فیوز

فیوز چیست

برای این که استفاده از برق به طور صحیح و با ایمنی لازم صورت پذیرد استفاده از وسایل کنترل و حفاظت الزامی است. وسایل کنترل، عمل قطع و وصل مدارها را در زمان دلخواه امکان پذیر می کنند و وسایل حفاظت در هنگام بروز خطر، مدار را به طور جداگانه قطع می کنند. ساده ترین وسایل حفاظت، فیوزها هستند. فیوزهای اولیه به صورت سیم های سربی بود که به طور متوالی با مدار قرار می گرفت و در صورت ذوب به اطراف پرتاب می شد که خطراتی را در برداشت. امروزه فیوزها به حد کمال رسیده اند و در اماکن مسکونی، تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. برای حفاظت وسایل و کابل ها علاوه بر فیوزها، بی متال (رله حرارتی)، رله الکترومکانیکی و رله های القایی نیز مورد استفاده قرار می گیرند که به کنتاکتور ها و دژنکتورها فرمان قطع می دهند.

فیوز های ذوب شونده سیم هایی از جنس مخصوص با سطح مقطع کوچک هستند که به طور متوالی در مدار های برقی قرار می گیرند. اندازه سیم فیوز را طوری انتخاب می کنیم که جریان نامی مدار را بدون ایجاد حرارتی در حد ذوب شدن، تحمل کند و در صورتی که به دلیل بار اضافی یا اتصال کوتاه، جریان از حد مجاز افزایش یابد سیم فیوز گرم و بالاخره ذوب شده و مدار را قطع کند. بار اضافی کم و کوتاه مدت معمولا صدمه ای به مدار وسایل وارد نمی کند و لزومی به قطع مدار توسط فیوز نیست. لیکن در موارد اتصال کوتاه، فیوز باید به سرعت عمل کند و مدار را قطع کند.

فیوز ها باید دارای ضریب اطمینان بالایی باشند و بعلاوه عمل انتخاب صحیح انشعاب قطع شونده را در حد قابل قبولی تامین نمایند. لذا باید به نحوی طراحی شوند که لحظه قطع مدار, بسته به مقدار شدت جریان جاری در مدار کاملا شناخته شده و کنترل شده باشد.

طبیعی است برای طراحی صحیح یک فیوز و رسیدن به منحنی قطع مطلوب، مقدار مقاومت و شکل هادی فیوز، مسئله تبادل حرارت با خارج، دمای محیط و سایر پارامتر ها می بایست در نظر گرفته شوند که در بخش های بعدی به آن ها اشاره خواهد شد.

تعاریف و مشخصات فیوزها

1. جریان نامی و حداقل جریان ذوب عنصر فیوز

2. 
   جریان نامی فیوز جریانی است که اگر بطور دائم از فیوز عبور نماید، حرارت حاصل از عبور آن باعث افزایش دمای آن از یک حد مشخص نگردد.
3. این جریان توسط سازنده و با توجه به عمل حرارتی فیوز و نوع کاربرد آن، مشخص می شود. جریان نامی در یک فیوز جریانی است که میتواند به طور نامحدود از فیوز بگذرد بدون آنکه منجر به ذوب فیوز شود.
4. در استانداردهای اروپایی، فیوز ها در آمپرهای نامی از 2 تا 1000 آمپر معمول هستند. مقادیر جریان نامی استاندارد شده برای انواع فیوز به شرح زیر است:
5. 
   2-4-6-10-16-20-25-35-50-63-80-100-125-160
6. 200-225-260-300-350-400-500-630-800-1000
7.  
8. حداکثر جریانی که فیوز بدون آسیب رساندن به پایه و حامل خود تحمل می کند، قدرت قطع فیوز نامیده می شود و بر حسب کیلو آمپر اندازه گیری می شود و گاهی نیز با ضرب این جریان در مقدار ولتاژ مدار، قدرت قطع فیوز را بر حسب کیلو وات آمپر یا مگا ولت آمپر مشخص می کنند. در انتخاب فیوز لازم است جریان اتصال کوتاه مدار در محل استقرار فیوز محاسبه گردد و فیوزی که قدرت قطع لازم را دارا می باشد انتخاب شود.
9. برای اینکه عنصر فیوز ذوب گردد, بایستی جریان عبوری از آن, در زمان مشخص و متناسب با نوع فیوز بیش از جریان نامی باشد تا بر اثر ازدیاد حرارت, ذوب بشود. مینیمم جریان ذوب فیوز طبق تعریف, کمترین جریانی است که باعث ذوب عنصر فیوز می شود. این جریان در عمل در عرض چند ساعت (زمان محدود) باعث ذوب فیوز میگردد.
10.  

11. مشخصه زمان – جریان

12. از منحنی زمان- جریان تحت شرایط عملکرد فیوز، مقدار زمانی را که فیوز اجازه عبور جریان موثر مورد انتظار را می دهد, می توان دریافت. نمونه ای از این منحنی که در آن زمان ذوب بر حسب جریان مورد انتظار رسم شده است، در شکل زیر آورده شده است:
13.  

1. 
2. 
   اگر جریان گذرنده از فیوز، از مینیمم جریان ذوب فیوز کمتر باشد، شرط پایداری حرارتی دایمی حاصل شده است یعنی مقدار گرمایی که بر اثر عبور جریان در عنصر فیوز بوجود می آید، با گرمایی که فیوز به محیط منتقل می کند برابر است این تلفات گرمایی از دو طریق هدایت محوری در طول عنصر فیوز به طرف دو انتها بوسیله هدایت از طریق ماده پرکننده به بدنه فیوز و سپس بوسیله جابجایی و تشعشع به محیط اطراف منتقل می گردد. هنگامی که جریان عبوری از مینیمم جریان ذوب بیشتر شود گرمای بوجود آمده از گرمای منتقل شونده به محیط اطراف بیشتر خواهد شد و بدنبال آن دمای عنصر فیوز بالا می رود و شروع به ذوب شدن می کند. با افزایش جریان عبوری, زمان ذوب کاهش پیدا می کند. زیرا ضریب حرارتی مقاومت فلز مثبت بوده و با افزایش جریان و افزایش حرارت, مقاومت آن بیشتر شده و انرژی حرارتی متمرکز شده در آن بیشتر می شود. برای جریان های خیلی زیاد، می توان از انتقال حرارت به محیط صرفنظر کرد و کل انرژی ورودی را بصورت ذخیره گرما در عنصر فیوز فرض نمود. مشخصه زمان – جریان طبق شکل زیر نشان داده شده است. به دلایل زیر در عمل, مشخصه زمان-جریان فیوز دارای تغییراتی است:
   1. 
      الف- در زمان های طولانی، درجه خنک کنندگی محیط اطرف و فاکتورهایی نظیر تهویه، اندازه و اندازه کابل ها و شین های متصل شده و دمای محیط برمشخصه زمان-جریان تاثیر می گذارند.
   2.  
   3. ب- در زمان های کوچک، زمان ذوب در مقابل ثابت زمانی مدار قابل چشم پوشی نیست و زمان ذوب برای یک جریان مشخص بعلت وابسته شدن به ثابت زمانی مدار تغذیه و در مورد مدارهای جریان متناوب به علت وابسته بودن به نقطه ای از شکل موج ولتاژ تغذیه که به مدار اعمال می گردد، می تواند تغییرات زیادی داشته باشد.
3. 
4.  

مزایای فیوز

الف-خود فیوز به تنهایی در مقایسه با انواع دیگر تجهیزات حفاظتی، خیلی ارزان تر است.

ب- فیوز به تجهیزات کمکی مانند منابع تغذیه جریان مستقیم و عملکرد های موتوری و رله های حفاظتی نیاز ندارد.

ج- هزینه نصب فیوز بسیار پایین است.

د- فیوز فضای کمی اشغال می کند بصورتی که فیوز بر روی هر پایه نگهدارنده ای قابل نصب است.

ه-فیوز به ندرت نیاز به نگهداری دارد، به استثناء محیط های با آلودگی شدید که نگهداری، منحصر به تمیز کردن گاه به گاه سطوح آن می باشد.

و- امکان قطع سریع جریان توسط فیوزهای نوع محدود کننده جریان، قبل از رسیدن جریان به مقدار مورد انتظار وجود دارد.

معایب فیوز

الف- عوامل محیطی مانند باران،برف و یخ و همچنین آلودگی (فقط در مورد فیوزهای خارجی) بعضا می توانند در کار این فیوزها اخلال نمایند.

ب- فیوزها از تجهیزات حفاظتی دیگر مانند رله ها و ... فرمان نمی گیرند و در حقیقت عملکرد آن ها خارج از کنترل می باشد. این امر سبب ضعف حفاظت در مقابل خطاهای با جریان کم توسط فیوزها می شود.

ج-هماهنگ کردن فیوزها با سایر تجهیزات حفاظتی مشکل است.

د- تغییر مشخصه فیوز بر اثر فاکتورهای مختلف وجود دارد.

ه- احتمال دو فاز شدن سیستم وجود دارد.

انواع فیوز به لحاظ عملکرد

فیوز ها به لحاظ عملکرد به دو نوع کند سوز (T) و تند سوز (k) و یا ترکیبی از این دو نوع تقسیم میشوند. فیوزهای تند سوز برای جریان های حاصل از اتصال کوتاه و جریان های که بایستی سریعا قطع گردند, مناسب می باشند. فیوزهای کند سوز جهت قطع جریان های اضافی حاصل از اضافه بار زیاد مناسب هستند. با این تفاوت که جریان های اضافی حاصل از کلید زنی و اتصال کوتاه  زود گذر نیز عمل نمی کنند. اما خطاهایی را که دامنه ای به مراتب کمتر از جریان اتصال کوتاه دارند، در زمان بیشتری قطع می نمایند.

با بهره گیری از ساختمانی ویژه، می توان از فیوزها استفاده کرد که همانند یک وسیله حفاظتی هوشمند عمل نماید. بدین معنا که قادر باشد هم از مزایا و مشخصات فیوزهای تند سوز و هم از مشخصات فیوز های کند سوز استفاده و بصورت ترکیبی از آن ها عمل نماید. 

علاوه بر فیوزها نوع K وT  نوع دیگری از فیوزهای نوع H وجود دارند. فیوزهای نوع H برای مقادیر نامی 8 آمپر استاندارد شده اند و به صورت خاصی جهت حفاظت اضافه بار و پرهیز از عملکرد بی موقع در زمان های کوتاه راه اندازی موتورها و یا جریان های هجومی در ترانسفورماتورها و موتورها بکار می روند.
 

منبع : کتاب حفاظت و رله ها - تالیف دکتر حسین عسکریان - دانشگاه صنعتی امیر کبیر