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一般家用的电源插座/插头有两种规格,10A 和 16A 的,这里的电流该怎么理解?

2019-07-15知识

插座,谁都见过,毫不稀奇。我们来看插座的内部:

图1:插座的背面及内部结构

我们看到插头插座内部有导电部件,有电接触部件。插头插座组合的本质属于电接触。

我们设想:我们把插头插入插座,电流开始流过插头插座组合。过了一段时间,我们用手去抚摸插头插座外部的绝缘表面,我们能感觉到有一定的温度。我们把插头插座组合外表面的温度减去环境温度,叫做温升。一般地,温升用希腊字母τ(念作「套」)来表示。

国家标准规定,开关电器的稳定温升是指设备通电后30分钟后的温升。此时温升已经稳定。注意这里的「开关电器」,它包括插头插座组合在内。

过高的温升会对开关电器和插头插座组合产生什么影响?

第一,温升过高会使得导电材料加速氧化,破坏电接触效果,减小有效导电截面。而这种效应的结果会更加提高温升,产生恶性循环;

第二,温升过高会使得绝缘材料介电能力降低,绝缘变差。时间久了,容易发生漏电事故。

对于开关电器和插头插座组合而言,国家标准规定,以它的接线端子处的温升作为它的温升值。如果接线端子是铜材料,温升是60K;如果接线端子是镀锡铜,温升是65K;如果接线端子是镀镍铜,温升是70K。这里的K是开尔文温标,零摄氏度对应于273K,40摄氏度为313K。

我们不加证明地看看温升表达式,如下:

图2:温升表达式

对于插头插座组合,其内部的导电材料温升为等号右边第一项,我们看到温升与电流I的平方成正比。可见,电流对导电材料温升的影响十分巨大。

对于插头插座组合,其内部的电接触温升见等号右边的第二项,我们看到温升与接触电压Uj的平方成正比,而 U_j=R_jI ,即接触电阻与电流的乘积。由于正常状态下接触电阻的阻值很小,一般在若干微欧数量级,因此电接触产生的温升占总温升的15%以下。

所以,电流产生的导电材料温升是温升主体。

关于电接触,请看我写的帖子:

电线接触不良是究竟什么意思? 什么算是点接触? - Patrick Zhang的回答 - 知乎

明白了温升与插头插座组合的关系后,我们就可以回答题主的问题了。

问题1:一般家用的电源插座/插头有两种规格,10A和16A的,我觉得这里应该不是额定电流,而是出于安全考虑而规定的最大许用电流。

回答:

插头插座组合的电流规格10A和16A,指的是插头插座组合在连续运行30分钟后稳定温升所对应的最大允许电流,其实就是插头插座组合的额定电流。

事实上,所有开关电器,也包括家用电器在内,它们的额定电流都是指连续运行30分钟后的功率 P_{30} 所对应的最大允许电流。看得出来,额定电流与额定允许温升密切相关。

对于开关电器,也包括插头插座组合在内,制造厂首先会把设计产品加电运行,修改设计使得该产品的温升满足国家标准允许的最大限值要求。然后,把该产品样本送到国家重点实验室,去做型式试验。只有通过型式试验的产品才能获得上市质量认证,产品才可以在市场上销售和推广。

可见,插头插座组合产品说明书中的技术指标,是经过严格测试的。

我们再看题主的这句话: 我觉得这里应该不是额定电流,而是出于安全考虑而规定的最大许用电流。

这句话讲对了一半。插头插座组合的额定电流,毫无疑问就是「 额定电流 」,并且是「 出于安全考虑而规定的最大许用电流 」。

问题2:用这个电流乘以市电的电压,是不是就可以得到可以接入的电器的最大额定功率了?

回答:

我们看下图:

图3:开关电器的允通能量

在图3的左图中,我们看到由电源、开关电器和用电电器构成的回路。我们设系统消耗的电功为W,系统的等效电阻是R,电流是I,运行时间是t,则有: W=I^{2}Rt 。我们把它变形,如下: \frac{W}{R}=I^{2}t 。

注意看这个式子,等号左边是系统参量,由总电功W和总电阻R构成。等号右边是强度参量,由总电流I和时间t构成。

在这里,我们把开关电器的接触电阻给忽略掉了。原因很简单,开关电器的接触电阻相对用电负荷的等效电阻来说,连零头的零头的再零头都不到。

开关电器的允通能量告诉我们,任何开关电器包括插头插座组合在内,它的额定允通能量,与电流的平方成正比,与运行时间成正比。

由此可知,用电电器的最大运行电流,一定不会超过开关电器(插头插座组合)最大允通能量所对应的电流。如果超过,则过了一段时间后,开关电器(插头插座组合)就会损坏。这种损坏包括开关电器内部导电部件的过热损坏,以及触头和电接触部件的烧蚀损坏。

至此,给题主的回答结束。我会视评论区的情况给予补充修改。