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2016.08.03

【安全疑慮】旋轉式(Rotary switch)開關接點起火,遭澳洲權威測試機構調查

2014上半年短短6個月期間,澳洲消費者委員會(Australian Competition and Consumer Commission簡稱ACCC)總共接獲4起光伏直流隔離開關(DC isolator switch)燒毀事故並通報召回,與更早的2012年相比,僅發生過1次類似案件。於是,探究各個廠牌產品差異及安全特性,成為澳洲官方關注焦點。初步歸納顯示,這5起直流開關燒毀案例,並非全由單一廠商生產製造,不約而同的卻是,這些不同廠牌的直流開關,皆採用旋轉式結構(Rotary style)觸點消弧。深入分析發現,導致起火的根本原因是開關超溫,其中金屬觸點的熱機械性能,在設計理論和實際應用兩方面存在牴觸。簡言之,這些危險案例,皆因高阻抗的觸點積熱嚴重所致。

設計特徵(The Design)
包含一些未經ACCC複查而存在隱憂的發電系統,旋轉式(Rotary style)開關在當今太陽能領域的應用十分普遍。圖一顯示典型的旋轉式內部觸點構造,開關的閉合透過一組刀板舌片(knife-edge terminal blade)與彈簧夾片 (Spring-loaded contact points)相互鉗合導通,開關關斷時,狀似刀板的舌片從夾片縫隙中快速抽離,盡可能減小電弧。

圖二觀察到引發高溫起火的彈簧夾片及絕緣材料的細部組件,尤其當銅合金夾片的彈性不足,甚至完全喪失時即產生所謂的接觸不良,高阻抗加促溫度上升,夾片的彈性在熱作用惡性循環中,便很快引發熔化燃燒。

失效分析(The Failure Mode)
當然,原始設計階段預期的接觸阻抗,肯定比燒毀狀態的阻抗低得多,理論上開關內部元件在不同溫度環境中,尺寸上僅容許輕微的改變。然而,實際的高溫現象,是微環境的熱失衡結果,隔離開關的彈簧夾片一旦熱膨脹,接觸阻抗亦不同程度地增變,此"局部熱點"反過來增加了金屬觸點的接觸阻抗。此外,絕緣材料的軟化形變,也成為熱失控(thermal runaway)的前奏及助長。熱能不斷累積,溫度持續上升的最終結果,點燃周圍塑料外殼及其它可燃性物質。

       

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