家电制造成本上升。
  经过对其潜在因素,如端子材料、端子加工工艺、应用端子的家电制造工艺、以及端子使用环境的因素进行的大量实验。
  实验证明,快速连接端子在家电中的使用,必须考虑以下因素:
  1)家电生产过程中的端子的插拔应严格控制工艺;
  2)设计时应消除端子后端线束捆扎产生的过大应力;
  3)不要将快速连接端子直接应用于存在周期性温度变化的家用电器中;
  4)确实需要使用快速连接端子的,应对其进行消除隐患处理。
  只要处理得当,使用合格的任何品牌的端子均可以有效消除隐患,且可以有效控制成本的增加。

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