冬天到了,用電安全忽然就變得重要起來
臉書上寫了一小篇簡單的說明,沒想到引起不錯的回響
轉錄在這邊留做搜尋的依據 :
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插頭與插座,碰巧是我跟我的專業相關
剛好有人在某水電社團問半天,在這邊講講我的看法
台灣常用的插頭,大約跟北美一樣,Nema 5-15的樣式
規格上,這種插頭插座,最高只能用到15A (1650W)
如果用日規JIS來看,最高也是15A,可能就剩下1500W
(請見文末附註:1)
(因為日本電壓100V)
(這是法規限制，不是物理限制，後面解釋)
通常,插頭是公的,插座是母的,公母通常用端子的形狀來定義,不用塑膠
當然,這幾年慢慢變得比較模糊了,反正看得懂就好,其實無所謂
通常母端子本身是個有彈性的結構,公端子則不需要彈性,這引出了一些重點
1.有彈性的零件,要考慮彈性是否足夠,材料變形量要控制在線性範圍
否則降伏了(永久變形),就無法提供穩定的夾持與接觸
就跟彈簧一樣,如果用沒有彈性的材料,那麼受力一次就彈不回來了,還怎麼彈簧?
2.有彈性的零件,幾何必須經過精密的設計
如前所述,必須控制零件變形之後的應力不超過材料極限
否則再有彈性的材料,也是可以折斷的
想像一下即使是很好的彈簧,無限制地拉伸再壓回,他還是會斷裂了
3.要維持接觸穩定,則夾持力必須設計在某個值之內
_ 3a.母端子夾住公端子的力量,稱為normal force (正向力/夾持力)
_ 3b.公母對插的力量,稱為插拔力
_ 3c.若插拔需要很用力,則通常夾持力也會比較大,但不是絕對正相關
_ 3d.正向力越大,通常可以確定接觸越穩定,接觸點的發熱會越小
_ 3e.正向力比較大時,磨損會增加,磨損太大則壽命降低
_ 3f.插拔的行為,必須要設計成插入時會有"刮擦"的行為,如此可以將表面的髒污與氧化刮除,確保接觸穩定
電鍍在這邊不用談,因為大部分電力用的插頭/插座,定多就是鍍鎳而已,裸銅的更多
反正如果有刮擦行為,夾持力足夠,氧化在某個程度內,影響不大
更重要的是成本,一般的家用插頭/插座,成本都很低的
前面幾項一直在談母座,確實插座/母座就是重點
公頭可以用便宜的黃銅合金(相對於純銅大約有25%的導電性)
母頭必須至少用磷青銅,比黃銅貴很多,導電性降到只有12%左右
黃銅幾乎沒有彈性,如果做成母座,就相當於一次就壞了
同理可證,純銅,純銀等等材料,通通不適合當作母座使用
(會這麼提,是因為古早以前,甚至有不良廠商,標榜音響專用,竟然用無彈性的銀製彈片,正所謂無知害死人)
接頭的發熱模型,基本上很好分析
電線的發熱量+接頭的銅材質的發熱量+接頭的接觸點發熱量 = 整體的散熱量
溫度越高的時候,空氣可以帶走的熱量就越多
因此發熱量越高,達到熱平衡的溫度就越高
這整個模型是一體的
如果線很粗,則線本身的發熱量就小,溫度降低了,也有機會把接頭的熱往更遠的地方帶走
如果接頭的材料發熱量很小(材料很粗,或是用了很貴的高導電高強鍍銅材),那麼接頭的發熱量也會變小
更重要的,如果彈片夾得很緊實,那麼接觸點的發熱量通常也會大幅縮小
回頭看很重要的事情
通常插頭插座都用EIA364規範做測試,我沒查證NEMA是否有其他規範
(請見文末附註:1)
照一般作法,承受電流主要看溫升,在規定的線徑之下,灌上15A之後,溫升不能超過30度
假設測試時的溫度是25度,那麼到達溫度平衡之後,只要不超過55度就可以了
那如果你是在30度的時候使用呢? 如果你的使用環境散熱沒有實驗室這麼好呢?
更或者,萬一某些你不理解的狀況,導致電線有效線徑不夠了呢?
是的,連續大電流之下,插頭插座要到達攝氏60度其實是有很機會的
請理解,舒肥機可以用65度煮熟你的不管是雞蛋或是肉
(所謂的不理解的狀況,有一次發現家裡電鍋線的插頭超燙
結果是因為常常插拔,導致插頭後方轉折過度,線都斷光了,家裡女人有時候挺沒神經的.......)
更重要的是,如果插頭插座的接點老化之後,接觸電阻更大了,發熱量更高了會如何?
以磷青銅來說,有一個叫做熱應力鬆弛的現象
簡單講,如果你把插頭插座差在一起,丟到一個150度的高溫環境
(或者是因為大電流引起的高溫)
過一陣子,插座自己會鬆掉,夾不緊了....
夾不緊之後,會產生更多發熱量,然後就無線迴圈到燒毀為止
別擔心,如果你家的無熔絲開關有正常作動,那就是跳電而已,通常是還不至於燒起來
銅合金是很昂貴的東西
以常見的國際牌埋入式的兩孔卡式插座來說,批發價大約在20~25台幣一個
如果用貴的材料,其實根本不划算
所以如果法規是30度,我如果是松下,我八成會抓個安全係數,假設會在略高於25度就好
溫升如果要再低,成本會無法負擔,售價太高會影響銷量
回到原點
是不是每個插座都有機會在15A之下長時間工作?
答案當然是否定的，大部分插座都只是被用來插個充電器而已
否則小北邊那些在我認知應該直接扔垃圾桶的商品賣這麼多,早就到處都火災了
而,換個方式講
如果你需要長時間用高附載的電器,很久以前就介紹過了
建議你買美國插座,HUBBELL,COOPER,BRYANT.....等等等眾多品牌都有做
豪華一點買醫療級的,自己家用,可能一輩子都不會壞
原因就是,這些插座的不管設計或是用料都很好,同樣條件之下,溫升十分的低,即使過熱了,熱應力鬆弛的狀況也好得多
(請見文末附註:2)
我開頭說的法規限制,不是物理限制
指的就是說,這個尺寸限制之下,其實有機會可以做出能承受更大電流的插座/插頭
醫療級類別就是其中之一
你要把這些商品當作是安全係數取很高,或是Over Spec很多,其實都可以
如果線徑與其他條件配合,這些插座其實能承受更高很多的電流
當然,如果某個插座燒毀了,更換時請一併注意一下內部電線的狀況
很多時候,單一故障會帶走很多組件,不全換了是修不好的
牆內電線損壞的狀況比較嚴重，沒處理好更危險
冬天來了,電暖器使用的時候,多關心一下插頭插座溫度和鬆緊度
開機20分鐘之後,確定電暖器還在發熱的狀態下,用乾燥的手摸摸看插頭外部會不會燙人
燒起來怎麼都不划算的
祝大家平安過年
PS.如果你覺得有幫助,非商業用途之下歡迎你標明出處拿去轉貼
12/08/2019補充
插頭與插座的壽命理論上很長
通常插頭壽命的考量有幾點
a. 磨耗界限
b. 彈片是否疲勞
如果是有電鍍層的接頭,其實常常在電鍍磨損之後,還是能用的
EIA定義插拔之後,LLCR (接觸電阻) 的變化必須符合某個範圍
剛剛做完插拔,剛剛磨損完,其實露出新鮮的銅料,接觸有時候反而更好
如果沒有定義電鍍層不能磨光,其實大部分3C用的接頭 (好比筆電的那些I/O),實際插拔沒幾次電鍍就壞了
回到電力用的插頭插座,因為正向力大,如前所述,如果插頭不要太髒,其實刮擦行為之下,問題都不大
當然,要磨損到整個插頭變薄,插座也變薄,真的要插拔很多次
而另一個重點就在於彈片是否疲勞,這個問題前面提過了,如果母端子設計得當,即使多次的插拔,也不會讓彈片有 "彈不回去" 或甚至是 "折彎處斷裂" 的現象
如果有,就是設計不良,或是材料有瑕疵
大部分插頭之所以會因為常常插拔而損壞,大都是因為後方的電線被折斷
而,如果你買到一個插幾次之後,越來越鬆的插座,那麼建議你趕快把它換掉吧,肯定是有危險的
附註:1
台灣目前應該是依循台灣自己的 CNS 690 與 CNS 15767
這個標準大約都跟歐洲的IEC 60884 差不多
這些規範的溫升測試,細節上和 EIA 364 略有不同,但應該都還是依循最高溫升30度的規範
附註:2
通常這一類的插頭插座,北美會依循UL 498 / UL 817 之類的 UL 相關規範做測試
UL在測試這些插頭插座時,有規定必須先經過50次插拔,然後再查表使用約略是150%額定電流的超額電流做溫升試驗
雖然依循的溫升規範應該還是30度,但相對地就嚴格許多,安全係數更高,更耐用也更安全
附註:3
請理解,法規法條與其相關是十分專業的事情,並不在我的工作範圍內,所以如果你需要了解細節與正確性,請務必自己鑽研求證
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