¿Cómo puedo proteger una fuente de alimentación de 12 VCC de cortocircuitos de alta resistencia? [cerrado]

Tengo una camioneta con inversor-cargador AIMS de 3kw. Está cableado con un cable de soldadura 4/0 (tanto para el positivo como para el neutro dedicado al alternador), e instalé un bloque con un fusible de 300 A en el compartimiento del motor lo más cerca posible del alternador. Mi preocupación es que la mayoría de los eventos concebibles que causan un cortocircuito tendrían una ruta de corriente con resistencia tal que el cortocircuito sería mucho menor que 300 A y, por lo tanto, no quemaría el fusible.

¿Cuál es la práctica recomendada para cablear tales sistemas? Hice una búsqueda de "Protección contra fallas a tierra de CC", pero ninguno de los productos que surgieron parecía ser apropiado para mi aplicación. Si estuviera disponible un dispositivo GFCI de 300 A y 12 V CC, con gusto lo compraría. Gracias de antemano.

Editar: estoy hablando de un corto de vivo a tierra, no de vivo a neutral. Supongamos que el aislamiento que rodea el cable vivo al inversor (que se enruta a lo largo del marco del camión) se abre de alguna manera y el cable desnudo hace un cortocircuito débil contra el marco. Este es el evento del que quiero estar protegido. Para ser claros, las respuestas relacionadas con la protección física del cable vivo no son apropiadas aquí; Ya he tomado medidas para asegurarme de que esté lo más lejos posible del peligro.

Edición 2: Estos son los eventos que preveo que posiblemente ocurran como resultado de un corto entre vivo y tierra (y quiero evitar): 1) baterías que se agotan, 2) baterías que explotan debido a un corto de hasta 300 A, 3) un incendio que se inicia debido al calentamiento resistivo de un corto de hasta 300 A a través de componentes del cuerpo o el marco.

Edición 3: enfatizo que el inversor tiene un neutral dedicado que se conecta directamente a la carcasa del alternador. Por lo tanto, TODA la corriente de retorno debe pasar a través de este cable a menos que haya una falla de conexión a tierra en alguna parte. En tal caso, habrá una diferencia en la corriente entre los cables vivos y neutros, que es la condición en la que quiero que mi dispositivo misterioso se dispare y desconecte el cable vivo.

Edición 4: aquí hay un ejemplo concreto de una situación que quiero evitar en la que el fusible no ofrece protección. Imagine que el vehículo está involucrado en una colisión y la carrocería del camión perfora el aislamiento del cable de 12V. El cable de 12 V ahora tendrá un cortocircuito débil (la carrocería del camión está pintada y probablemente sucia) contra la carrocería del camión, lo que dará como resultado una corriente finita que posiblemente sea mucho menos de 300 A, pero aún así suficiente para provocar un incendio debido al calentamiento resistivo. y/o explosión de la batería (o simplemente agotar la batería e inutilizar el camión).

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .

Respuestas (5)

Si quisiera hacer su propio GFCI "horneado en casa", podría hacerlo.

Lo que necesitas es:

  • una forma de medir la corriente que pasa por cada una de sus líneas de alimentación: busque "resistencia de derivación 300A" (necesitará 2)
  • una forma especial de preamplificar la medición en la línea de 12 V: busque "amplificador de medición de corriente de lado alto"
  • una forma especial de preamplificar la medición en la línea "neutral": busque "amplificador de medición de corriente"
  • Una forma de comparar esas dos medidas: sugiero una búsqueda de microcontrolador "Arduino"
  • Una forma de controlar la desconexión de la línea: Omron tiene algunos relés grandes que pueden resultarle interesantes.

Necesitará un montón de otros circuitos adhesivos para que todas esas cosas funcionen juntas, pero este no es un servicio de diseño.

Como nota al margen, es posible que tenga más suerte si no intenta encontrar un GFCI para esta aplicación; sino más bien diseñe una manera en que sus líneas de alimentación sean mucho menos propensas a sufrir un cortocircuito, 3M fabrica cinta aislante a base de vidrio para alta temperatura en la que puede envolver sus líneas. Y, sinceramente, dudo que el aislamiento del cable de soldadura 4/0 le falle. de cualquier manera, pero puede grabar los puntos de conexión.

Finalmente, una respuesta útil. Gracias. Envolví el cable caliente con un telar de alambre de plástico duro como medida preventiva y estoy muy seguro de que no fallará, pero pensé que si hubiera disponible un dispositivo de protección contra fallas a tierra a un precio razonable, también lo compraría. Dicho esto, su solución está mucho más allá de mis capacidades; parece que tendré que tirar los dados.
Honestamente, tiraría los dados. Solo protege los puntos de conexión. GFCI'ing el lado de CA / w cosas listas para usar no es una mala idea si su inversor aún no lo hace.
Sí, el inversor tiene un tomacorriente GFCI incorporado y coloqué 10/2 SOOW en la plataforma del camión donde monté un tomacorriente auxiliar de 20A GFCI y 30A estilo generador (NEMA 14-30). Mi preocupación era golpear algunos escombros de la carretera que podrían levantarse y cortar el cable caliente y posiblemente provocar un cortocircuito contra el bastidor del camión. Dada la forma en que enruté los cables y la cantidad de protección física que les brindé, parece un escenario extremadamente improbable, pero si hubiera algún hardware estándar disponible para eliminar la posibilidad, probablemente estaría dispuesto a invertir en él. .

La solución es proteger cada cable con un disyuntor o fusible de la clasificación adecuada para evitar que el cable se derrita en caso de cortocircuito.

La protección contra fallas a tierra es para salvaguardar a los humanos contra las pequeñas corrientes que fluyen desde la red eléctrica a tierra a través de una persona de alta resistencia. Tal corriente no dispararía los interruptores de protección del cable, por lo que se dispara el GFCI. Solo es útil para fugas a tierra, pero esta es una forma común en que las personas se sorprenden. No proporciona protección contra cortocircuitos de vivo a neutral.

Su instalación debe estar segura contra un corto a tierra en cualquier punto. Si tiene un cable de gran calibre con un fusible grande, está bien, pero si luego toma un cable más pequeño de ese, el cable más pequeño necesita un fusible más pequeño donde comienza. Esto se suele hacer en un cuadro de distribución, para la red, y en una caja de fusibles, en un vehículo. Los fusibles pequeños se conectan al panel de distribución grande de 12 V, y los cables delgados van desde allí.

Con respeto, esto es simplemente inexacto. La suposición de que un cortocircuito derretiría el cable de soldadura 4/0 no es razonable, y declaré explícitamente en mi pregunta que mi preocupación son los cortocircuitos con resistencia tal que la corriente a través del cortocircuito está muy por debajo de la clasificación del fusible o disyuntor de 300 amperios. . Dichos cortos son comunes en aplicaciones automotrices debido al bajo voltaje. Además, el cortocircuito que describo es vivo a tierra, no vivo a neutro. GFCI definitivamente brinda protección contra tales eventos, el problema es si existe un dispositivo de este tipo para esta aplicación.
Si su fuente está limitada a producir menos corriente de la que puede manejar su cable, ¿por qué instalar un fusible? De todos modos, usted dijo que le preocupaba que se dañaran los dispositivos más pequeños, no el cable grueso. En ese caso, protégelos con fusibles más pequeños, ¿eh?
No dije nada sobre la protección de dispositivos; Me preocupa lo siguiente: 1) las baterías se agotan, 2) las baterías explotan debido a un cortocircuito de hasta 300 A, 3) se inicia un incendio debido al calentamiento resistivo de un cortocircuito de hasta 300 A a través de los componentes del cuerpo o marco.
Veo a dónde vas, pero creo que un gran fusible es todo lo que necesitas. Si el inversor consume 300 A completos, un cortocircuito consumirá más. Si el cuerpo de alguna manera no puede transportar 300 A, entonces también necesita protección. ¿Qué tal un fusible de 100 A en el enlace entre el negativo de la batería y el cuerpo?
Un corto débil definitivamente podría consumir mucho menos de 300A. Imagine que el vehículo tuvo un accidente y la carrocería del camión se deformó de tal manera que pellizcó y cortó el aislamiento del cable caliente, apenas haciendo contacto con él. Ahora tenemos un cable de 12V con falla a tierra contra la carrocería pintada del camión, que también está sucia. Este no es un cortocircuito de resistencia cero. La corriente será finita y muy posiblemente menor de 300A. De todos modos, la línea neutral no es el problema ya que mi preocupación es una falla a tierra.
Acepto que este dispositivo misterioso puede no existir. Pero no acepto lo que dicen algunas personas, a saber, que mis preocupaciones son totalmente infundadas o que el fusible me brinda la protección que necesito. Hablo por experiencia en este asunto, después de haber lidiado con numerosos cortocircuitos débiles que no eran lo suficientemente graves como para derretir/soldar nada, pero sin duda eran un problema lo suficientemente grande como para que mi batería se agotara entre el momento en que apagaba mi camión por la noche y a la mañana siguiente cuando iría a ponerlo en marcha.

Un interruptor de falla a tierra NO es lo que necesita. Necesita un fusible o disyuntor del tamaño adecuado.

Los interruptores de falla a tierra son algo completamente diferente. Requieren tres conexiones: un vivo, un neutro y un cable de tierra. La corriente normalmente solo fluye a través de caliente y neutral. La corriente que fluye de caliente a tierra hace que se dispare el interruptor de falla a tierra.

Su sistema de CC tiene calor y tierra. Sin neutral, por lo que no es posible un interruptor de falla a tierra.

Mencionas un inversor. Supongo que eso significa que está generando 120 V CA a partir del suministro de 12 V CC.

Podría tener sentido tener un interruptor de falla a tierra en el lado de CA, si tiene conexión a tierra, caliente y neutral. Pero eso resuelve un problema diferente: lo protegería de ciertas fallas en el lado de CA.

Esta respuesta es un duplicado de la siguiente de @tomnexus y mi comentario sobre su respuesta también se aplica aquí. Esto no resuelve el problema descrito en mi pregunta. Además, hay vivo/neutro/tierra: el cable de 12 V, el cable neutral dedicado (a través del cual debe pasar toda la corriente de retorno) y el bastidor/cuerpo del camión está conectado a tierra. Mi fusible de 300A no hace nada para proteger el sistema eléctrico y las baterías si ocurriera un cortocircuito débil entre el cable vivo y el marco del camión, como describí en mi pregunta.
No es un duplicado: expliqué un poco sobre lo que hace un interruptor de falla a tierra. Un gcfi todavía no ayudaría. ¿Cómo mediría el flujo de corriente a través de todo el cuerpo y el marco? ¿Y poder saber si es causado por un corto en su sistema de alta corriente o por un problema (u operación normal) en el sistema regular de 12V? Realmente no puedes decirlo. Entonces, fusibles adecuados y tal vez un amperímetro en la línea de alta corriente.
No hay necesidad de medir esa cantidad en absoluto. El GFI se instalaría a través de las conexiones neutras y vivas (reitero que hay un neutro dedicado para el inversor, su ruta de retorno no es a través del marco); ¡cualquier diferencia en la corriente entre los cables vivos y neutros indica una falla, que debería disparar el dispositivo misterioso que busco!
Su conexión a tierra no es un cable separado, es todo el camión. No puede medir la corriente "a través de" dos conexiones. Mide la corriente "a través" de un conductor. Para hacer eso, debe insertar el amperímetro en serie con el conductor. Puedes hacerlo con el cable neutro. ¿ Cómo pretende medir la corriente a través de la carrocería y el bastidor del camión?
Podría medir una diferencia de voltaje entre neutro y tierra, pero no puede estar seguro de lo que significa. El camión utiliza la carrocería y el bastidor como retorno. Por lo tanto, podría medir una diferencia de voltaje entre su "neutral" de alta corriente y tierra, y solo podría significar que hay una corriente normal a través del cuerpo y el marco. No puedes decirlo.
De nuevo, ¡esto no es correcto! El retorno es el neutro dedicado, que está conectado directamente a la carcasa del alternador. La carrocería del camión también está unida a eso, pero a menos que haya un corto entre el caliente y la carrocería/bastidor, TODA la corriente de retorno pasará a través del neutral dedicado (incluso si algo se filtra hacia la carrocería alrededor de la carcasa del alternador donde hace contacto).
La mayoría de los GFI solo tienen dos conexiones, activa y neutra. La corriente en ambos debe ser la misma.

Tengo que estar de acuerdo con @tomnexus. Los fusibles generalmente se usan para evitar fusiones o arcos eléctricos continuos, ya sea que se derrita un cable o explote una batería, etc. Los GFCI se usan para la seguridad humana, porque incluso una pequeña cantidad de corriente puede causar daños graves con el voltaje correcto. Dicho esto, veo su problema y lo que está tratando de hacer, y no hay una solución fácil. En su caso, recomendaría simplemente esperar que no ocurra un cortocircuito, ya que cualquier solución razonable sería prohibitivamente costosa o compleja.

Recientemente encontré este problema con una de las baterías en las que estoy trabajando. Está diseñado para producir 300kW continuos y tiene protección de sobrecarga en el orden cercano a los 500kW. Un arco eléctrico de 200kW es bastante poderoso y muy peligroso, sin embargo, esto sería visto como una operación normal por parte de la electrónica. En el caso de esta batería hay una buena cantidad de sensores, incluyendo UV para arco eléctrico, sensor de electrolito para detectar celdas rotas, etc. Sin embargo, sigue siendo un problema muy real y no tiene una solución fácil.

Me temo que la mejor solución es simplemente proteger los cables vivos lo mejor posible y esperar que no pase nada. Parece que ha tomado una buena cantidad de precauciones para evitarlo, por lo que es muy poco probable y no me preocuparía mucho, pero siempre es una posibilidad y no hay mucho más que pueda hacer.

Bastante justo, estoy dispuesto a aceptar que puede que no haya una solución rentable.
Simplemente vuelva a leer esto: por curiosidad, ¿qué tipo de baterías producen 300kw? Supongo que esta cosa debe ser del tamaño de mi camión.
@Josh Tiene un tamaño aproximado de 5'x5'x2'. Tiene un voltaje nominal justo al norte de 1kV, por lo que da bastante miedo.
Eso es genial. ¿Cómo se llama ese tipo de tecnología y dónde puedo leer sobre ella? ¿Cómo se comparan los kJ/kg y los kJ/m^3 con, digamos, los combustibles fósiles como el gas y el diésel?

Esta respuesta no responde a su pregunta directamente, pero proporciona un enfoque alternativo más estándar y posiblemente mejor.

De acuerdo, por lo que entiendo, su problema raíz aquí es que le preocupa que ocurra una situación en la que se producirá un gran drenaje de corriente del sistema eléctrico del vehículo causado por un cortocircuito que no es suficiente para disparar un fusible.

Para resolver esto, está considerando usar un mecanismo de protección de dos fallas, en forma de GFI. Es decir, para que ocurra la situación que intentas evitar, debes tener dos faltas. 1. Un corto en alguna parte, y 2. Una falla en el GFI.

Aunque ese enfoque es técnicamente válido, los costos y la disponibilidad comercial de los GFI de CC de 300 A son prohibitivos. Es posible crear una solución casera, pero no es una tarea menor y aún necesitaría un contactor costoso para romper el circuito o un elemento de palanca para quemar el fusible.

Entonces, ¿cómo proporciona protección contra dos fallas sin agregar un interruptor activo?

Esto se hace tradicionalmente mediante un doble aislamiento de los cables e incluso un triple aislamiento donde existe riesgo de corte. Si tiene protección adicional en los cables, de modo que la protección externa debe fallar al igual que el aislamiento del cable, efectivamente tiene una protección contra fallas dobles.

Lo primero que haría sería agregar un conducto al cable. La tubería de poliamida es un material realmente resistente, fácilmente disponible y fácil de usar. A 10-20 céntimos el metro también es muy barato.

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Además, dondequiera que la tubería se aventure a través de orificios en mamparos, etc., agregue material de tira de ojales adecuado para proteger la tubería de cualquier borde afilado.ingrese la descripción de la imagen aquí

Finalmente, amarra todo. El desgaste por vibración y movimiento será el modo de falla a largo plazo. Cuanto menos se muevan las cosas, más tiempo sobrevivirá. Use amarres y clips donde pueda y posiblemente incluso calque a través de los agujeros en los mamparos.

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En última instancia, al proteger correctamente su cableado de esta manera, no solo proporciona la protección contra dos fallas que desea, sino que también reduce significativamente la posibilidad de la falla principal de la que deseaba protección en primer lugar.

Todas buenas sugerencias. Usé un telar de alambre y el aislamiento tiene un buen grosor de 1/8" de todos modos. Usé un conector de abrazadera de alivio de tensión en el orificio que perforé en la parte trasera de la cabina, por lo que también debería estar bien. Gracias por el aporte.
¿Cómo puedo proteger una fuente de alimentación de 12 VCC de cortocircuitos de alta resistencia? [cerrado]
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