2008年10月17日 星期五

無熔絲開關特性曲線

原配置圖
[原開關與走線配置圖]

在上面的配置圖中,我計算22mm平方的銅纜100m的阻抗是0.0818歐姆(20度C),所以距離10m(迴路20m,從電錶到家裡總開關),不過前面電錶到22KV台電變壓器還有約20m(迴路40m),總阻抗約為0.04098歐姆,以電壓220Vac算,求得最大短路電流約為5368A,我家裡實測電壓值約為229Vac,那用230Vac計算,則最大短路電流5613A,也就是總開關箱發生短路時,最大短路電流(Ic)約5.7kA(220Vac)或2.8kA(110vac),事實上的值應該還會再低一些!所以用Ic=10kA的無熔絲開關已相當足夠。



BHU, BHH series 60~100A curves
[士林電機 BHU 100A, 10kA, 熱動+電磁式]

Fuji F102B characteristic curves
[富士 F102B, 75A, 10kA, 熱動+電磁式]

我原本用的士電 BHU 開關和富士 F102B相比,可以發現不論是多少倍的額定電流下,也不論是最慢跳(max)或最快跳脫時間(min),富士 F102B都比士電 BHU來得快上許多,舉例來說:

1. 當發生超載的時候,若電流增至額訂的兩倍,那這時候富士F102B最快不到20秒就跳脫,最慢則2分鐘跳脫;士電 BHU最快要20秒鐘,最慢則高達8分鐘才跳脫。

2. 當瞬間短路發生時,若電流瞬間是額定15倍(以75A的15倍為1.1kA短路電流,家裡不論是110或220Vac都可高過於此),那這時候富士F102B最快0.01秒跳脫,最慢約0.03~0.5秒跳脫,且當短路電流大於15倍時,最慢都會在0.02秒內被截斷;而士電 BHU則是於15倍時最快0.01秒,最慢則高達0.75秒;不要小看這不到1秒間的差距,在電流1.1kA的時候,假設線路阻抗0.1歐姆以下,功率可是高達100kW左右,快0.5秒就少掉一半了功率做功發熱,甚至引起失火了。

不過並不是說士林電機的開關不好,以BHU 100A來說,最慢20倍額定電流截斷,約是2kA,一般家庭的用電在總開關的地方約有3.5~7kA(220Vac)、1.7~3.5kA(110Vac)的短路電流,220Vac的地方已經有瞬間截斷的能力了,110Vac的地方,通常都有15A或20A小開關(對15A或20A來說已經是100倍額定電流),也會更早截斷,總開關只是第二重的保護,使用75A開關代替100A開關也會稍微提早截斷速度,我只是提了更高的標準來確保跳速度,另一方面也是讓總開關的箱的開關確保能提早比錶後開關先跳脫,除去下去地下室重新啟動錶開關的麻煩!


新配置圖
[新開關與走線配置圖]


再來就是冷氣分路的部分了!冷氣的分路,在不管是發生超載電流或是短路電流的時候,也都應該要比總開關先跳脫,我家會發生短路電流時,全家的開關都沒跳脫,反而卻靠地下室錶後開關跳脫保護實在是真的太誇張。

超載電流的部分,我想應該不會有太大的問題,基本上特性曲線再差,小開關還是會比大開關先跳脫,假設超載電流達到60A,對30A開關來說已經是兩倍額定電流,但100A開關卻還不到滿載,問題始會再發生瞬間短路的時候,就有可能因特性曲線不同,大開關反而比小開關早跳脫了!我家可能就是個例子!


BHU, BHH series 15~50A Characteristic curves
[士林電機 BHU 30A, 10kA, 熱動+電磁式]


從圖中可看出50A以下的士林電機家用配電盤用的熱動+電磁式開關,對於短路電流可能是比較不靈敏的,到30倍額定電流(相當於100的10倍),最慢跳脫時間可能達0.15秒,和士林電機 BHU 100A, 10倍額定電流最慢跳脫時間差不多,所以相對之下並沒有因為開關額定值小,得到太多的便宜。

所以為了改善這個狀況,不要讓冷氣的分路在發生短路電流的時候,變得沒有較總開關更快速的截斷速度(這樣真的很糟,一發生短路,全家就面臨停電,萬一電腦在被份重要資料...),我終於找到了可以更快跳脫的小容量開關--工業用型;我找的富士SA52RC這一顆工業用的開關來替代士林電機 BHU 50A那一顆。將原本50A縮為40A是因冷氣一台最大18A(冷氣額定16.7,暖氣額定13.7A),兩台最多36A,且為變頻冷氣峰值最大負載狀況,美國電工法規NEC440.51也寫到無熔絲開關作為短路保護裝置不得超過壓縮機額定電流之125%,那麼40A會是比之前用50A更為合適。

冷氣分路這邊拉了14mm平方的電纜約10m距離(迴路20m),阻抗0.129/5=0.0258歐姆(20度C),加上前面迴路阻抗,加總等效阻抗約為0.0258+0.04098=0.06678歐姆,最大短路電流230/0.06678=3444A(Ic),而實際值應會低於計算理論值,SA52RC短路電流承受值Ic=25kA在這也完全沒問題!!

NEC 440.51
[NEC 440.51]

Fuji SA52RC characteristic curves
[富士 SA52RC, 40A, 10kA, 全電磁式]


富士 SA52RC是全電磁式的工業用開關,工業用開關少了熱動的趨力,在過載保護上是遜於熱動+電磁式的士林電機開關,但是它的短路電流敏感度卻相對高了,從上圖可看出40A的款在13倍電流就可以很快的從最慢1秒跳脫縮減到最慢0.06秒跳脫,而最快0.02秒的跳脫時間比起士林電機BHU 30A的10被電流降到8倍。整體來說,如果所有的曲線完全能相信,那麼就可以確定它冷氣的迴路上發生短路電流的時候,可以比總開關富士的F102B更快的跳脫了。但為什麼那兩個30A的士林電機開關BHU 30A我不也一起換成這顆30A的款呢!?剛提了SA52RC的開關對於過載保護速度在6倍電流以下,速度是慢於熱動+電磁式,所以那兩顆還是得保留下來,保護萬一是發生過載的狀況。


熱動+電磁溫度變異 全電磁溫度變異
[不同的開關溫度變異補償圖]


許多無熔絲開關特性曲線,都是在環境溫度40度C測得(歐規有些是30度),實際應用時得自行依狀況斟酌,但是考慮一般大多狀況環境20度的時候,不同的開關可能有不同的溫度變異補償係數,當越冷的時候跳脫時間會有越慢的傾向,但從上二圖可發現,有的開關溫度變異是很大的(可慢達2倍時間),在考量的時候必須把溫度補償也考慮進去。

至於那兩顆士林電機BHU 30A分別給兩台冷氣機的,我還在考慮是否要降成20A規格的開關,來提高過載跳脫時間,因為冷氣宣稱的最大電流是18A,過去幾年夏天我實際用電流勾錶monitor的狀況也極少有超過15A的狀況,目前能確定的是變頻冷氣不會有瞬間6倍啟動電流的問題,只是不確定電流較長時間(每次開機約30min~1hr)的接近開關額定值,對於開關的壽命或是reliability是否會有影響,等我在研究看看,確定了再說吧!


冷氣Label
[冷氣Label]


後記:

許多玩音響的人,很喜歡大搞音響的供電專線,也不斷地鼓吹大容量的的線徑和無熔絲開關的好處(很多都是用非常的Ic值的巨型開關),當然這些線路上的改善不可否認的帶來相當不錯的好處,我在這次替換中也感受到了,或許是看少有人從用電安全的角度來提吧,或是單純迷信進口品牌品質就一定是好等觀念,以為進口開關就是比國產的跳脫速度快,或是比較安全,而沒有就開關的特性上去了解,這邊我就順便提醒一下了!

在裝置音響的專線的時候,整個專線分路的總開關,使用大Ic值的工業型開關是沒有問題的,有很大的容線空間去裝很大條的水管電纜,也有非常優秀的短路電流保護能力,但是進到設備的前的最後一個小開關,非常的建議還是使用"熱動+電磁式"這種家用配電盤規格的,不是工業用的開關沒有"熱動+電磁式",是有恐怕也沒有人去比較過特性曲線在超載保護的跳脫時間,固然絕大多數的高級音響設備都配有自己的保險絲,但不是每個人都會去確認音響當中的每個設備都有獨自保險絲,當沒有保險絲保護的時候,過載狀況就要依賴無熔絲開關了!保險絲是相當好的過載保護裝置,大多的品牌保險絲也都有各國安規認證,非常的可靠,不過也有許多人為了音質去任意加大,這在安全考量上非常不好,而實際生活中過載的狀況會比短路的狀況容易發生,設備老化通常是漸進的過載,而過載慢慢融毀的狀況,時間拉長又容易成為失火的主因(譬如當線路附近的塑膠外殼或配件等防火等級不足時,高溫引發燃燒),音響這些東西都是很貴的玩具啊!希望玩高級玩具的朋友們都玩得開心,也要用的安全。

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無熔絲開關的相關安規標準

IEC/ EN 60898
Electrical accessories. Circuit-breakers for overcurrent protection for household and similar installations. Circuit-breakers for a.c and d.c. operation

IEC 60947
Low-voltage switchgear and controlgear

UL 489
Molded-Case Circuit Breakers, Molded-Case Switches and Circuit-Breaker Enclosures

UL 1077
Standard for Supplementary Protectors for Use in Electrical Equipment

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2 則留言:

Fong 提到...

您好,拜讀了您的大作相當有益,小弟我為了音響,這個月也進行了配電箱與錶後開關更換的動作,如果阿毛兄有空請花點時間去下面的網頁給小弟一點意見:

http://www.myav.com.tw/forum/showthread.php?s=&threadid=363937

小弟最主要的問題是:
這樣看起來,以安全的角度而言,我錶後開關應該用熱動+電磁式的富士 FUJI F52B 2P 50A 10KA 無熔絲開關(Breaker NFB BH型),而不是現在用的全電磁式富士 FUJI EA102C 2P 50A 25KA 無熔絲開關(Breaker NFB MCCB)?

感激不盡!

日月神教-任我行 提到...

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