Dlaczego mój bezpiecznik przepalił się po ponad 3 latach bez żadnych problemów?

Przez kilka lat miałem elektromagnes podłączony do wyjścia 24VDC sterownika PLC (Rockewell Automation 1769-OB16 ).

Aby zabezpieczyć kartę wyjściową PLC, między sterownikiem PLC a elektromagnesem zainstalowano szybko działający bezpiecznik 500 mA. Bezpiecznik działa od dłuższego czasu bez żadnych problemów.

Niedawno zadziałał ten bezpiecznik. Na linii nie było żadnych zmian, nienormalne lub nadmierne użycie elektromagnesu i nic nadzwyczajnego. Po prostu wybuchło. Wymieniłem bezpiecznik na identyczny, a elektromagnes działa równie dobrze, jak przed zadziałaniem bezpiecznika.

Zmierzyłem prąd, aby dowiedzieć się, dlaczego wybuchł, i stwierdziłem, że solenoid faktycznie pobiera 530 mA. Pozwoliłem elektromagnesowi ciągnąć tak mocno przez ponad 20 minut, a bezpiecznik zadziałał.

Dlaczego bezpiecznik nie przepala się, mimo że obciążenie ciągnie więcej, niż wynosi bezpiecznik? I dlaczego miałby wybuchać dopiero teraz, po ponad 3 latach, a nie wcześniej?

Wartość znamionowa bezpiecznika to ilość prądu, który będzie przewodził w nieskończoność bez przepalenia . Aby to zagwarantować, większość bezpieczników nie zadziała, dopóki prąd nie wzrośnie do 2 × lub więcej ich wartości znamionowej. W rzeczywistości, jeśli spojrzysz na arkusz danych bezpiecznika, zwykle pojawi się wykres, który odnosi czas wyładowania do procentowego (nadmiernego) obciążenia. Większość takich wykresów rośnie do nieskończonego czasu, aby wysadzić gdzieś w pobliżu obciążenia 200%.

Jeśli wkładasz przez nią gdzieś od 1 × do 2 × aktualną wartość znamionową bezpiecznika, jesteś w szarym obszarze, w którym może on wybuchnąć lub nie, lub może z czasem stać się słabszy, co ostatecznie może doprowadzić do dolny próg dmuchania.

Istnieją również inne rzeczy specyficzne dla elektrozaworów, które również mogą powodować taką awarię. Na uproszczonym poziomie można myśleć o cewce jako cewce indukcyjnej, a jej rezystancja DC ogranicza prąd ustalony. Jednak gdy tłok faktycznie się porusza, indukcyjność się zmienia, a to powoduje dodatkowy wzrost prądu za każdym razem, gdy go operujesz. Jeśli coś w obciążeniu mechanicznym spowoduje, że działanie będzie nieco wolniejsze niż normalnie, skok ten będzie trwał dłużej i może potencjalnie spowodować uszkodzenie bezpiecznika.

Właśnie dlatego bezpieczniki zwłoczne są zwykle stosowane w przypadku obciążeń, które mają udary rozruchowe. Dlatego też powinieneś użyć wyjścia PLC, które jest przystosowane do obsługi udaru.

Konstrukcja bezpiecznika

Patrząc na ten arkusz danych dla szybkich bezpieczników 5x20mm firmy ESKA, na dole znajduje się tabela z „limitami czasu przed wyładowaniem łukowym”. W przypadku bezpiecznika 500 mA stwierdza:

 2.1*500mA  =1050mA:         30min
 2.75*500mA =1375mA:     50ms-2s
 4*500mA    =2000mA:     10-300ms
10*500mA    =5000mA:         20ms

Jest więc całkowicie zgodne ze specyfikacją (tego bezpiecznika), że nie wieje przy 530 mA w ciągu 20 minut.

Starzenie bezpiecznika w stałych warunkach

Z drugiej strony dziwne jest, że bezpiecznik zadziałał. Kiedyś widzieliśmy to samo dziwne zachowanie i przeprowadziliśmy test. Mieliśmy cztery bezpieczniki 1A połączone szeregowo, każdy z diodą równolegle. Zostało to podłączone do źródła prądu stałego 1A i monitorowano spadek napięcia na każdym bezpieczniku. Dopóki bezpieczniki były w porządku, spadek napięcia był znacznie poniżej 0,7V, a cały prąd przepływał przez bezpieczniki. Przepalony bezpiecznik wskazywałby na spadek napięcia o około 0,7V:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Umieściliśmy pięć z tych zestawów wyposażonych w bezpieczniki różnych producentów i partie do piekarnika o stałej temperaturze 85 ° C, aby dodać trochę stresu i otrzymaliśmy ten dość interesujący wynik:

Wszystkie bezpieczniki zaczęły się „starzeć” natychmiast, jak pokazuje powoli rosnący spadek napięcia.

• Zestaw 1 ma duży rozpiętość spadku napięcia, a pierwszy bezpiecznik zaczyna zwiększać spadek napięcia w dniu 10, a ostatecznie wybuchł 15 dni później (!)
• Zestaw 3 to inna partia od tego samego producenta. Trwało to dłużej, ale wynik jest taki sam.
• Zestaw 4 zaczął się od wysokiego spadku napięcia, ale wydawał się gdzieś osiedlić.
• Zestaw 2 zaczyna się od niskiego spadku, a nachylenie zaczyna rosnąć w dniu ~ 25-30
• Zestaw 5 ma wyjątkowo mały spadek napięcia i naprawdę niewielki rozrzut części, ale nawet tutaj nachylenie zaczyna się bardzo powoli około 30 dnia. Cena tego bezpiecznika jest 3-krotnie wyższa niż w zestawie 1 i 3 ...

(Mam dane przez dłuższy okres, ale muszę je wyszukać)

Oto także zdjęcie bezpieczników:

Od lewej do prawej:

• Nowe i nieużywane
• Po pewnym czasie w jednym z naszych urządzeń, które często przepalały bezpieczniki, ma już lekko żółty odcień.
• Nadal działa bezpiecznik, widać dużo czarnego utleniania
• przepalony bezpiecznik, wydaje się, że wybuchł stosunkowo szybko.
• Kolejny przepalony bezpiecznik. Wygląda na to, że dmuchnięcie zajęło dużo czasu.

Starzenie bezpiecznika poprzez przełączanie obciążeń

Przewód bezpiecznika nagrzewa się i rozszerza, gdy płynie prąd. W wysokich temperaturach może dojść do utlenienia, które osłabia drut mechanicznie, a także może być elektrycznie. Włączanie / wyłączanie obciążenia oznacza, że ​​drut jest zgięty za każdym razem. Obciążenie to może spowodować przepalenie bezpiecznika w pewnym momencie, nawet jeśli prąd nigdy nie przekroczy progu.

Zły projekt obwodu

Oczywiście, kiedy piszesz o elektromagnesie, możliwe, że na bezpieczniku występują krótkie, ale duże impulsy, które z czasem również go uszkodzą.

Zalecenie

Bezpiecznik zwykle nie służy do ochrony urządzenia, ale do ochrony źródła lub uniknięcia dalszych uszkodzeń, np. Pożaru.

Producenci powiedzieli, że najlepiej byłoby użyć bezpiecznika o wartości 1,5-2 razy większej niż maks. oczekiwany prąd, chociaż zbyt wysoki bezpiecznik może nie zadziałać, kiedy powinien.

Jednak starzenie się nadal występuje, a bezpieczniki wybuchają od czasu do czasu bez (zewnętrznego) powodu.

Widziałem krzywe topnienia topnika z czasem w stosunku do prądu, a krzywe te NIE przechodzą w „nieskończoność”. Nieskończoność nie istnieje na wykresach. Zamiast tego, z prądami nieco zbliżonymi do lub poniżej nominalnych, czas zajmie pewną dużą liczbę godzin, powiedzmy 1000 do 10 000. A jeśli prąd nie jest cały czas włączony, jak prawdopodobnie w twoim przypadku, 3 lata to rozsądny „długi” czas na stopienie.

Można też na to spojrzeć inaczej: bezpiecznik jest jak żarówka, stary typ z gorącym żarnikiem. Chociaż jest bardzo gorący, nadal potrzebuje niesamowitych 1000 godzin. I nawet przy niskim napięciu, płonącym niżej, nie zaświeci „na zawsze”.

Aby wesprzeć mój argument, oto dowolny schemat czasu bezpiecznika , znaleziony w google. Pokazuje dość prostą linię w skali logarytmicznej przez 5 dekad, od 0,01 s do 1000 s. Od 1000 s do 3 lat to kolejne 5 dekad.

Kolejny argument: widziałem przepalenie bezpieczników po 25 latach pracy. Pewnego razu, mniej więcej w 2010 roku, wymieniłem główny przepalony domowy bezpiecznik podczas pobytu w Iranie, aby odkryć monetę sprzed rewolucji (1979)! (Nie wymyślam tego) Bez widocznego przeciążenia lub zwarcia.

Jest powszechnym błędnym przekonaniem, że bezpiecznik powinien stopić się natychmiast („nadmuch”) przy prądzie znamionowym.

Bezpiecznik służy do ochrony okablowania przed wywołaniem pożaru w przypadku nadmiernego prądu i / lub do ochrony przed porażeniem prądem w przypadku awarii izolacji. Bezpiecznik może działać w połączeniu z uziemieniem, powodując wysoki prąd zwarciowy w przypadku niewielkiej awarii izolacji. W optymalnym przypadku bezpiecznik przepali się bardzo szybko z powodu wysokiego prądu zwarciowego.

Bezpieczniki są znane z trudności w ocenie, aby chronić przed przegrzaniem okablowania w przypadku prądów, które są tylko nieznacznie wyższe niż zaprojektowane. Dlatego inżynierowie elektrycy potrzebują tych skomplikowanych wykresów bezpieczników.

Patrząc na te wykresy (np. Patrz moja inna odpowiedź), zobaczysz, że bezpiecznik o wartości 100 A stopi się przy prądzie 10-krotnym od tej wartości. To wyjaśni twoje pytanie, dlaczego twój bezpiecznik 500 mA nie przepala się przy obciążeniu 530 mA. Nie, nie wybuchnie od razu, ale może / połączy się później. Bezpiecznik X Ampere sam w sobie nie jest bardzo przydatny w przypadku obciążenia, które nominalnie pobiera X Ampere. Np. W moim domu mógłbym zapalić lampę, powiedzmy 10 Watt, podczas gdy instalacja jest połączona z 16 amperami (przy 230 V prądu przemiennego).