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一文读懂 | 电器起火的隐形元凶:接触不良

生活中总是要注重用电安全,而在安全标准都符合的情况下,电器起火背后的元凶往往是接触不良。跟着UL一起进入科普,保障用电和生活安全。

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2022年9月1日

随着时代的发展,电器产品的种类越来越多,人们对电器的依赖度也越来越高。我们在享受电器产品给生活带来便利的同时,也必须注意学会正确使用电器设备,以最大限度地避免可能发生的触电、起火等风险。

针对电器产品起火的风险,产品设计工程师在产品的开发过程中会加上一些安全保护设计。例如:使用电流保护装置以防止产品因故障而产生过流;加上一些温度保护装置,如温控器、温度保险丝在产品产生过热时切断电流,以避免产品持续过热而引起火灾等。

然而,有一种常见的产品故障有很大的起火风险,却常常被人们所忽视。这个故障就是“接触不良”。实际上,接触不良不只是影响产品的正常使用功能,在接触不良处可能产生巨大的能量,其能量甚至足以使金属产生融化。我们可以借助基本的物理知识来分析一下接触不良产生的能量,同时也可以思考一下由其带来的起火隐患,以及如何进行有针对性的预防。

接触不良,顾名思义,就是原本接触良好的电气连接点,因某种原因造成其接触不好了。接触良好的理想状态是其接触电阻等于0,而接触不良即指接触电阻远大于0,以至达到影响产品的正常使用,或引起着火的风险。

以一个120 V,1500 W的电热产品为例。如下图所示,R1为产品的加热器,R2为电气连接点(如器具内的快接端子接头,电源线与内配线的接头等)。

image1.png

1、在产品正常状态时,R2处的电阻值为0。通过计算可以得出,加热器的阻值为:R1=U*U/P=120*120/1500=9.6 Ω;电流为:I=P/U=1500/120=12.5 A;此时计算R2处的功率为:P2=I*I*R2=0 W。

(此时R2连接点在工作状态时是不发热的。)

2、而在接触不良的状态下,R2的阻值不为0时,整个产品的工作状态实际变成了两个电阻串联在120 V的电压下,如下图所示:

image2.png

当R2接触电阻达到0.1 Ω(加热器的阻值R1保持不变,还是9.6 Ω), 此时流经R1、R2的电流为:I=U/(R1+R2)=120/(9.6+0.1)=12.37 A;

此时电气连接点R2处的功率为:P2=I*I*R2=12.37*12.37*0.1=15.3 W。

(在安全标准的概念里,超过15 W的能量,已经被认为存在起火的风险了。)

3、如果R2接触电阻更大,会是什么情形呢?当R2接触电阻达到1 Ω时,此时流经R1、R2的电流为:I=U/(R1+R2)=120/(9.6+1)=11.32 A;

此时电气连接点R2处的功率为:P2=I*I*R2=11.32*11.32*1=128.16 W。

(我们可以想象一下,这样的一个能量集中到一个点,可能会达到怎样的一个高温?)

当接触电阻R2继续增大时,电流I会变小,R2处的功率会继续增大,当R2=9.6 Ω时,通过以上同样的方法计算,可知此时R2上的功率达到最大(为375 W),而后随着电阻继续加大,R2处的功率会呈下降趋势。参考下表不同接触电阻状态下的计算。

电压 产品功率

加热器阻值

R1 (Ω)

触点阻值

R2 (Ω)

电流

I (A)

接触点的功率

P2 (W)

120 V 1500 W 9.6 0.1 12.37 15.30
120 V 1500 W 9.6 1 11.32 128.16
120 V 1500 W 9.6 2 10.34 214.03
120 V 1500 W 9.6 4 8.82 311.42
120 V 1500 W 9.6 6 7.69 355.03
120 V 1500 W 9.6 8 6.82 971.90
120 V 1500 W 9.6 9 6.45 374.61
120 V 1500 W 9.6 9.5 6.28 374.99
120 V 1500 W 9.6 9.6 6.25 375
120 V 1500 W 9.6 9.7 6.22 374.99

由此可知,这样一个120 V,1500 W的电热器具,在极端条件下,一个接触点的接触不良竟能达到375 W的功率,大大超过我们的直观感受。我们可以有所领悟,为什么有些产品安全标准(如IEC 60335-1)里规定,有些产品的电气连接点3 mm范围内的塑料材料,要求通过850°C的灼热丝测试。我们也可以理解,为什么在UL 746C标准里,无人照看的可移动产品用到Alternate Path时,电气连接点3 mm范围内的材料要求至少达到V-1的阻燃等级或750°C的GWFI参数。

通过以上分析,我们知道了一个120 V,1500 W电热器具接触不良点可能隐藏的能量。那么,是否所有电气的接触不良都有相同的风险呢?我们也可以通过计算得出我们的答案。

我们再以一个120 V,50 W的产品为例进行另一组计算。

image2_0.png

1、在产品正常状态时,R2处的电阻值为0,通过计算可以得出,此加热器的阻值为:R1=U*U/P=120*120/50=288 Ω;电流为:I=P/U=50/120=0.42 A;此时计算R2处的功率为:P2=I*I*R2=0 W。

(此时R2连接点在工作状态时是不发热的。)

2、当R2接触不良时,随着R2阻值的增加,其本身的功率从小到大再变小,最大值为当R2=288 Ω时,接触不良点的功率达到最大,为12.5 W。

电压 产品功率

加热器阻值

R1 (Ω)

触点阻值

R2 (Ω)

电流

I (A)

接触点的功率

P2 (W)

120 V 50 W 288 0.1 0.42 0.02
120 V 50 W 288 1 0.42 0.17
120 V 50 W 288 2 0.41 0.34
120 V 50 W 288 4 0.41 0.68
120 V 50 W 288 20 0.39 3.04
120 V 50 W 288 50 0.36 6.30
120 V 50 W 288 100 0.31 9.57
120 V 50 W 288 200 0.25 12.09
120 V 50 W 288 288 0.21 12.50
120 V 50 W 288 300 0.20 12.49

 

由此可知,同样是接触不良,大功率大电流的电热器具风险更大,小功率小电流产品相对风险要小得多。但是,也要注意,当我们使用拖线板将多个小功率电器并联在同一条线路里使用时,拖线板插头处的接触不良,也是会增加起火风险的。其中的关键因素是同时工作的电器的总功率和总电流。

 

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综上,我们了解了接触不良存在的风险。那什么是造成接触不良的原因呢?归纳起来,大致存在以下几种原因:

  • 电气接头表面污损,接触电阻增大;
  • 电气接头长期运行,产生导电不良的氧化膜;
  • 电气接头因振动或冷热变化的影响,使连接处松动;
  • 接头处材质不兼容(如铜、铝相接),产生腐蚀,使接触电阻增大;
  • 公端母端接头配合不当。

知道了原因,设计工程师们就可以有效地防范这一风险,如:避免电源线在承受拉力时有应力传递到机器内部的电气连接点上。

我们相信,通过家电生产公司设计生产的不断优化,和UL Solutions作为权威第三方安全科学专家的认证服务支持下,其产品品质会越来越好,也越来越安全地走向全球市场。

 

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