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Aug . 2024

牆邊的英雄--關於插座的二三事

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想像一下,如果沒有插座,我們的生活將會是如何一番景象?


插座,這個平凡的小方塊,默默地承擔著連結我們與電力世界的重任。但是,它並不是簡單的電流輸送者,它是家庭和辦公室中不可或缺的一員,是現代生活的靜默夥伴。然而,雖然插座如此重要,但它的設計、功能以及安全性卻常常被人們忽略。


在這裡我們將深入探討插座的歷史,它是如何從一個簡單的電力接入設備發展成為今天這樣一個集安全、便利與科技於一體的複雜系統。以及在未來的智能家庭和辦公環境中,插座將會扮演怎樣的角色。


探索這些問題之前,我們先回到人們剛進入電氣時代的19世紀,看看插座是如何誕生的。

圖1

圖2:Hubbell式插座

圖3:「查普曼」插座(「Chapman」receptacle)

01 早期發展

十九世紀末的英國倫敦,見證了最早插座的誕生。 Thomas Tayler Smith在1882年為他的電路連接器(Electric-Circuit Connection)申請了專利。他聲稱他的發明能夠使導體快速安全地與線路或主線連接。三年後,Smith以同樣的發明在美國申請了專利。與現在能夠直接安裝在牆壁上的電源插座不同的是,在插座發明初期,它們必須連接在電燈的底座上


而真正意義上的插座則是由一位叫Harvey Hubbell的電氣工程師發明的。他在1903年同時獲得了兩項專利。專利US774250是一個有插座的插頭,插座需要擰入燈座才能使用(與前述英國發明相似);專利US776326被Hubbell叫做「多重附件插頭(multiple attachment-plug)」。


當與三通適配器共同使用時,這種插頭可以連接到任何形製的插座上。這種插座能夠與「查普曼」插座(「Chapman」receptacle)連結。據稱,「查普曼」插座是當時美國用途較廣泛的插座,也是唯一不需要與燈座相連就可以使用的插座。


之後Hubbell又幾次三番改良了他的發明。不過他所有的專利設計都有一個共同的特點,就是運用卡位將插頭固定在插座中。在壁式插座普及之前,這一特徵能夠提供莫大的便利。畢竟在這之前,人們只能夠通過把電器連接到燈座上來獲得電能。 Hubbell的發明為他帶來不少利潤,然而也有很多製造商不顧Hubbell的反對,將他的發明運用到他們自己的產品中去。


這段時期,家用電器的快速發展和普及使得人們對於插座的需求量不斷增長。一些插座製造商提出要標準化插頭和插座的形製,因此他們舉辦一個會議。 Hubbell也參與其中。在會議裡,Hubbell設計的平行平腳插座成為首選,然而他本人並不支援標準化,並拒絕同意將他的產品作為標準。諷刺的是,其他與會者不顧他反對,通過了將Hubbell式插座作為標準對插頭和插座的形制進行標準化的提議。法院裁決這項決定將為美國民眾帶來極大便利,因而不得不予以同意。 Hubbell式插座成為了當時美國最廣泛使用的插座,有些仍沿用至今。值得一提的是,今天中國所採用的插座形製,就是沿用Hubbell式的設計。

圖4:最早的名為「Tripin」的3 針接地插頭

02 標準化普及和安全性提升

隨著電力在家庭中的普及,插座的設計繼續演進,以適應更多的家用電器和提高安全標準。在這段期間,塑膠成為製造插座的主要材料,取代了早期的瓷和金屬,因為塑膠具有良好的絕緣性能且成本較低。與此同時插座開始標準化,出現了兩孔和三孔插座的設計,其中三孔插座包括了接地功能,增加了使用的安全性,而這種結構也沿用至今

圖5

圖6:三孔插座接線示意圖。

圖7:三孔插座保護示意圖。

為什麼三孔插座能夠確保用電安全呢?原因可能大家國中就有所了解,那就是除了火線與零線的接口之外又多了一個地線的接口(PE)。但是人們往往存在一個誤區,認為地線是單獨的一根和大地連接的導線。其實事實並非如此,地線和零線其實是連接在一起的,同時地線透過重複接地,保證了零線斷開時,地線仍然可以發揮作用。


那麼地線是如何發揮保護者的作用呢?方法是接地線與設備外殼相連,如果設備內部潮濕,使火線和外殼連在一起,這時候火線會通過外殼流向接地線,發生短路,形成很大的電流,這時候斷路器就會迅速斷開,時間大概零點幾秒,所以能避免人體觸電,因為它能在事故發生的一瞬間就把開關斷開,幾乎不給人體接觸帶電外殼的機會,保證了用電人的安全。

圖8:10A和16A的插頭與插座。

在安全方面,我國的三孔插座還有一個冷知識,那就是10A與16A插座的差別


在寒冷的冬季,可能南方的朋友會遇到這樣的問題,給小太陽、暖風機等大功率暖氣電器接通電源時,有些電器的插頭大了一圈,不能直接插入我們平常所用的插座。有些電器廠商也「貼心」地附帶了轉換頭。然而這樣的轉換插頭很容易導致很可能出現導線過熱,插座接觸點燒毀融化,甚至會引發火災。原因就是10A的插座負載功率為2200W而使用16A插座的負載功率為3520W,超過了10A插座的承受能力,導致事故出現。

圖9:超負荷使用。

另外日常使用插座,以下幾點也要注意:


 1. 避免超負荷使用

10A插座負載功率為2200W,16A插座負載功率為3520W,即插座下連接的所有電器的功率總和不能大於這個數值。接線板上一般都標示最大承受功率,在接通電器前應先仔細閱讀使用說明書,了解該設備的使用功率,盡量不要讓多個大功率電器同時連接在一個接線板上。

圖10:CCC認證。

2. 正確選購插座

· 選擇品牌插座

購買時盡量購買大品牌的插座,購買時一定要注意是否貼有CCC認證標誌。

圖11:國標插孔。

· 選擇國標插孔

非國標的插座沒有安全認證,且通用插孔較大,電氣接觸面積小,容易過熱,產生火花。

圖12:安全保護門。

· 附安全保護門

保護門只有兩孔同時插入才時會打開,可以有效避免兒童用金屬物品誤觸。

圖13:選擇合適的插座。

· 觀察用料和材質

品質好的插座一般分量較重,做工紮實連接牢固,開關按鍵聲音清脆,插拔力度適中。

圖14:更換插座

3. 更換老舊插座


一般品質較好的插座使用壽命約為8-10年,這也與插座的使用環境、使用頻率密切相關。當插座出以下情況時,就應考慮及時更換插座了。

① 插座面板出現開裂,插腳處出燃燒變形現象。

② 電源線及接口處出現磨損破皮,內部導線外露

③ 插孔銅片老化鬆動,彈性減弱,與插座連接不牢固,容易造成電火花,過在工作中產生異響

图15:世界各国使用的插座标准

3 多樣化的標準

在電力被運用於商業的前五十年,各項標準不斷地被確立。技術能力、安全性和經濟因素成為制定標準的首要考量。隨著全球貿易不斷發展,一些只通用於少數國家的標準被廢止。戰前的殖民地沿用了其宗主國的標準,而一些離岸工廠和海外軍事基地使用的則是所屬國而不是所在地的電氣標準。還有一些國家同時使用多種插頭、電壓和頻率的設計,其實非常不便利,而且容易造成安全隱憂。


儘管國際電工委員會(International Electrotechnical Commission, IEC)多次嘗試制定一套電插頭全球通用的標準,並於1986年推出國際通用的type N插座標準,然而由於各種政治、經濟因素掣肘,國際標準的制定與執行始終未盡人意。


直到2007年,巴西才成為第一個使用type N標準的國家。不過,有趣的是,當今世界各國使用插座形製的地圖,正反映了二十世紀上半葉全球資本主義殖民擴張的網絡,也十分令人感嘆。所以各位出國旅行前一定要注意當地使用的插頭和插座的類型,準備好相應的轉換頭,以免遇到攜帶的電子設備無法使用的窘況。

圖16:不同電源插頭和插座類型

各國便攜式電器所使用的電源插頭和插座類型如下:


我國主要使用的是A,C,I三種。

圖17:智慧插座

04 智能科技的融合

自2010年以來,插座技術與網路和智能家居技術的融合,帶來了智能插座的發展。如今智能插座作為智能家居生態系統中的重要組成部分,已經從傳統的電力傳輸裝置演變成為集安全、便利與節能於一體的智慧設備。它們透過物聯網連接,讓使用者能夠遠端控製家中的電器,提高生活品質同時也增加了家居的安全性。


現在智慧插座已經可以完成以下的任務:

① 遠端控制與定時功能:使用者可通過智能手機應用遠端控制插座的開關,並設定開關的定時任務,有效節省能源。


② 能源監測:許多智能插座能夠監控連接設備的能源使用情況,幫助使用者了解電器的耗電量,進而優化能源使用,減少浪費。


③ 語音控制:集成到智能家庭系統中的智慧插座,可以透過語音助理(如小愛同學或Apple Siri)進行控制,增加了使用的便利性。


④ 場景連動:智能插座可與家中的其他智能設備連動,根據設定的場景自動執行一系列操作,如離家模式可以關閉所有非必要的電器。


⑤ 安全保護:智能插座還具備過載保護功能,可在偵測到電器異常或功率超標時自動斷電,防止火災。

圖18:未來插座

而未來智慧插座的發展趨勢:

① 更高的安全性能:隨著技術的進步,未來的智能插座將提供更先進的安全特性,如更智能的故障偵測和預防系統,確保家庭用電安全。

② 更強大的能源管理:智能插座將能更精準地監控和分析能源消耗,提供個人化的節能建議,甚至與AI結合從而自動調整電力使用以優化能源消耗。

③ 無線充電整合:隨著無線充電技術的普及,未來的智能插座可能會整合無線充電功能,為手機、平板等裝置提供更便利的充電解決方案。

④ 更智慧的互聯互通:智能插座將更無縫地與家中的其他智能設備以及整個智能家居系統集成,提供更個人化和自動化的使用體驗。

⑤ 環保與永續性:未來的智能插座將更重視環保材料和設計,以及提高能源效率,減少碳足跡,符合永續發展的趨勢。

圖18:未來插座

智能插座的不斷進化預示著智能家居技術的未來將更加聚焦於提升生活品質、安全性和環境永續性。隨著電力電子、人工智慧、物聯網和5G等技術的發展,智能插座和其他智慧家居設備將變得更加智慧化、互聯化和綠色化。


插座的歷史是技術進步和創新的縮影,它不僅展示了電力使用方式的演變,也反映了人們對安全、便利和能效的不斷追求。隨著技術的發展,未來的插座將繼續變得更加智慧、高效和用戶友好,甚至可能徹底改變我們接收和使用電能的方式。但不管怎樣變化,插座作為連接我們與電力世界的橋樑,其重要性是不可取代的。


所以,下次當你插入插頭,按下開關的那一刻,不妨給這個牆邊的英雄送上一份感激之情。因為在這個電氣化的時代,插座以其獨特的方式,點亮了我們的世界,讓人們與桀駿不馴的高壓電氣安全的交互,讓生活變得更加豐富多彩。



參考資料

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_AC_power_plugs_and_sockets

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/AC_power_plugs_and_sockets

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Mains_electricity_by_country

[4]https://www.douban.com/note/726819285/?_i=8796248Lgbte0h,8937534djJgIk5

[5]https://www.worldstandards.eu/electricity/plugs-and-sockets/



文章來源:英飛凌工業半導體

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