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

22

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?

CaptJak
źródło
2
Temperatura otoczenia ma wpływ; jeśli jest cieplej, prawdopodobieństwo (nieco) przepalenia bezpiecznika wzrasta.
Daniel Griscom,
Dzięki, wiedziałem o tym pierwotnie i na szczęście bezpiecznik był w pokoju 65-70 (F) i tak został.
CaptJak
@DanielGriscom, przeciwnie, części mechaniczne często stają się sztywniejsze na mrozie. W zależności od tego, co napędzał elektromagnes i od tego, czy występuje sprzężenie zwrotne w celu zmniejszenia napięcia podtrzymania, może on działać płasko dłużej niż normalnie. OK, nie wygląda to tak w tym konkretnym przypadku, ale można to zrealizować za pomocą przełącznika przymocowanego do elektromagnesu.
Chris H
3
Przekroczenie prądu znamionowego prowadzi do przedwczesnego starzenia. Nawet jeśli nowy bezpiecznik nie wybuchnie w ciągu 20 minut, nie będzie trwał tak długo, jak się spodziewa.
Dmitrij Grigoryev
2
Nie myśl o bezpieczniku jako ograniczniku prądu. Pomyśl o tym jak o katastrofalnej ochronie przed awarią. Ma to na celu zapobieganie przekształceniu się przepięć i krótkich awarii w pożary, a nie ochrona lekko przeciążonego zasilacza.
Passerby

Odpowiedzi:

31

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.

Dave Tweed
źródło
Dzięki. Sterownik PLC, który posiadam, jest przystosowany do obsługi udaru (stała 1A i do 2A co 10 ms), po prostu nie byłem tym, który zaprojektował system. Czy zalecane byłoby zastąpienie szybko działającego bezpiecznika 500 mA bezpiecznikiem zwłocznym 500 mA? Czy powinienem wymienić go na szybko działający bezpiecznik o wyższej wartości?
CaptJak
6
Byłbym skłonny użyć bezpiecznika 1A, który dobrze pasuje do mocy wyjściowej PLC.
Dave Tweed
@DaveTweed, ale jak zauważasz, bezpiecznik 1 A może przenosić do 2 A przez czas nieokreślony, co byłoby poza wartością znamionową udaru 1 A max / 2 A, nie?
nekomatic
1
@nekomatic: Nie. Jak powiedziałem, zakres od 1x do 2x jest szarym obszarem, chroniąc margines błędu testowania i tolerancje produkcyjne dla producenta. Jedyną gwarancją nieskończonego czasu jest faktyczna ocena.
Dave Tweed
@DaveTweed „nieokreślony”, a nie „nieskończony”. Myślę, że to znaczy tyle samo, co „szara strefa”. Wydaje mi się, że bezpiecznik 1 A może pozwolić na przeciążenie wyjścia PLC przez dłuższy czas.
nekomatic
40

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:

schematyczny

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:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

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:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

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.

Sweber
źródło
Ma sens. Karta danych bezpiecznika pokazuje, że może on trwać 30–60 minut przy 150% wartości znamionowej. Pomieszczenie, w którym trzymany jest bezpiecznik, pozostaje na poziomie około 66 F, więc idę z wiekiem i charakterem operacji elektromagnesów jako przyczyny. Wykresy i ilustracje były bardzo pomocne.
CaptJak
Jak myślisz, o ile przyspieszono starzenie przy użyciu 85 ° C? Czy może to być wspólny współczynnik 2 na 10 ° C (byłby to 50 razy)?
Peter Mortensen
1
To naprawdę doskonała odpowiedź. Miałem samochód (Saab), który zmarł po 10 latach. Bezpiecznik obwodu zapłonowego odkształcił się i otworzył, chociaż wyglądał dobrze. Element bezpiecznika wyglądał OK, choć nieco wydłużony, ale przy najmniejszym dotyku rozpadł się w pył. Wymieniłem bezpiecznik z obwodu klimatyzacji (była zima) i włączyłem.
WhatRoughBeast
@PeterMortensen prawdopodobnie nie. Zależy to całkowicie od energii aktywacji reakcji. Ta ogólna zasada opiera się na reakcjach, które mają znaczną szybkość zbliżoną do temperatury pokojowej, ale szybkość degradacji bezpiecznika w temperaturze pokojowej jest prawie nieistotna. Jeśli znany jest proces prowadzący do starzenia się, wówczas można wykorzystać jego energię aktywacji do uzyskania dokładnej (do skali) zależności temperaturowej.
Oleksandr R.
1
@ Rev1.0 W rzeczywistości test trwał co najmniej 100 dni, po prostu nie mogę znaleźć danych ... Przetestowałem to na uniwersytecie, piekarnik był bezpłatny i po prostu pozwoliliśmy mu działać. W rzeczywistości projekt jest rzeczywiście nieco większy, a bezpieczniki ulegały awarii w urządzeniach, do których nie można było uzyskać dostępu przez wiele miesięcy podczas pracy. Chociaż po prostu zastępujemy 1A 1,6A, pomiar ten był dla nas mniej lub bardziej interesujący.
Sweber
1

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.

Roland
źródło
Dziękuję Ci. Po pierwsze, jestem całkiem pewien, że wszyscy biorący udział w tym wątku wiedzą, że tak naprawdę nie jest on „na zawsze”, jest tylko przenośny na „w nieskończoność / naprawdę długo”. Po drugie, czy masz coś na poparcie swojej odpowiedzi? Testy? Źródła informacji? Nie wierzę, że 3 lata to rozsądny czas, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że mam setki (dosłownie) starszych bezpieczników, które nie zadziałały.
CaptJak
@CaptJak Do mojej odpowiedzi dodałem konkretne dane. O twoich bezpiecznikach: czy wszystkie one przewodzą przez cały czas stały prąd wokół wartości nominalnej? Jeśli nie, na przykładowych wykresach zobaczysz, że przy lżejszym (średnim) obciążeniu prądowym czas topnienia znacznie się wydłuży.
Roland
To się zmienia. Niektóre bezpieczniki (takie jak ten, który wybuchł) przenoszą prąd tylko chwilowo, podczas gdy inne są stałe. Niektóre mają mniej niż są oceniane dla (250mA), a inne mają swoją ocenę lub nieco wyższą.
CaptJak
I nie wątpię, że w końcu umrą. Ale trzy lata wydawały się zbyt wcześnie, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że był to jedyny z wielu bezpieczników.
CaptJak
0

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).

Roland
źródło