Nghiên cứu về ứng dụng thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim trong đánh giá an toàn cháy nổ của các sản phẩm điện và điện tử.

Tóm tắt:

Trong quá trình vận hành thiết bị điện và điện tử, các sự cố như đoản mạch và quá nhiệt do lão hóa của các linh kiện có thể dễ dàng tạo ra các ngọn lửa nhỏ, có thể gây cháy các vật liệu cách điện như nhựa, vỏ bọc xung quanh và trở thành nguyên nhân chính gây ra hỏa hoạn do điện. Thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim đánh giá hiệu suất chống cháy của các linh kiện sản phẩm và vật liệu cách điện bằng cách mô phỏng các ngọn lửa nhỏ do các sự cố bên trong gây ra. Nó đóng vai trò là thiết bị thử nghiệm quan trọng để chứng nhận an toàn cho các sản phẩm điện và điện tử. LISUN Bài báo này, lấy máy thử ngọn lửa kim ZY-3 làm đối tượng nghiên cứu, giới thiệu nguyên lý hoạt động, đặc điểm cấu tạo, các thông số kỹ thuật chính, quy trình thử nghiệm, tiêu chí đánh giá và các kịch bản ứng dụng thực tiễn của thiết bị thử ngọn lửa kim. Bài báo cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật cho việc kiểm tra an toàn cháy nổ của các sản phẩm điện tử, nghiên cứu và phát triển vật liệu chống cháy, cũng như tiếp cận thị trường sản phẩm.

Giới thiệu

Rất nhiều vụ cháy điện bắt nguồn từ sự bắt lửa bên trong thiết bị. Khác với ngọn lửa ngoài trời, nhiều nguồn gây cháy chỉ là những ngọn lửa nhỏ hình thành do đoản mạch hoặc quá nhiệt của các linh kiện điện tử. Những ngọn lửa này có thể tích nhỏ và năng lượng tập trung. Chúng có xu hướng bắt lửa các chất cách điện bằng nhựa, chất nền PCB và vỏ dây dẫn liền kề, và lan rộng thành các vụ cháy nghiêm trọng. Các thử nghiệm đốt cháy thông thường chủ yếu được thiết kế cho các kịch bản ngọn lửa ngoài trời quy mô lớn và không thể tái tạo các điều kiện hoạt động thực tế của các nguồn cháy siêu nhỏ bên trong thiết bị. thiết bị kiểm tra ngọn lửa kim Đây là thiết bị thử nghiệm được phát triển đặc biệt cho các điều kiện làm việc như vậy. Nó tuân thủ tiêu chuẩn Trung Quốc GB/T 5169.5‑2020 và tiêu chuẩn quốc tế IEC 60695‑11‑5:2016. Thiết bị này được sử dụng để mô phỏng các ngọn lửa nhỏ phát sinh do lỗi thiết bị bên trong và đánh giá khả năng chống cháy của vật liệu và các bộ phận máy hoàn chỉnh trong điều kiện bắt lửa nhỏ, cũng như nguy cơ lan truyền ngọn lửa. Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị gia dụng, thiết bị công nghệ thông tin, sản phẩm chiếu sáng, điện tử ô tô, phòng thí nghiệm thử nghiệm bên thứ ba và các viện nghiên cứu. Là một thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim thương mại hoàn thiện, LISUN Máy kiểm tra ngọn lửa kim ZY-3 tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu tiêu chuẩn, thực hiện điều khiển ngọn lửa chính xác, hẹn giờ tự động và ghi dữ liệu. Nó có thể hoàn thành các thử nghiệm nghiên cứu và phát triển, kiểm tra nhà máy và kiểm tra chứng nhận. 

1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim

Thành phần cốt lõi của thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim là một đầu đốt hình kim tiêu chuẩn sử dụng khí butan có độ tinh khiết ≥95%, tạo ra ngọn lửa thử nghiệm tiêu chuẩn có chiều cao 12 mm ± 1 mm. Ngọn lửa được áp dụng lên bề mặt mẫu vật ở góc nghiêng 45° để mô phỏng tác động của các ngọn lửa nhỏ do hiện tượng đoản mạch và quá nhiệt lên bề mặt linh kiện. Trong quá trình thử nghiệm, thời gian áp dụng, thời gian cháy sau khi tắt lửa và thời gian phát sáng của mẫu vật sau khi loại bỏ ngọn lửa được ghi lại. Đồng thời, các quan sát được thực hiện để kiểm tra xem các giọt nóng chảy có gây cháy giấy lụa và ván gỗ thông bên dưới hay không. Mục tiêu cốt lõi của nó không phải là đo hiệu suất vật liệu khi tiếp xúc với lửa quy mô lớn, mà là để nghiên cứu xem các vật liệu xung quanh có bị bắt lửa khi các nguồn lửa nhỏ cục bộ xuất hiện bên trong thiết bị hay không, liệu quá trình cháy có thể tự dập tắt sau khi bắt lửa hay không, và liệu các giọt nóng chảy có gây lan rộng đám cháy hay không. Dựa trên các quan sát trên, mức độ an toàn cháy của sản phẩm có thể được đánh giá.

Một bộ thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim hoàn chỉnh bao gồm buồng thử nghiệm kín, đầu đốt hình kim, hệ thống điều khiển đường dẫn khí, cụm kiểm tra nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện, mô-đun thu thập thời gian và bộ phận tương tác người-máy. Đầu đốt hỗ trợ điều chỉnh góc: vị trí thẳng đứng để hiệu chuẩn và vị trí nghiêng 45° để thử nghiệm chính thức. Cặp nhiệt điện kiểm tra công suất nhiệt của ngọn lửa. Yêu cầu tiêu chuẩn quy định rằng ngọn lửa phải tăng từ 100 ℃±2 ℃ đến 700 ℃±3 ℃ trong vòng 23.5 s±1 s. Điều này đảm bảo công suất nhiệt nhất quán cho mỗi lần thử nghiệm và đảm bảo kết quả thử nghiệm có thể lặp lại và so sánh được giữa các lô và phòng thí nghiệm khác nhau.

ZY-3 Kiểm tra ngọn lửa kim

2 Các thông số chính của LISUN Thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim ZY-3

LISUN Thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim ZY-3 có hai phiên bản: ZY-3 với buồng kín và ZY-3S không có buồng kín. Phiên bản có buồng kín cách ly sự can thiệp của không khí bên ngoài và ổn định môi trường thử nghiệm, phù hợp cho các thử nghiệm tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm. Phiên bản không có buồng kín có kích thước nhỏ gọn và phù hợp cho việc sàng lọc nhanh trên dây chuyền sản xuất. Các thông số kỹ thuật chính được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1. Các thông số kỹ thuật chính của thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim ZY-3 và ZY-3S.

Như thể hiện trong Bảng 1, cả hai phiên bản đều có chung các chỉ số về quá trình đốt cháy cốt lõi, thời gian và nhiệt độ. Sự khác biệt nằm ở cấu hình buồng đốt và trọng lượng tổng thể. Người dùng có thể lựa chọn mô hình theo môi trường thử nghiệm và kịch bản ứng dụng. Toàn bộ thiết bị sử dụng kết cấu thép phun chịu nhiệt cao, có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn cao, đáp ứng các thử nghiệm nhiệt độ cao lặp đi lặp lại trong thời gian dài. Thiết bị hỗ trợ ứng dụng ngọn lửa liên tục đơn hoặc đa ngọn lửa để đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm đốt cháy liên tục đặc biệt của tiêu chuẩn IEC 62368-1.

3. Quy trình thử nghiệm tiêu chuẩn và đánh giá kết quả đối với thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim

3.1 Quy trình thử nghiệm

1. Xử lý sơ bộ và kẹp mẫu: Cố định mẫu lên giá đỡ và chọn vị trí có khả năng tiếp xúc nhiều nhất với ngọn lửa phát sinh bên trong sản phẩm làm điểm đặt ngọn lửa.
2. Hiệu chuẩn thiết bị: Châm lửa đầu đốt, điều chỉnh chiều cao ngọn lửa đến 12 mm ± 1 mm. Kiểm tra tốc độ tăng nhiệt độ ngọn lửa bằng khối đồng và cặp nhiệt điện để xác nhận tuân thủ các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn.
3. Thiết lập các thông số thử nghiệm. Thời gian tiếp xúc với ngọn lửa được khuyến nghị tiêu chuẩn thường là 30 giây. Xoay đầu đốt đến vị trí 45° và đưa đầu ngọn lửa tiếp xúc với mẫu vật.
4. Sau khi kết thúc thời gian cấp lửa đã được cài đặt trước, đầu đốt sẽ tự động thu lại. Thiết bị kiểm tra ngọn lửa kim bắt đầu tự động ghi lại thời gian cháy sau khi tắt lửa và thời gian cháy âm ỉ.
5. Quan sát hành vi cháy của mẫu vật trong suốt quá trình thử nghiệm, theo dõi các giọt kim loại nóng chảy và kiểm tra xem giấy lụa và tấm ván gỗ thông trắng bên dưới có bị bắt lửa hoặc bị cacbon hóa hay không.
6. Kết thúc thử nghiệm sau khi mẫu vật tắt hoàn toàn mà không có hiện tượng phát sáng. Xuất dữ liệu thử nghiệm và ghi lại các hiện tượng quan sát được.

3.2 Tiêu chí Đạt/Không đạt

Theo tiêu chuẩn GB/T 5169.5‑2020, mẫu thử đạt yêu cầu thử nghiệm ngọn lửa kim nếu đáp ứng một trong hai điều kiện sau:
(1) Không có hiện tượng bắt lửa hoặc phát sáng xảy ra trên mẫu vật khi tiếp xúc với ngọn lửa; giấy lụa bên dưới không bị bắt lửa và tấm ván gỗ thông trắng không bị cacbon hóa.
(2) Sau khi loại bỏ ngọn lửa, tổng thời gian ngọn lửa và phát sáng trên mẫu vật là dưới 30 giây và các giọt nước không bắt lửa hoặc cacbon hóa lớp lót.

Hiện tượng cháy kéo dài của mẫu vật hoặc sự bắt lửa của lớp lót do các giọt vật liệu nóng chảy cho thấy nguy cơ lan truyền lửa trong điều kiện lỗi ngọn lửa nhỏ bên trong. Cần thiết kế lại sản phẩm, bao gồm sửa đổi cấu trúc hoặc sử dụng vật liệu cách nhiệt có khả năng chống cháy cao hơn.

4 kịch bản ứng dụng của thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim

Thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp điện tử, công nghệ thông tin, chiếu sáng, điện tử ô tô và nghiên cứu phát triển vật liệu.

Thứ nhất, trong ngành công nghiệp thiết bị điện: đế cách điện của rơle, công tắc tơ và cầu dao, các tấm nhựa của công tắc và ổ cắm, và các lớp cách điện của cáp cần thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim để mô phỏng ngọn lửa nhỏ do hồ quang tiếp xúc và sự cố quá tải gây ra. Điều này giúp kiểm chứng hiệu suất chống cháy của các bộ phận cách điện để đáp ứng các yêu cầu an toàn như GB/T 2099.1 và đảm bảo an toàn điện áp thấp.

Thứ hai, đối với thiết bị công nghệ thông tin và thiết bị nghe nhìn: bộ định tuyến, máy in, bộ chuyển đổi nguồn, vỏ bộ sạc và các thành phần cách điện bao quanh mô-đun nguồn được kiểm tra nguy cơ cháy do đoản mạch chip và quá nhiệt. Tuân thủ tiêu chuẩn GB/T 4943.1‑2022 và IEC 62368‑1:2023, thử nghiệm ngọn lửa kim là một hạng mục chứng nhận quan trọng đối với thiết bị điện tử tiêu dùng.

Thứ ba, trong ngành công nghiệp chiếu sáng: các bộ phận bên trong bằng nhựa của vỏ bộ điều khiển LED, đế đèn, chấn lưu và đèn pha ngoài trời được kiểm tra khả năng chống cháy đối với các ngọn lửa nhỏ từ các bộ phận bên trong bị lỗi, tuân thủ theo tiêu chuẩn. GB 7000.1‑2015.

Thứ tư, điện tử ô tô và xe năng lượng mới: các bộ phận bên trong hệ thống điều khiển trung tâm gắn trên xe, lớp cách điện của bó dây dẫn, chất cách điện của cụm sạc và vỏ BMS được thử nghiệm để mô phỏng ngọn lửa nhỏ do quá tải khi sạc và lỗi mạch gây ra, nhằm đánh giá hiệu suất an toàn cháy nổ của các linh kiện ô tô theo tiêu chuẩn ISO 6722-1 và GB/T 2408-2021.

Thứ năm, nghiên cứu và thử nghiệm vật liệu: các loại nhựa kỹ thuật biến tính như ABS, PC, PA, tấm sợi thủy tinh epoxy và màng polyimide được thử nghiệm bằng thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim để thu được dữ liệu về sự bắt lửa và dư cháy. Dữ liệu này hỗ trợ việc phát triển công thức chất chống cháy và đánh giá cấp độ vật liệu, cung cấp cơ sở thử nghiệm định lượng cho việc cải tiến vật liệu mới.

Kết luận 5

thiết bị kiểm tra ngọn lửa kim Đây là dụng cụ thử nghiệm quan trọng để tái tạo các tình huống ngọn lửa nhỏ do đoản mạch và quá nhiệt linh kiện bên trong thiết bị điện tử. Nó khắc phục được hạn chế của các thử nghiệm đốt cháy ngọn lửa lớn, vốn không thể mô phỏng các nguồn lửa siêu nhỏ bên trong thiết bị. Kết quả thử nghiệm phản ánh trực tiếp hiệu suất an toàn cháy nổ của các linh kiện và vật liệu cách điện trong điều kiện sự cố thực tế. LISUN Thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim ZY-3 hoàn toàn tuân thủ tiêu chuẩn trong nước GB/T 5169.5-2020 và tiêu chuẩn quốc tế IEC 60695-11-5:2016. Nhiệt độ ngọn lửa, chiều cao ngọn lửa và độ chính xác thời gian được kiểm soát tốt. Được trang bị hai chế độ vận hành màn hình cảm ứng và điều khiển từ xa, thiết bị cân bằng giữa độ chính xác thử nghiệm và an toàn vận hành, đáp ứng nhu cầu đa dạng của các bộ phận kiểm soát chất lượng doanh nghiệp, phòng thí nghiệm bên thứ ba và các viện nghiên cứu.

An toàn điện là yêu cầu bắt buộc để sản phẩm được phép lưu thông trên thị trường. Các doanh nghiệp phải tận dụng tối đa thiết bị thử nghiệm ngọn lửa kim để tiến hành thử nghiệm ngọn lửa kim ngay từ giai đoạn nghiên cứu và phát triển sản phẩm, xác định trước các nguy cơ cháy nổ của linh kiện, tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu và thiết kế cấu trúc, giảm thiểu rủi ro cháy nổ do điện từ nguồn và đảm bảo an toàn sản phẩm.