سیستم قدرت باید انرژی الکتریکی را به طور مداوم و بدون وقفه به مصرف کننده تحویل نماید. یکی از مخاطراتی که سیستم قدرت را تهدید می کند، اتصال کوتاه است که می تواند باعث تغییرات شدید و ناگهانی در سیستم قدرت شود. ایجاد خطا و اتلاف انرژی زیاد به صورت حرارت و جرقه در محل اتصال کوتاه، باعث آتش سوزی، صدمات مکانیکی و الکتریکی به تجهیزات می شود.

در صورت بروز فالت لازم است قسمت معیوب در کوتاه ترین زمان از مدار جدا شود و از سرایت خطا به سایر نقاط جلوگیری شود و حداقل قطعی برق در سایر مدارات سالم به وجود آید. یکی از ادواتی که سیستم را در مقابل مخاطراتی نظیر افزایش غیرمجاز جریان الکتریکی حفاظت می کند فیوزها هستند. به محض اینکه جریانی بیش از جریان نامی فیوز از آن عبور کند، فیوز جریان را قطع می نماید و مدار معیوب یا از سیستم جدا می کند. رله ها از دیگر ادوات حفاظت از سیستم های الکتریکی هستند که به محض تشخیص خطا فرمان قطع را به کلیدهای قدرت  ارسال می کنند. در این مقاله به فیوزها، انواع، اجزاء و کاربرد آن ها در صنایع مختلف می پردازیم.

فیوز

عبارت است از یک سیم حرارتی که در مدار جریان قرار می گیرد و به ازای جریان به خصوصی در زمان معین ذوب می شود (می سوزد). عملکرد صحیح فیوز نه فقط تابع دقت مرحله ساخت می باشد، بلکه همچنین به استفاده درست و نگهداری صحیح پس از نصب نیز بستگی دارد. چنانچه فیوز به درستی به کار گرفته نشود احتمال وارد آمدن خسارت جدی به تجهیزات گران قیمت وجود دارد.

اجزاء تشکیل دهنده ی فیوزها

• پایانه: قسمت های فیوز را که برای اتصال الکتریکی مدار خارجی تعبیه شده است پایانه گویند
• پایه فیوز: به قسمت های ثابت یک فیوز گفته می شود که مجهز به ترمینال هایی  برای اتصال به مدار خارجی بوده و در مورد بعضی از انواع دارای روپوش محافظ نیز می باشد
• نکته: فیوز وقتی قادر به حفاظت مدار است که در مسیر فاز و ابتدای مدار نصب شود.
• کنتاکت های پایه فیوز: به قسمت های هادی پایه فیوز گفته می شود که با کنتاکت های کلاهک فیوز یا رابط  فیوز در ارتباط است.
• کلاهک فیوز: به قسمت جداشدنی فیوز گفته می شود که حامل رابط فیوز بوده و خارج کردن و تعویض آن را راحت میکند.
• کنتاکت های کلاهک فیوز: برای اتصال به کنتاکت های رابط فیوز و نیز اتصال به کنتاکت پایه فیوز طراحی شده است.
• نگهدارنده ی فیوز: به مجموع پایه فیوز و کلاهک فیوز نگهدارنده فیوز گویند.
• رابط فیوز(فشنگ فیوز):به قسمتی از فیوز گفته میشود که شامل المان فیوز بوده وپس از عمل کردن فیوز برای آماده سازی مجدد آن، باید تعویض گردد.
• کنتاکت های رابط فیوز: یرای اتصال رابط فیوز به کنتاکت های پایه فیوز و کنتاکت های کلاهک فیوز طراحی شده است.
• المان فیوز: بخشی از فیوز بوده که هنگام عملکرد فیوز ذوب می گردد. (سیم فیوز)
• شاخص فیوز: قسمتی از فیوز بوده که مشخص  می کند فیوز سالم بوده یا عمل کرده است. شاخص فیوز را با توجه به جریان نامی فیوز، به رنگهای مختلف می سازند. جدول زیر جریان نامی را با توجه به رنگ شاخص آن مشخص می کند. شاخص فیوز توسط یک سیم مقاومتی نگهداشته می شود. پس از سوختن المان فیوز سیم مقاومتی نیز سوخته و پولک فلزی که تحت کشش فنری کوچک قرار دارد آزاد می شود. در فیوزهای فشار قوی به عوض پولک ازیک میله فلزی قطع کننده ( فشنگ) استفاده شده است. این میله با ضربه ای در حدود 12Kg سبب قطع کنتاکت کلید و فرمان به لامپ سیگنال و غیره می شود.

انواع فیوزها

فیوزها از منظر سطح ولتاژ، موارد استعمال، محکم شدن کلاهک  فیوز به پایه فیوز، منحنی ذوب المان فیوز، نحوه ی عملکرد و نحوه ی کاربرد دسته بندی می شوند که در ادامه به آن می پردازیم:

1. ازنظر ولتاژ شبکه

1. فیوزهای فشار ضعیف: در شبکه های با ولتاژ کمتر از 1000 ولت متناوب و 1500 ولت مستقیم به کار می روند
2. فیوزهای فشار قوی: در شبکه های با ولتاژ بالاتر از 1000 ولت متناوب به کار برده می شود

اهم استانداردهای مرتبط با فیوزها: 

IEC 60269: Low voltage fuses

IEC 60050-441: International Electro-Technical Vocabulary. Switchgear, control gear and fuses

IEC 60282: High voltage fuses

IEC 60420: High voltage alternating current fuse switch combinations

IEC 60644: Specifications for high voltage fuse-links for motor circuit applications

IEC 60787: Application guide for the solution of fuse-links of high voltage fuses for transformer applications

IEC 60549: High-voltage fuses for the external protection of shunt capacitors

2. از نظر مورد استعمال

الف) انواع فیوز فشار ضعیف از نظر مورد استعمال به دو دسته HRC یا NH و LS تقسیم می شوند.

فیوزهای HRC یا NH فیوز فشار ضعیف با قدرت قطع زیاد

این فیوز دارای قدرت قطع زیاد بوده به طوری که می تواند جریان های اتصال کوتاه  تا 200 کیلو آمپر و بیشتر را با اطمینان کامل قطع کند. این فیوزها برای جریان نامی تا 1250 آمپر و ولتاژ نامی 660 ولت ساخته شده اند و برای حفاظت سیم و کابل در توزیع با قدرت های زیاد و حفاظت موتورها بکار برده می شوند.

فیوزهای LS یا فیوز فشنگی(فیوز فشار ضعیف با قدرت قطع کم)

این فیوز مخصوص حفاظت سیم ساخته شده است و قدرت قطعشان قدری کمتر از فیوزهای NH می باشد.

ب) انواع فیوز فشار قوی ازنظر مورد استعمال به دو دسته فیوزهای کات اوت برای شبکه های توزیع و فیوزهای قدرت تقسیم می شوند.

فیوزهای کات اوت

از  انواع فیوز کات اوت به طور وسیعی در حفاظت فیدرهای توزیع استفاده می شود. در ایران این فیدرها عموما دارای ولتاژهای 11 ، 20، 33 کیلو ولت هستند. از این فیوزها می توان در مواقع تعمیر و نگهداری به عنوان سکسیونر نیز استفاده کرد. اصولا از فیوزهای کات اوت در جاهایی استفاده می شود که خطاها و اضافه بارها به ندرت اتفاق می افتد چرا که هر بار عملکرد این فیوز باید فردی برای تعویض فیوز به محل اعزام شود.

این فیوزها در ولتاژهای 2٫6 تا 34٫5 کیلو وات ساخته می شوند و جریان نامی آنها از 6 تا 200 آمپر می باشد. ظرفیت قطع آنها از  2 کیلوآمپر در ولتاژهای بالا  تا 20 کیلو آمپر در ولتاژهای پایین متغییر است.

فیوزهای قدرت – فیوزهای فشار قوی با قدرت قطع زیاد – فیوز HH

فیوزهای قدرت هنگامی استفاده می شود که جریان اتصال کوتاه سیستم بزرگتراز ظرفیت قطع فیوزهای کات اوت باشد. ضمنا فیوزهای قدرت برای ولتاژهای بالاتری نسبت به فیوزهای کات اوت ساخته میشوند. اصول کار فیوزهای کات اوت و قدرت نظیر هم می باشند.

فیوزهای قدرت در ولتاژهای 2٫4 تا 138 کیلو وات ساخته می شوند و جریان کار مداوم آنها از 0٫5 تا 400 آمپر است. فیوزهای قدرت از نوع محدود کننده جریان را می توان در محلهایی که جریان اتصال کوتاه متقارن اند تا 80 کیلو آمپر باشد مورد استفاده قرار داد.

3. از نظر محکم شدن کلاهک فیوز به پایه فیوز

فیوزهای فشار ضعیف را از نظر نحوه ی محکم شدن کلاهک فیوز به پایه فیوز می توان به دو دسته تقسیم کرد:

الف) نوع B: از یک پایه فیوز، کلاهک فیوز و رابط فیوز ( فشنگ) استوانه ای تشکیل شده است که معمولا فشنگ فیوز توسط دو کنتاکت تیغه ای به پایه ی فیوز محکم می شود. فیوزهای NH عموما از این نوع ساخته می شوند. این فیوزها به فیوزهای چاقویی معروفند.

ب) نوع D: از یک پایه فیوز ، کلاهک فیوز نوع پیچی و یک رابط فیوز ( فشنگ ) تشکیل شده است که کلاهک فیوز توسط پیچاندن به پایه فیوز محکم می شود. فیوزهای LS عموما ازاین نوع ساخته می شوند. این فیوزها به فیوزهای فشنگی معروفند.

4. از نظر منحنی ذوب المان فیوز

فیوزها را میتوان بر اساس منحنی ذوب المان فیوز T.C.C به دو دسته تندکار (نوع L) و کندکار (نوع M یا موتوری) تقسیم نمود. فیوز کند کار جریان های زیاد را خیلی کندتر از فیوز تندکار قطع می کند. به این جهت فیوزهای کندکار در جاهایی مصرف می شوند که اضافه بار کم مدت نباید سبب قطع مدار گردد (مثل هنگام راه اندازی موتورها).

5. از نظر نحوه ی عملکرد

از نظر نحوه ی عملکرد می توان فیوزها را به دو دسته زیر تقسیم کرد:

الف) فیوزهای محدود کننده جریان

از مفهوم محدود کنندگی جریان مشخص شده است که در اثر وقوع خطا، جریان بسیار بزرگ از فیوز و مدار خواهد گذشت چون فیوز محدود کننده در مدار وجود دارد، جریان قبل از اینکه به پیک خود برسد توسط فیوز قطع می شود.

ب) فیوزهایی که جریان را محدود نمی کنند

فیوزهای غیر محدود کننده جریان دارای این قابلیت نیستند و بنابراین جریان های اتصال کوتاه بزرگ بدون اینکه قبل از رسیدن به پیک قطع شوند، از فیوز و در نتیجه تجهیزات تحت حفاظت عبور می کنند. انواع فیوزهایی که پس از عمل ، گازهای حاصل از عملکرد فیوزاز محفظه المان آن خارج می شوند از نوع فیوزهای غیر محدود کننده جریان هستند و به فیوزهای انفجاری معروفند.

لازم به تذکر است که فیوزهای غیر محدود کننده جریان مانند؛ کلیدهای فشار قوی وقتی قادر به قطع قوس و در نتیجه قطع مدار هستند، که جریان متناوب به نقطه صفرخود برسد.

6. از نظر نحوه ی کاربرد

از نظر نحوه ی کاربرد می توان فیوزها را به انواع زیر تقسیم نمود:

الف ) فیوز همه منظوره (فشنگ نوع G)

فیوز محدود کننده جریانی را گویند که قادر است تحت شرایط معین همه جریان های کوچکتر یا مساوی ظرفیت قطع نامیش را که باعث ذوب المان فیوزی می گردند، قطع کند.

ب ) فیوز پشتیبان (فشنگ نوع A)

فیوز محدود کننده ی جریانی را گویند که قادر است تحت شرایط معین همه ی جریان های بین پایین ترین جریان تعیین شده روی مشخصه زمان، جریان عملکردش و ظرفیت قطع نامیش را قطع کند.

تذکر: به عنوان یک تعریف ساده برای فیوزهای پشتیبان می توان گفت که فیوزهای پشتیبان نوع A  عموما برای حفاظت در مقابل اتصال کوتاه به کار می روند حال آن که فیوزهای همه منظوره در مقابل اضافه بار نیز مدار را حفاظت می کنند.

7. انواع فیوزها از نظر ساختار:

• فیوزهای فشنگی
• اتوماتیک (آلفا)
• مینیاتوری
• بکسی
• کاردی (تیغه ای)
• 6-شیشه ای یا کارتریج
• فیوزهای فشار

فیوزهای مینیاتوری

فیوزهای مینیاتوری نوعی از فیوزها هستند که می‌توانند مدارات را در برابر جریان اتصال کوتاه و جریان اضافه بار محافظت نمایند. تشخیص جریان اتصال کوتاه بوسیله یک سیم پیچ دارای تعداد دور کم و قطر زیاد میباشد. تشخیص جریان اضافه به عهده یک فلز (بیمتال) می‌باشد که بوسیله عبور جریان مدت دار بیش از جریان نامی گرم شده و بر اثر خم شدن باعث عمل کنتاکت فیوز شده و مدار را قطع می‌کند.

فیوزهای مینیاتوری بر حسب نوع کاربرد به دو گروه تند کار و کند کار تبدیل می‌شوند. از فیوز تند کار جهت مدارهای روشنایی (غیر موتوی) و از فیوز کند کار جهت مدارات موتوری استفاده می‌شود. فیوز ترانسفورماتور که اغلب کت اوت(CUT OUT FUSE) نامیده می‌شود یک المنت است و چون با برداشتن تیغه فولادی یا نگهدارنده فیوز مدار مانند قطع یک کلید، باز می‌شود به آن کت اوت می‌گویند. فیوز کت اوت جهت حفاظت ترانسفورماتور در مقابل جریانهای زیاد احتمالی ناشی از اتصال کوتاه یا اضافه بار در شبکه فشار ضعیف و سیم پیچی‌های داخل ترانسفورماتور به کار می‌رود.

فیوزهای بکسی

این فیوزها دارای فشنگی هستند که می‌تواند از نوع تندکار یا کندکار باشد. نوع تندکار معمولاً برای مدارهای روشنایی و نوع کندکار معمولاً برای الکتروموتورها به کار می‌رود که در اصطلاح به آن فشنگ موتوری می‌گویند. داخل فشنگ‌ها یک سیم حرارتی ذوب‌شونده هست که اطراف آن با خاک نرم کوارتز و ماسه پر می‌شود تا حرارت و جرقه ی حاصل از سوختن سیم حرارتی را به خود جذب کند. فشنگ‌ها دارای یک پولک رنگی در انتهای خود هستند که پشت شیشه ی کلاهک فیوز قرار می‌گیرد. این پولک با یک سیم نازک به سر فشنگ وصل شده که آمپر نامی آن را مشخص می‌کند، و پس از سوختن فیوز این پولک نیز به داخل آن می‌افتد.

 تعیین جریان نامی فیوز از روی رنگ پولک آن

نکته : در داخل فشنگ  فیوز خاک کوارتز یا ماسه ریزه پر میکنند خاصیت این پودر این است که در هنگام قطع  فیوز باعث خاموش شدن جرقه تولید شده در داخل فشنگ می شود و از انفجار در اثر جرقه جلوگیری می کند.

علامت گذاری

علامــت گذاری (مشخصه/کلاس) فیوزهای حفاظت از نیمه رساناها مانند سایر فیوزها بــا 2 حرف صورت میگیــرد که حرف اول محدوده جریان قطع و عملکرد  فیوز را مشخص میکند. (با حروف کوچک)

a) حفاظت محدود

منظور آن اســت که فیوز در محدوده عملکرد خود در تمام محدوده جریان بین کمترین جریان تعیین شده روی منحنی جریان/ زمان از دستگاهی که پس از آن قرار گرفته خود و قدرت قطع خود صرفا محافظت مینماید.

g) حفاظت کامل

فیوز با عبور همه جریانهایی که موجب ذوب شــدن المنت شــده تــا جریان قدرت قطع خود از آســیب دیدن دســتگاه و مدار محافظت مینماید.

حرف دوم اما کاربرد فیوز را با توجه به مشــخصه و نوع بهره برداری از آن مشخص میکند. (با حروف بزرگ)

L) حفاظت هادی ها

B) تجهیزات  معدن

M) تجهیزات موتوردار و حفاظت کلید زنی

R) حفاظت نیمه هادی ها

Tr) حفاظت ترانسفورماتورها

ترکیب محدوده قطع فیوزهــا و کاربردهای آنها در راهنمای کاربرد فیوزهای فشار ضعیف مربوط به اســتاندارد IEC61818 به صورت زیر آورده شده است.

gL) حفاظت کامل – کاربرد عمومی ویژه اجزاء نیمه رسانا

aM) حفاظت محدود – حفاظت از موتورها در برابر اتصال کوتاه

gR) حفاظت کامل – حفاظت از نیمه رساناها و مدار

gR) حفاظت محدود – حفاظت از نیمه رساناها

gS) حفاظت کامل – ترکیب gR و aR

gB) حفاظت کامل – حفاظت دستگاههای استخراج معدن

gTr) حفاظت کامل- حفاظت تراسفورمرها

ویژگی های انواع فیوز قطع سریع

این فیوزها که برای حفاظت نیمه رســاناها و تضمین صحت و اطمینــان از عملکرد تأسیســات و تجهیزات بــه کار میروند از ویژگی های زیر برخوردار میباشند.

• قطع مدار به میزان کافی ســریع است تا آسیبی به دستگاه ها وارد نشود.
• عملکرد ســریع قطع مدار قبل از آسیب دیدن بخش های نیمه رسانا اتفاق میافتد.
• قدرت قطع نامی بالا
• ظرفیت بالا در کلیدزنی جریان
• محدودیت بالای جریان DC
• قــوس الکتریکی (arc) ناچیز هنگام واکنش (عملکردفیوز به گونه ای اســت که موجب Over–Voltage غیر قابل قبول و مخرب اجزاء نیمه هادی نمی گردد.)

فیوزهای gS قابلیت حفاظت کامل هم دستگاه متشکل از نیمه هادیها و هم اتصالات مدار به صورت همزمان را دارا می باشند. همچنین میتوان از آنها برای موتورهای با سرعت متغیر،راه اندازهای نرم، سروموتورها، موتورهای DC و ســایر تجهیــزات تابلویی به منظور حفاظت مدار اتصال و اجزاء نیمه هادی استفاده نمود.

 انواع فیوز جدید=gG+aR موجب میشوند تا فضای کمتری در تابلو اشغال شده و در نتیجه از قیمت تمام شده آن میکاهد. فیوزهای gS قادرند ضمن حفاظت کابل، از نیمه رساناهای موتورها در برابر خرابی دیودها و تریستورها و یا انفجارIGBTپیشگیری کنند. این فیوزها که بهترین حفاظت از تجهیزات الکترونیک سیم ها، کابل ها، اتصاالت و کلیدها از جریانهای شدید را از خود نشان دادهاند بر اساس استانداردهایIEC 60269-4 و VDE 0636 تولید شده اند.

انتخاب فیوز قطع سریع

اگرچه دســتورالعمل مشــخصی به جز IEC 60146-6 که در بالا نیز به آن اشــاره شــد جهت انتخاب فیوز منتشر نشــده است و بسته به ویژگی های مدار و تأسیسات موردنظر میبایست محاسبات خاص خود را به منظور تعیین دقیق فیوز انجام داد اما چند پیشــنهاد پایه در این مبحث عنوان میگردد.

A شــدت جریان گذرنده از نیمه هادی (Isem) می بایست کمتر و یا مساوی با جریان نامی فیوز انتخابی (Inv) باشد. Isem ≤ Inv

B اختالف پتانســیل در نیمه هادی(Usem) می بایست کمتر و یا مســاوی با ولتاژ نامی فیوز (Unv) باشد. Usem ≤ Unv

C مشــخصه I²t فیــوز انتخابــی می بایســت از مشــخصهI²t نیمه رسانا کمتر باشد. I²t_opv < I²t_sem