插座老化 偵測器 WIRECARE-原理與實測

很多屋齡超過30年的老房子,早已出現嚴重的 插座老化 接觸不良,因而造成電線走火發生憾事。大部分人會想,喔! 這簡單,把插座換掉就好了,大家應該一開始都這麼認為吧,但是你知道要換哪一個插座嗎? 剛好我找到一款插座老化偵測器 WIRECARE,它操作很簡單只有一個插頭,一個TEST按鈕以及一組燈號,號稱可以偵測插座的老化程度,今天阿信助教就要來試看看,到底是不是廠商所宣稱的這樣。

插座老化處理

為了模擬插座因為鏽蝕產生的接觸不良,所以我特地去買了兩顆插座,並把其中一個拿來先做老化處理,方便比較。阿信助教做實驗一定要力求有意義,做實驗必須只留一個操作變因,才能清楚觀察這個變因是否與實驗結果有關連,在這個實驗中,插座有沒有老化就是我們的操作變因;其他條件都要一樣不能變喔,例如插座的廠牌、型號稱為控制變因。

這個刻意使插座銅片老化的過程,稱為Patination,裡面有一個很重要的物質稱為”氨”,但是氨這個東西會嗆鼻而且吸太多又有毒,所以我拿一般的玻璃清潔劑,基本上它們就是稀釋的氨水,然後跟銅片放在一起,並在銅片上撒點鹽,密封起來基本上就可以了,這個過程花了我最久的時間,放了好幾天才弄好老化。

事先刻意老化電源插座
事先刻意老化電源插座

由於簧片在插座裡面我看不到,為了做老化程度的參考,所以我也拿了一片銅箔跟插座放在一起,你看下圖,經過好幾天的放置,銅箔真的鏽蝕得很嚴重,我想應該可以推論插座內部也是一樣的。

老化處理後的銅箔與插座
老化處理後的銅箔與插座

插座老化 偵測-使用WIRECARE

接下來就是實際接上插座試試看,我先把WIRECARE插入全新的插座,如下圖上半部,測試結果燈號顯示綠燈。然後我再把電源線接到老化的插座,把WIRECARE插進去,如下圖下半部,不意外的,測試結果燈號為橘燈,我想如果前面插座老化的時間再拉長一些,也許會變成紅燈。

WIRECARE測試全新與老化的插座
WIRECARE測試全新與老化的插座

插座老化實驗做完了,我實在很好奇插座裡面的銅片到底老化到甚麼程度,由於這插座只要一打開,基本上就裝不回去了,所以只能實驗完之後才能拿來滿足好奇心。打開一看,看到非常多的銅綠,銅片表面也都是滿滿的鏽蝕痕跡,看來鏽蝕的處理是有成功。平常家裡的插座除了鏽時還會有油汙出現,那是因為空氣中的油氣日積月累一層一層的卡在銅片上,所以可能會變得非常厚,造成接觸不良。

插座老化 後的內部狀態
插座老化 後的內部狀態

接觸電阻的偵測能力

這個插座老化偵測器WIRECARE到底是如何分辨插座的老化程度的呢? 它就是以測量接觸電阻的方式來辨認,所以油汙卡得越嚴重的插座,電器插頭與插座之間的接觸電阻就會越大。可能有人說測量電阻使用三用電錶就可以,為何要用WIRECARE呢? 確實,三用電錶的確可以測量電阻,但一般的接觸電阻通常很小,可能小於1Ω,三用電錶其實無法告訴你真正的電阻值,因為待測電阻實在太小了,普通的三用電錶無法提供足夠的電流讓這麼小的電阻形成壓差,你自然得不到正確的電阻值,來! 我實際做一次給你看。

我先用三用電錶測量一個0.75Ω的精密電阻,如下圖,不要懷疑! 這看起來像電晶體包裝的東西就是電阻,因為它只有兩支腳,順便提醒各位並不是所有的電阻都是像專題實驗裡面的葫蘆形狀喔。我用電錶測量0.75Ω的電阻時,結果實際得到1.2Ω的電阻值。

三用電錶測低電阻容易有誤差
三用電錶測低電阻容易有誤差

啥! 1.2Ω和0.75Ω才差一點點,有差嗎? 告訴你差多了! 有沒有差是要看倍數。1.2與0.75差了1.2/0.75=1.6倍,等於是要100給160,如果你要找工讀生的話,會這樣給錢的嗎? 應該不會吧,不可以看數字小就都沒關係,要看倍數才對。

那這種小電阻該怎麼量呢? 這時就要拿出專業的電錶如下圖,它其實也是某種形式的萬用錶,只不過它提供了四線式的電阻測量方式,測量會更精準,它的原理可以參考這篇低電阻測量-四線式精準測量0.01Ω的原理。用這台精準的儀器測量就可以得到0.77Ω的數值,這時候我才會說”差不多”接近0.75 ohm, 如果你龜毛一點把下圖接電阻的紅黑導線再弄短一點,就會更接近0.75Ω。

四線式的電阻測量較為精準
四線式的電阻測量較為精準

那麼WIRECARE到底能不能分辨這麼小的接觸電阻呢? 我們來試看看。一般接觸電阻都是以mΩ為單位來算的,例如50mΩ之類的,所以若接觸點氧化的話,可能就會出現0.25Ω ~ 1.00Ω這樣的電阻值,當然插座如果鏽蝕或卡垢很嚴重的話,電阻值還可能更高。

我接著要用四種阻值,0Ω(短路)、0.25Ω、0.75Ω、1.00Ω,來看看WIRECARE是否能分辨差別這麼小的電阻,作法就是把電阻串接在其中一條電源線上面,用來模擬接觸電阻,得到的結果如下圖,你會發現由左到右僅僅每次增加0.25Ω,就足以讓WIRECARE的燈號從綠燈變到紅燈。

增加串接電阻會讓WIRECARE變成紅燈
增加串接電阻會讓WIRECARE變成紅燈

從模擬結果來看,我們可以想像得到幾個情境,只有插座銅片是乾淨的情況下接觸電阻最小,此時WIRECARE會是綠燈。如果插座銅片上有汙垢產生0.25Ω的接觸電阻,WIRECARE就會開始變成橘燈,而且污垢越厚橘燈的數量越少;若污垢卡得非常嚴重,讓接觸電阻來到1.00Ω甚至以上,此時WIRECARE就會直接呈現紅燈,這時就一定要換插座了。

1Ω讓你身處危險之中

我在前一段曾很嚴肅的告訴大家,不可以因為電阻小就忽略它,1Ω的電阻雖然看起來很小,但如果你讓一個很大的電流經過,它還是很嗆的。

例如你讓一個10A的電流通過1Ω的電阻,根據\(P=I^{2}R\)你會得到100W的功率,你可以想像有個100W的燈泡塞在插座裡面,應該會很熱,如果這顆電阻撐不過100W,它就會燒掉。為了讓大家加深印象,我還真的串了一顆1Ω的電阻在110V的電源線上,用來模擬簧片的接觸電阻,然後插上電熱器,一般台電熱器會吸走相當大的電流,應該是有超過10A,我很不喜歡講”應該”兩字,但是因為一切發生得太突然,讓我來不及測量電流。

在我把電熱器插上的時候,我從熱顯像儀就看到這個電阻非常的亮,表示溫度滿高的,當我正在觀賞這個亮點的時候,電阻已經開始冒煙了,我趕緊把電熱器的電源關掉,等到煙散去的時候,電阻就已經是如下圖這般的樣子,它的正面看不出異狀,但它的背後已經炸開了,白色的部分是散熱區,照理說如果有貼個散熱片的話應該不會這麼快冒煙,但我沒貼,所以只撐了幾秒鐘就再見了。從這個地方你就知道,在一般的小型低電流電路,大部分都是mA級的電流,1Ω在這種電路裡面通常可以忽略,但如果到了10A級的電流,你就不能當作沒看到了。

模擬大電流經過1ohm接觸電阻的炸裂結果
模擬大電流經過1ohm接觸電阻的炸裂結果

這種現象若實際發生在插座上,會發生甚麼事情呢? 那就會像下圖一樣,整個插座變黑變形,你去看看家裡廚房電鍋的插座是不是已經是像這個樣子了,這時你不妨使用WIRECARE來測試看看這樣的插座是否會亮橘燈。雖然期望中會亮橘燈,那萬一亮的是綠燈,怎麼辦呢? 我還是會建議你換掉,因為塑膠受熱之後會變脆,萬一有一天碎掉了,就容易碰到裡面的銅片,觸電機會就會增高,畢竟WIRECARE再厲害也只能測量接觸電阻,它無法知道你的插座外殼是否已經變脆了。

長期發熱的插座很危險
長期發熱的插座很危險

推論WIRECARE的原理

我實在很好奇一台消費型的插座偵測器到底是如何分辨出0.25Ω~1Ω這些不同的低電阻? 而且還不需要跨接插座的內部與外部,我猜測它應該是使用不同的電流來做測量與估算,為了確認這一點,所以我又把剛才的高級電錶拿出來用如下圖,只不過這次改為測量電流,你可以看到我把電錶串接在其中一條電源線上,當我按下WIRECARE的測試鈕,電錶上就會出現高高低低的電流變化,下圖中的0.88A僅是其中一個值。

插座老化 偵測器使用不同電流來工作
插座老化 偵測器使用不同電流來工作

由於測試過程中的電流有變化,所以我的推論應該是正確的,WIRECARE可能用了不同的電流來估算接觸電阻。我簡單說明一下請看下圖,Vsrc是電壓源,通常就是我們所稱的110V,r就是插頭與插座之間的接觸電阻,只要r有值就會產稱壓降,於是在r右邊的負載電壓V就會比左邊的Vsrc小一點,而貫穿整個迴路的電流則是I。

插座老化 偵測器的等效電路
插座老化 偵測器的等效電路

我先假設WIRECARE是使用兩種電流來推算接觸電阻,實際上它到底用了幾個電流我也不知道,基本上只要有兩組電流就可以推算接觸電阻,如果真的用多組電流的話可能就是為了平均,讓它更具參考價值。反正我就先以兩組電流來說明,我以接觸電阻r為主角,根據歐姆定律列出了兩個算式如下。

\(V_{src}-V_{1}=I_{1}\times r\)…(1)
\(V_{src}-V_{2}=I_{2}\times r\)…(2)

算式的左邊就是接觸電阻兩端的電壓差,右邊應該大家不陌生,就是很單純的電流乘以電阻,由於有兩組電壓電流,所以有兩組式子,標示為(1)和(2)。為了計算出接觸電阻r,只要把(1)和(2)相減,就可以把\(V_{src}\)消除掉,再把項次挪一下就可以得到接觸電阻如下。

\(r=\frac{V_{2}-V_{1}}{I_{1}-I_{2}}\)

可能有人會說Vsrc不都是110V嗎? 直接套用110不就可以了,雖然聽起來好像對,但答案是不行。因為110V是標稱電壓,而實際上每個地方的電源電壓都不一樣,但會很接近110V,有些人家裡可能是115V、有些是113V,這就很像你去買零食,包裝上的淨重是印刷上去的,每一包都印一樣的重量,它只是告訴你內容物的重量是以這個為目標,實際上不會100%相同,不信你去秤看看就知道了。所以台電的110V在每一戶並不是固定的,即便是每天也不是很穩定,每天電壓都會上下幾個小數點,偶爾落差會達到1V,這雖然不全然是台電的問題,也不見得會影響電器,但是它就是會影響我們的計算。

所以考量現實之下,最好的方式就是把Vsrc從我們的算式中移除,僅參考WIRECARE裡面的電壓與電流測量值來計算,畢竟我們必須仰賴穩定的電路來做測量,畢竟小範圍的電路較好做誤差的控管,我們就傾向於相信它,而像台電這種大範圍的系統,誤差相對來說就會比較大,我就不會拿它來做為量測參考。

從公式來看,各位如果再仔細想想的話,可以發現這個r,其實是整段電源路徑當中的電阻總和,並不限於插座的接觸電阻。畢竟電源路徑也可能是由很多段電線接在一起的,中間的任何銜接處也都會產生接觸電阻,只不過我們目前假設這些接觸電阻小到可忽略,因為越往電源端的電線通常會越粗,接點工法也越謹慎,例如它可能採用用結線的方式作續接,或是用端子鎖螺絲續接,甚至是使用壓接的方式做銜接,這種工法的接觸電阻會非常低,所以基本上可以忽略它。

所以一般來說,WIRECARE偵測到橘燈或紅燈,通常指的就是插座有問題。如果換了插座之後,WIRECARE仍然偵測到橘燈或紅燈,那麼很可能就是連接插座的後端電源線裡面的某一段出了問題,這時候就要一段一段的找問題了,這就需要花點時間了。

插座老化 的危險

為了示範插座老化的危險性,我特地拿了一台20年歷史的電熱器,它基本上還可以使用,但是再怎麼耐操的產品,它的插座與電線也都是金屬做的,所以它就會氧化,基本上它的插頭已經黑掉了,而且有裂開的現象,我猜插頭裡面的電線接觸點應該也是有鏽蝕的現象,這樣的插頭若插在插座上就會升溫,因為它有很高的接觸電阻,這裡所謂的高電阻也不過就是1Ω左右而已,但它就是很嗆。

我實際把電熱器的插頭插在延長線上,並且用熱顯像儀拍攝,你就會發現插頭的部分真的是非常的光亮啊,表示插頭的溫度真的是比其它地方要高。你可能會發現其它的電源線本身也有亮度,因為電流在電線裡面會出現熱效應,我出於安全考量沒有將電熱器開太久,否則插頭的溫度應該會到達40~50度,這也是我以前早將這台電熱器淘汰的主要原因。

熱顯像儀所呈現的電熱器插頭
熱顯像儀所呈現的電熱器插頭

其實用延長線接電熱器並不妥當,這樣會讓電源路徑中間多一個接觸電阻,增加升溫的風險,我使用延長線只是為了要讓畫面好看。如果使用的延長線線徑較細,電線還會發燙喔,我來試給各位看。下圖中我故意換上一個較細的延長線,線徑和電熱器本身的電線差很多,在將電熱器打開之後,各位可以發現延長線的溫度真的比較高,在熱顯像儀中它比較亮,因為線徑較細;而電熱器本身的電源線相對溫度較低,畫面中顯示較暗,因為線徑較粗。所以若真的不得已需要使用延長線,必須使用動力延長線,它的線徑比較粗,散熱會較好,否則電線會有燒融的危險。一般露營炊具或小型馬達例如空壓機之類的東西,都會採用動力線,如果是工地用的電動工具,它們基本上不會使用延長線,而是直接用很長的粗電線接插座,一般稱為電動工具電源線。

較細的延長線容易發熱
較細的延長線容易發熱

插座老化 偵測器WIRECARE實測

前面講了那麼多,到底用在實際的插座上是否有用處呢? 我特別找了一個空屋來做測試,它裡面有一面牆壁出現嚴重的壁癌,想必插座會受到影響,因此我取了同一個房間的兩個插座來做實測,一個插座是位於房子內部的隔間牆,狀況較為乾燥,另一個插座位於房子受風面的外牆,經常受雨淋,有嚴重的壁癌,狀況較為潮濕。

我把插座老化偵測器分別插入這兩個插座,觀察它的測試結果如下圖,較乾燥的牆面插座,測試的結果是綠燈,有壁癌的插座,測試結果為橘燈,表示這個壁癌面的插座該換了。

插座老化 偵測器WIRECARE老屋實測
插座老化 偵測器WIRECARE老屋實測

聰明的你一定會問,根據我前面的論述,出現橘燈會不會剛好是牆壁裡面電源的結線出問題? 要釐清這個問題很容易,通常一個插座盒有兩組插孔,你只要把WIRECARE插到另一個插孔內,如果出現綠燈就表示牆壁裡面的電源線沒問題,因為這兩組插孔是共用一組火線與中性線,如果測試起來一組是綠燈而另一組卻是橘燈,那肯定是插座有問題。

延長線的危險性

前面我有講過不要用延長線來接電熱器,也讓各位看過在大電流之下1Ω的威力不容小覷,所以接下來我就要實際把延長線串接起來做實驗,只不過沒有要使用大電流,這太危險了。我是要用WIRECARE來測試,觀察燈號的變化,讓各位看看串接的延長線最後會變成怎樣。

我把家裡上上下下搜刮了一遍,只找到三條閒置的延長線,將它們全部串接起來之後,把偵測器插在第一個延長線上,WIRECARE得到綠燈,也就是PASS的結果如下圖,表示第一條延長線要使用是沒問題的。

串接的第一個延長線測得綠燈PASS
串接的第一個延長線測得綠燈PASS

接著測試串接的第二條延長線,我們得到橘燈的警告訊號,表示我們不適合把這第二條延長線拿來使用,尤其是高功率電器。如果你硬要用,可能會在沿路的每個插座接點上產生熱能,這是一件很危險的事情。

串接的第二條延長線出現橘燈警告
串接的第二條延長線出現橘燈警告

最後我把偵測器插在最後一條也就是第三條延長線上,原本我是期望會得到紅燈的,不過實際測出來一樣是得到橘燈,根據前面一堆的實驗與推論,我相信如果一直串下去的話,最後一定會得到紅燈。

雖然只接一條延長線的時候,插座老化偵測器亮的是綠燈,但那只表示插座接觸點沒有老化,不代表你可以插上高耗能電器,還記得前面的熱顯像儀照片嗎? 如果延長線的線徑很細,一樣會產生熱能的喔,一直用下去的話電線外皮是真的會融化掉的喔,無奈偵測器只能測試阻抗,無法偵測線徑,我們還是得用心多觀察,才能確保安全。

這種插座偵測器,其實可以放一個在家裡,要用的時候就有,通常你懷疑某個插座有問題,一般就是直接跳過不用,等你下次想到,早就忘記哪個插座有問題了,如果手邊有個偵測器,想到就可以趕快測一下,才不會錯過更換的黃金時間。

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2 Comments

  1. 本來以為用三用電錶可以搞定,所以嘖嘖募資時沒有低價購入,現在經由助教老師的解說,才知道三用電錶量小電阻不準,只好摸摸鼻子,用25xx元購入…

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