二极插座保护门结构优化设计

何安民 兰庆明 张 靖

（浙江德力西国际电工有限公司 杭州 310024）

前言

二极插座是国标插座系统中极为重要一个插座型式，而二极插座的保护门更是二极插座系统中的核心结构。在日常生活中二极插座使用的频率极高，既需要符合国家标准所规定的防触电保护测试、正常操作测试，还要满足日常生活中的各种环境下的正常使用，以及带给用户良好的使用体验感。因此设计并生产出一个好的二极插座可以体现生产厂商的技术实力，并影响着每一个人的日常生活电器使用。

在二极插座系统中保护门常见种类有扭簧旋转式保护门、对插双片型保护门、单片斜面式保护门。本文所述为应用最为广泛、数量最多、成本最低的单片斜面式保护门。

1 标准要求

防触电保护标准要求。GB/T 2099.1第10.1条：插座应能做到当插座按正常使用要求安装和接好线后，带电部件是不易触及的。用IEC 61032中的试具B标准试验指，施加到各个可能的位置上，电指示器显示试验指与相关部分的接触情况。在此附加试验期间，电器附件要经受75 N的力达1 min，此力是通过IEC 61032的试具11的直的无节试验指的端部来施加的。

插座保护门对防触电保护的测试要求。GB/T 2099.1第10.5条[2]：带保护门的插座在结构上还应做到用20 N和1 N的探针施加到与带电插套对应的插入孔，应不接触到带电部件。插座在结构上应做到，当插头被拔出时，带电插套能自动被遮闭。

2 用户体验及测试要求

插座产品在正常安装后，二极插座在使用时，插头垂直于插孔90 °，不需摇动即能顺利插入，使用户使用体验更便利。

由于实际使用环境的不确定性，用户未能使插头垂直于插孔使用时，要求当插头倾斜一定的角度时亦能够顺利插入。

为了提升用户体验，二极插头插入时保护门打开的推力要轻。

装配工艺要求弹簧对保护门的保持力≥0.3 N，使其在装配过程中不会散落。

国标的正常操作测试为机械插拔，其插头插入时是垂直于插孔90 °，测试过程中保护门能顺利打开，插拔次数5 000次。

3 保护门外形尺寸设计影响因素

3.1 保护门厚度

保护门的强度。保护门需要经过5 000次的带载插拔，以及75 N的试具11防触电测试。

不接触规。插套至插合面的距离，国标GB/T 1002的规定单相插座中的插套离插合面的距离应不小于8.45（+0/-0.05）mm，用不接触规检测判定[1]。因二极插头插销长度为16 mm，为保证插头的插销与插套有足够的接触长度（影响插拔手感、电性能）又要能满足国标规定的安全距离。考虑到装配叠加公差影响，插套距离插合面的距离推荐值通常控制在9～11 mm之间（在保证保护门的斜度与插套接触长度之间平衡）。

插套接触长度。国标规定二极插头的插销长度尺寸为16 mm。插头的插销与插座的插套连接，其功能要求是电气连接性能与安全良好（电气寿命高、温升低、插拔手感体验好等），这就要求插套与插销的有效接触：接触行程合理，夹持力良好。（GB/T 2099.1第22.2条规定二极插座的最小拔出力多插销为40 N，单插销最小拔出力1.5 N，单插销最大拔出力17 N）。通过多次的验证，插销与插套的实际接触行程通常需＞4 mm（图1）。当实际接触行程偏小时，会影响插销与插套的实际载流面积，以及用户插拔手感。

图1 接触行程示例

插座盖的厚度。墙壁开关的插座盖通常分单层和双层。单层式插座盖的通常是功能件的盖直接作为外观件，厚度约1.5～2.0 mm左右。双层式插座盖的外观面盖通常是整体式，功能件的盖仅仅是作为固定板使用，双层式插座盖由于有2层塑料盖，故其叠加厚度比单层式厚，一般取值3.0 mm左右。

3.2 保护门长度

保护门长度＞最大插孔宽度（图2）（GB/T 1002图2、表5），推荐值为＞24.6 mm。

图2 最大插孔宽度

L/N插套最大外轮廓尺寸（图3）。保护门长度＞插套最大外轮廓。

图3 L/N插套最大外轮廓尺寸

3.3 保护门宽度

国标GB/T 1002标准规定了二极插座的插孔宽度尺寸为7.3（+0.22/-0）mm，为了满足第1.2条所述的探针测试，保护门需要屏蔽遮盖住插孔，使插座内部的带电部件不被探针接触，保护门宽度尺寸＞7.52 mm。

4 单片斜面式保护门防触电结构原理

4.1 保护门结构原理

单片斜面式保护门（图4）对应插座插孔面是斜面机构，下方设置有滑轨，斜面反方向设置复位弹簧。

图4 单片斜面式保护门

正常插头插入使用：当插销插入推力作用在保护门斜面上时，保护门沿着滑轨向后移动，直至插孔漏出，插销顺利插入（图5）。当拔出插头时，保护门在复位弹簧力的作用下复位，从而遮蔽住插孔内的带电插套。

图5 保护门打开结构

4.2 小角度插入要求

小角度倾斜插入确保正常使用：当用户因为使用空间等环境因素、手拿插头的随意性导致未做到插头面与插座面垂直插入时，同样要求用户能够方便插入，经过人体工程学模拟以及多次实验人员手动体验验证，当保护门倾斜角度尺寸A在0～4 °（图6），防单极插入止位凸台不起阻挡作用时即能满足日常绝大部分场合环境下使用。

图6 尺寸A

4.3 防单极要求

防单极插入或异常导电体插入。当插座在防触电测试或意外使用导体插入插座的单个插孔时，保护门应能遮蔽插座内部的带电部件，防止带电部件被触及而引起意外触电伤害。插座在保护门被单极插入倾斜达到一定角度时，防单极止位凸点开始作用，以阻止保护门滑开。

接合小角度倾斜插入情况下所述的尺寸A的0～4 °度要求，再考虑到机械测试插头对保护门的推力偏大时保护门会产生一定的下弯变形情况下保护门能正常打开，故推荐防单极止位凸点的作用角度尺寸B推荐为5～6 °（图7）。

底座（或支架）的防单极结构：当保护门旋转倾斜到其最大角度时，防单极止位凸点与保护门重合的高度尺寸C应＞0.5 mm（图7），防止保护门受力往后滑移时，防单极止位凸点有足够的强度保证插座内部的带电部件不被接触。

图7 尺寸B/C

底座（或支架）的防单极结构：当保护门复位状态时，垂直方向保护门应与防单极止位凸点有适当的间隙，此间隙尺寸D （图8）推荐值为0.5～0.6 mm，根据实际结构取值，原则一是保护门前端与插座孔前壁缝隙不能通过φ1 mm的探针；二是单极插入时保护门的旋转倾斜不能直接被防单极止位凸点顶住，会造成防单极失效。

图8 尺寸D

保护门防单极插入结构：其一，在保护门上增加凸点（图6），使其与插座盖板的插孔形成防单极功能，其优点是同时增加保护门的斜坡角度，降低插入力，改善插入手感，但保护门的小角度倾斜插入使用及防单极结构尺寸应符合尺寸A、B、C、D的要求。其二，在保护门前端设置小平台，防止探针测试时因保护门斜面滑入。

盖板防单极插入结构：在探针测试时，保护门的前端与盖板接触面是高风险区，故盖板与保护门前端应确保在保护门最大倾斜角度下是重合屏蔽内部铜件的（图9），防止探针从盖板与保护门前端的缝隙插入。

图9 盖板防单极重合区

在保护门盖板上设置类似于底座或保护门支架的凸台（图10）。

图10 盖板防单极凸台

4.4 保护门的定位

保护门应防止其在底座（或支架）与保护门盖之间位移产生超出探针直径的缝隙。在保护门上方设置导轨或滑槽，盖板上应设置限制保护门脱出导轨或滑槽的限位筋（图11），但不能妨碍保护门的倾斜旋转。保护门垂直方向的配合间隙推荐值0.5 mm。

图11 保护门的活动定位

5 单片斜面式保护门插入力及防触电的仿真分析

5.1 对象及变量（图12）

图12 仿真设计条件

仿真初始条件设置中。元件、底座、盖板、面板设置为塑料，插片设置为铜，探针设置为钢，弹簧设置为65 Mn。其中弹簧刚度为0.369 N/m，初始压缩赋予载荷为0.601 N。

5.2 仿真结果与失效分析

根据表1所示：单片斜面式保护门，并不是斜面角度越大越好，需要其它部位的配合尺寸合理，才能在插入插头时顺利滑开；保护门弹簧在工作长度时的力，达到0.6 N即能满足保护门的防探针要求。

表1 仿真验证数据

图13 仿真失效状态

6 总结

通过上述各方面的分析，二极插座保护门的设计即要满足防触电安全要求，又要降低插入力提高用户体验。需从以下方向进行优化改善：

材料方面：选择带有自润滑性、防火，强度高的；防触电保护：保护门与关联装配件配合，保护门本体结构细；插入力：保护门弹簧的力，保护门的斜面角度及其本体结构。