همه چیز درباره فیوزها: معرفی انواع و کاربرد آنها
فهرست مطالب
فیوز چیست؟
در مهندسی برق و الکترونیک، فیوز یک دستگاه ایمنی الکتریکی است که برای حفاظت از مدارهای الکتریکی در برابر جریانهای اضافی مورد استفاده قرار میگیرد. در این مقاله که توسط توتال الکتریک فراهم شده است، قصد داریم با این قطعهی پرکاربرد به خوبی اشنا شویم. جزء اصلی آن یک هادی یا نوار فلزی است که با عبور جریان بیش از حد ذوب میشود و بدین ترتیب جریان را متوقف یا قطع میکند. این قطعه، یک وسیله فداکار است به طوریکه وقتی عمل میکند، مدار قطع شده و بسته به نوع آن باید جایگزین یا به نحوی مدار مجددا متصل شود.
فیوز یک وسیله خودکار برای حذف قدرت از یک سیستم معیوب است که معمولاً به اختصار ADS (قطع خودکار تأمین برق) نامیده میشود. قطعکنندههای مدار میتوانند به عنوان جایگزینی برای المانها استفاده شوند، اما دارای ویژگیهای بسیار متفاوتی هستند.
فیوزها از اوایل دوران مهندسی برق به عنوان دستگاههای ایمنی ضروری استفاده شدهاند. امروزه هزاران طرح مختلف فیوز وجود دارد که دارای رتبهبندیهای خاص جریان و ولتاژ، ظرفیت قطع و زمانهای پاسخدهی مختلف هستند و بسته به کاربرد، انتخاب میشوند. خصوصیات زمانی و جریان عمل کردن فیوزها به گونهای انتخاب میشوند که حفاظت کافی را بدون وقفهی بیمورد فراهم کنند. مقررات سیمکشی معمولاً حداکثر جریان مجاز فیوز برای مدارهای خاص را تعریف میکنند. یک فیوز میتواند برای کاهش اثرات اتصال کوتاه، اضافه بار، بارهای نامتناسب یا خرابی دستگاهها استفاده شود. مثلا هنگامی که یک سیم برقدار آسیب دیده با یک محفظه فلزی که به زمین متصل است تماس پیدا میکند، یک اتصال کوتاه ایجاد شده و فیوز ذوب میشود.
ساختار فیوز
یک فیوز از یک نوار یا سیم فلزی به عنوان عنصر اصلی تشکیل شده است که در مقایسه با رساناهای مدار دارای سطح مقطع کوچکتری است و بین دو پایانه الکتریکی نصب میشود و معمولاً در یک محفظه غیرقابل احتراق قرار دارد. این قطعهی حفاظتی به صورت سری قرار میگیرد تا تمامی بار عبوری از مدار محافظت شده را حمل کند. مقاومت عنصر فیوز به دلیل جریان عبوری حرارت تولید میکند. اندازه و ساختار عنصر فیوز به صورت تجربی تعیین میشود تا حرارتی که برای جریان عادی تولید میشود باعث افزایش دمای زیاد عنصر نشود. اگر جریان بیش از حد بالا برود، عنصر به دمای بالاتری میرسد و یا به طور مستقیم ذوب میشود و یا یک جوش لحیم داخلی در فیوز ذوب میشود و مدار را باز میکند.
جنس عنصر فیوز
عنصر فیوز از جنس روی، مس، نقره، آلومینیوم یا آلیاژهایی از این فلزات یا فلزات مختلف دیگر ساخته میشود تا ویژگیهای پایدار و قابل پیشبینی ارائه دهد. این المان حفاظتی به طور ایدهآل جریان نامی خود را به طور نامحدود حمل میکند و با یک افزایش کوچک سریعاً ذوب میشود. عنصر نباید توسط افزایشهای جزئی و بیضرر جریان آسیب ببیند و نباید پس از سالها خدمت عملکرد خود را تغییر دهد یا اکسید شود.
عناصر فیوز ممکن است برای افزایش اثر گرمادهی شکلدهی شوند.
در فیوزهای بزرگ، جریان ممکن است بین چندین نوار فلزی تقسیم شود. یک فیوز دو عنصری ممکن است حاوی نوار فلزی باشد که در اثر یک اتصال کوتاه سریعاً ذوب شود و همچنین حاوی یک جوش لحیم با دمای ذوب پایین باشد که به بارهای طولانیمدت با مقادیر کمتر از اتصال کوتاه پاسخ دهد. عناصر فیوز ممکن است توسط سیمهای فولادی یا نیکرومی پشتیبانی شوند تا فشار بر روی عنصر قرار نگیرد، اما یک فنر ممکن است اضافه شود تا سرعت جدا شدن قطعات عنصر را افزایش دهد.
عنصر اصلی فیوز ممکن است توسط هوا یا مواد دیگری که برای تسریع در خاموش کردن قوس طراحی شدهاند احاطه شود. از شن سیلیکا یا مایعات غیر رسانا ممکن است استفاده شود.
قدرت قطع فیوز
یک فیوز در زمان قطع باید جرقه ناشی از قطع جریان مدار را بتواند خاموش کند. هرچه این جریان بیشتر باشد، خاموش کردن جرقه ناشی از آن بیشتر و قطع آن دشوارتر است. اگه فیوز نتواند جرقهی ایجاد شده را مهار کند، ممکن است تابلو و سایز تجهیزات مجاور آن آسیب ببینند و حتی منجر به آتشسوزی شود. لذا برای فیوزها معمولا یک بیشینه جریان قطع نیز تعیین میشود که در مشخصات آن قابل مشاهده است. برای مثال، در تصویر، یک فیوز با بیشینه جریان قطع 120 کیلوآمپر را مشاهده میفرمایید.
انواع فیوز
فیوز فشنگی
فیوزهای فشنگی در دو نوع "تندکار" و "کندکار" تولید و به بازار عرضه میشوند. فیوزهای تندکار با علامت F و فیوزهای کندکار با علامت G مشخص میشوند. فیوز فشنگی کندکار به گونهای طراحی شده است که جریانهای با شدت بالا را دیرتر از فیوزهای تندکار قطع میکند. این نوع فیوز زمانی کاربرد دارد که اضافه بار کوتاهمدت نباید موجب قطع مدار شود، مانند هنگام راهاندازی موتورهای الکتریکی. در این نوع فیوز، جریان نامی را معمولاً حدود دو برابر جریان نامی موتور انتخاب میکنند. به عنوان مثال، جریان راهاندازی موتورهای الکتریکی ۶ تا ۷ برابر جریان نامی آنها است. استفاده از این نوع فیوز در مصارف ساختمانی ممنوع است!
فیوزهای سیلندری یا فیوزهای استوانهای
فیوزهای استوانهای، که به عنوان فیوزهای سیلندری نیز شناخته میشوند، در سیستمهای فشار ضعیف مورد استفاده قرار میگیرند. این فیوزها در بازههای 0.25 تا 125 آمپر تولید میشوند و در چهار اندازه مختلف ارائه میشوند: 8×31.5 میلیمتر، 10×38 میلیمتر، 14×51 میلیمتر و 22×58 میلیمتر.
این فیوزها قابلیت کار در ولتاژهای متناوب تا 690 ولت را دارند. فیوزهای استوانهای بسته به کاربردشان در کلاسهای G، M و R تولید میشوند که به ترتیب برای حفاظت عمومی، موتور و عناصر نیمههادی استفاده میشوند. این فیوزها به عنوان فیوزهای کارتریجی نیز شناخته میشوند.
نشانگر عملکرد فیوزهای استوانهای
فیوزهای استوانهای از نظر نشانگر عملکرد به دو نوع تقسیم میشوند:
- فیوزهای بدون نشانگر: در مدلهای بدون نشانگر، هیچ شاخصی برای تشخیص سوختن فیوز وجود ندارد و عملکرد آنها توسط مدار جانبی یا سیگنال نورانی روی نگهدارنده مشخص میشود.
- فیوزهای دارای نشانگر مکانیکی یا Striker: فیوزهای مجهز به Striker دارای عملگر مکانیکی هستند که برای ارسال سیگنال الکتریکی به صورت ریموت طراحی شدهاند. این سیگنالها برای از مدار خارج کردن تجهیزات و شناسایی سریع فیوز سوخته کاربرد دارند.
انواع نگهدارندههای فیوزهای استوانهای
نگهدارندههای فیوزهای استوانهای نیز از نظر ابعاد به سه گروه تقسیم میشوند: 10×38 میلیمتر، 14×51 میلیمتر و 22×58 میلیمتر.
قرار دادن فیوز در این نگهدارندهها بسیار ساده است و نیاز به ابزار خاصی ندارد. نگهدارندههای فیوزهای استوانهای از 1 تا 4 پل قابل انتخاب هستند و روی ریلهای استاندارد نصب میشوند. این نگهدارندهها دارای لوازم جانبی متعددی مانند تجهیزات لاک اوت و تگ اوت هستند. برخی از نگهدارندههای فیوز نیز توسط پیچ روی سطح داخلی تابلو برق قابل نصب هستند.
انواع نگهدارندههای فیوز از نظر هشدار سوختن
پایههای فیوزهای سیلندری از نظر هشدار سوختن به سه نوع تقسیم میشوند: معمولی، با چراغ سیگنال و مجهز به میکروسوئیچ.
هنگام انتخاب پایه فیوز سیلندری باید به سایز فیوز، تعداد پل، نوع نشاندهنده و روش نصب توجه کرد. برخی پایهها قابل توسعه هستند و میتوان تعداد پلهای آنها را افزایش داد. جهت افزایش تعداد پلها از میلههای فلزی برای ایجاد لینک مکانیکی بین پایهها استفاده میشود. پایههای چند پل مجهز به میکروسوئیچ دارای یک شفت ارتباطی هستند که تغییر وضعیت فیوز سوخته را به میکروسوئیچ منتقل میکند. این شفت اغلب قابل ویرایش نبوده و بستگی به تعداد فیوزهای دارای Striker دارد.
ویژگیها و کاربردهای فیوزهای سیلندری
در انتخاب نگهدارنده فیوزهای سیلندری باید به نوع نشاندهنده، روش نصب و ایمنی توجه کرد.
نگهدارندههای فیوز دارای شفت رابط بوده و امکان شناسایی فاز معیوب را ندارند، زیرا با سوختن هر یک از فیوزها، شفت اصلی تغییر وضعیت داده و میکروسوئیچ را تحریک میکند. این ویژگیها باعث میشوند تا نگهدارندههای فیوز سیلندری مناسب برای نصب در تابلوهای برق صنعتی و مسکونی باشند، به ویژه در سیستمهای IT که حفاظت از هادی نول یا نوترال اهمیت دارد.
فیوزهای کاردی، تیغهای یا چاقویی
فیوزهای کاردی که با نام فیوزهای چاقویی نیز شناخته میشوند، به دلیل طراحی خاص خود دارای دو پایه به شکل تیغه هستند. این تیغهها از دو طرف به محفظه فیوز متصل شده و وظیفه نصب مکانیکی و انتقال جریان را برعهده دارند. محفظه فیوزهای کاردی از سرامیک ساخته شده و داخل آن با خاک کوارتز پر میشود. این ساختار باعث افزایش استحکام و مقاومت فیوزها در برابر حرارت و فشار میشود. این نوع فیوزها در مدلهای متنوعی تولید میشوند و نام لاتین آنها Knife Blade Contact Fuse است.
- فیوزهای کاردی سری NH
فیوزهای سری NH، با بدنه مکعبی، از جمله پرکاربردترین انواع فیوزهای کاردی در ایران هستند. این فیوزها دارای مشخصات عملکردی متنوع و دامنههای جریانی گوناگونی هستند. فیوزهای سری NH با توجه به ابعاد در کلاسهای مختلفی چون 000، 00، 0، 01، 1، 02، 2، 03، 3 و 4 تولید میشوند. ابعاد هر کلاس را میتوان در کاتالوگهای تولیدکنندگان مشاهده کرد. به عنوان مثال، فیوزهای NH با سایز بدنه 3 دارای نشانگر عملکرد و اهرم نصب میکروسوئیچ میباشند. فیوزهای کاردی با پایههای کوتاه و بلند، به ابعاد مختلفی اشاره میکنند که این ابعاد در کاتالوگ شرکتهای سازنده ذکر میشود.
زائدههای فیوز کاردی
روی بدنه فیوزهای کاردی، دو زائده فلزی به نام Gripping Lugs وجود دارد. این زائدهها محل قرارگیری فیوزکشها و یا قفل شدن فیوزها در انواع کلیدها هستند. همچنین از این زائدهها برای نصب میکروسوئیچ استفاده میشود. زائدههای روی فیوز میتوانند هادی یا عایق باشند. در فیوزهای معمولی، این زائدهها به قسمت اصلی فیوز متصل هستند و همواره برقدار میباشند که با عبارت Live Gripping Lugs در کاتالوگها مشخص میشوند. در تصویر فوق، یک فیوز 100 آمپری و 500 ولتی از نوع gG/gL با قدرت قطع 120 کیلوآمپر را مشاهده میکنید که زائدههای فلزی آن برقدار است.
فیوزهای کاردی با زائده عایق
فیوزهای فشار ضعیف با گیره یا زائدههای عایق نیز تولید میشوند. در کاتالوگ این فیوزها از عبارت Insulated Gripping Lugs استفاده میشود. در تصویر، یک فیوز فشار ضعیف کاردی با ظرفیت 100 آمپر و ولتاژ 500 ولت سری gG/gL را مشاهده میکنید که گیرههای آن نسبت به المان اصلی یا پایههای فیوز عایق شدهاند.
نکات ایمنی در نصب و استفاده از فیوزهای کاردی
برای نصب و خارج کردن فیوزهای کاردی از پایهها باید دقت و احتیاط لازم انجام شود. به دلیل نصب اغلب پایههای فیوزهای کاردی در کنار هم، هرگونه خطا میتواند منجر به ایجاد اتصال کوتاه شود. هنگام کار با فیوزهای کاردی، استفاده از دستکش، نقاب و فیوزکش الزامی است. فیوزکشها به گونهای طراحی شدهاند که انواع فیوزهای کاردی را در بر بگیرند و با استفاده از دکمههای خاص، به راحتی فیوزها را آزاد میکنند. در تصویر، یک نمونه فیوزکش برای فیوزهای کاردی را مشاهده میکنید که گیرههای آن برای گرفتن انواع فیوزهای کاردی طراحی شدهاند و با دکمه قرمز رنگ روی فیوزکش، میتوان ضامن را آزاد کرده و دسته را از روی فیوزها خارج کرد.
پایهها و نگهدارندههای فیوز کاردی
پایههای فیوزهای کاردی نیز از نظر هشدار سوختن لینک داخلی به سه نوع تقسیم میشوند: معمولی، با چراغ سیگنال و مجهز به میکروسوئیچ.
هنگام انتخاب پایه فیوز کاردی باید به سایز فیوز، تعداد پل، نوع نشاندهنده و روش نصب توجه کرد. برخی پایهها قابل توسعه هستند و میتوان تعداد پلهای آنها را افزایش داد. جهت افزایش تعداد پلها از میلههای فلزی برای ایجاد لینک مکانیکی بین پایهها استفاده میشود. پایههای چند پل مجهز به میکروسوئیچ دارای یک شفت ارتباطی هستند که تغییر وضعیت فیوز سوخته را به میکروسوئیچ منتقل میکند. این شفت اغلب قابل ویرایش نبوده و بستگی به تعداد فیوزهای دارای Striker دارد.
ویژگیها و کاربردهای فیوزهای کاردی یا چاقویی
فیوزهای کاردی یا چاقویی به دلیل ساختار مقاوم و طراحی خاص خود، در بسیاری از کاربردهای صنعتی و تجاری مورد استفاده قرار میگیرند. این فیوزها به ویژه در سیستمهای فشار ضعیف به دلیل تنوع در مدلها و قابلیتهای حفاظت متفاوت، اهمیت ویژهای دارند. در انتخاب نگهدارنده فیوزهای سیلندری باید به نوع نشاندهنده، روش نصب و ایمنی توجه کرد. نگهدارندههای فیوز دارای شفت رابط بوده و امکان شناسایی فاز معیوب را ندارند، زیرا با سوختن هر یک از فیوزها، شفت اصلی تغییر وضعیت داده و میکروسوئیچ را تحریک میکند. این ویژگیها باعث میشوند تا نگهدارندههای فیوز سیلندری مناسب برای نصب در تابلوهای برق صنعتی و مسکونی باشند، به ویژه در سیستمهای IT که حفاظت از هادی نول یا نوترال اهمیت دارد.
برخلاف فیوزها که حین حفاظت در برابر اضافه جریان میسوزند و پس از آن بایستی تعویض شوند، کلید مینیاتوری حین حفاظت در برابر اضافه جریان فقط مدار را قطع میکند و نیازی به تعویض ندارد. برای اطلاع بیشتر از عملکرد کلید مینیاتوری مقالهای که قبلا در توتال الکتریک منتشر شده را مطالعه فرمایید.
انواع فیوز از نظر کاربرد
حرف اول به دو شکل a و g (حروف کوچک) است و بدین صورت تعریف میشوند:
a : برای کاربرد در محدوده خاص جریان (فقط جریانهای بزرگ اتصال کوتاه را حفاظت میکند.)
g : برای کاربرد در محدوده کامل جریان (هم اضافه بار و هم اتصال کوتاه را حفاظت میکند.)
حرف دوم به چندین شکل متفاوت G، M، N، D، R، Tr، B (حروف بزرگ). کاربردهای هرکدام به شرح ذیل است:
حرف دوم |
کاربرد |
نمونه کد فیوز |
---|---|---|
G |
حفاظت مدار، سیم و کابل |
فیوز gG برای حفاظت از مدار و سیم و کابل در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه به کار میرود. این فیوز به نامهای gF و gL هم تولید میشوند. |
M |
حفاظت موتور |
فیوز aM حفاظت اتصال کوتاه موتور فیوز gM حفاظت اضافه بار و اتصال کوتاه موتور |
N |
با تاخیر |
فیوز gN فیوز تاخیری در اضافه بار و اتصال کوتاه |
D |
بدون تاخیر |
فیوز gD فیوز بدون تاخیر در اضافه بار و اتصال کوتاه |
R |
حفاظت نیمههادی |
فیوز aR حفاظت اتصال کوتاه نیمه هادی فیوز gR حفاظت اضافه بار و اتصال کوتاه نیمه هادی |
Tr |
حفاظت ترانسفورماتور |
فیوز gTr حفاظت کامل ترانسفورماتور |
B |
حفاظت ایستگاه زیر زمینی |
فیوز gB حفاظت کامل ایستگاه زیرزمینی |
این نکات را در مورد دامنه کاربرد فیوزها مد نظر داشته باشید:
- در فیوزهای تمام رنج که با حرف g شروع میشوند، فیوزها در جریانهایی کمی بالاتر از مقدار نامی خود شروع به ذوب شدن میکنند. مدت زمان ذوب شدن المان داخلی فیوز به صورت منحنی معکوس است و این مدت زمان به میزان اضافه جریان بستگی دارد. یعنی هرچه اضافه جریان بیشتر باشد، زمان ذوب شدن کوتاهتر خواهد بود.
- فیوزهای محدود یا Partial-range که مشخصه آنها با a شروع میشود معمولاً در چندین برابر جریان نامی ذوب میشوند. به دلیل محدودهی ذوب شدن المان داخلی این نوع فیوزها، نمیتوان از آنها به عنوان حفاظت اضافه بار استفاده کرد، چرا که برای کاربردهای محافظتی مناسب نیستند و ممکن است در شرایطی که جریان بهطور جزئی از مقدار نامی تجاوز میکند، عمل نکنند.
به این ترتیب، فیوزهای تمام رنج برای محیطهایی مناسبتر هستند که نیاز به حفاظت دقیق و سریع دارند، در حالی که فیوزهای محدود بیشتر برای حفاظت در برابر جریانهای خیلی بالا و کوتاه مدت کاربرد دارند. این ویژگیها باعث میشود تا هر نوع فیوز برای استفادههای خاص خود مناسب باشد و انتخاب نوع مناسب فیوز بستگی به شرایط و نیازهای خاص هر پروژه دارد.
دسته بندی فیوزها بر اساس زمان عملکرد:
- فیوزهای Fast Acting یا تندکار، برای کاربریهای عمومی و حفاظت از کابلها و تجهیزات با حساسیت پایین به کار میروند. این نوع فیوزها به سرعت در برابر اضافه جریان واکنش نشان میدهند تا از آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری کنند.
- فیوزهای Time Delay یا کندکار، برای فیدرهایی استفاده میشوند که ممکن است اضافه بارهای مجاز مانند جریان راهاندازی الکتروموتورها یا ترانسفورماتورها در آنها وجود داشته باشد. فیوزهای کندکار میتوانند جریانهای اضافه بار را برای مدت زمان مشخصی تحمل کنند و بعد از این مدت زمان، عمل کرده و مدار را قطع کنند. این ویژگی به ویژه در مواردی که تجهیزات نیاز به جریانهای اولیه بالا برای شروع کار دارند، کاربرد دارد.
- فیوزهای Ultra-Rapid یا فوق سریع، مخصوص حفاظت از نیمههادیها طراحی شدهاند و به سرعت در برابر اضافه جریان واکنش نشان میدهند. این نوع فیوزها با عبارت Ultra-Rapid مشخص میشوند و برای حفاظت از دیودها، تریستورها، ترایاکها و سایر نیمههادیها به کار میروند. این فیوزها همچنین با نام فیوزهای Rectifier نیز شناخته میشوند و نقش حیاتی در حفاظت از یکسوسازها، درایوها، سافت استارترها و تجهیزات مشابه دارند.
ولتاژ فیوز
فیوزها با توجه به ولتاژشان در دستهبندیهای مختلفی تولید میشوند. این دستهبندیها شامل فشار ضعیف، فشار متوسط و فشار قوی هستند. فیوزهای فشار ضعیف در دو نوع AC و DC عرضه میگردند. فیوزهای AC فشار ضعیف تا ولتاژ 1000 ولت و فیوزهای DC فشار ضعیف تا ولتاژ 1500 ولت را پوشش میدهند.
هر یک از فیوزهای جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC) استانداردهای خاص خود را دارند. قطع کردن قوس در جریان DC به دلیل نبود فرکانس و ثابت بودن مقدار جریان، پیچیدهتر از جریان AC است. در جریان DC، مقدار جریان همواره بالای صفر باقی میماند که منجر به استمرار قوس در زمان ذوب شدن لینک فیوز میشود. برای خاموش کردن قوس در جریان DC از تکنیکهایی مانند افزایش فاصله بین قطبها و استفاده از تجهیزات بزرگتر بهره میگیرند.
فیوزهای ولتاژ بالا همچون فشار متوسط و فشار قوی نیز وجود دارند. این نوع فیوزها برای حفاظت از تجهیزاتی نظیر ترانسفورماتورهای قدرت زمینی و هوایی، شبکهها یا خطوط توزیع، خازنها و موارد مشابه استفاده میشوند.
جریان AC دارای فرکانس 50 یا 60 هرتز بوده و دائماً از نقطهی صفر عبور میکند. صفر شدن ولتاژ باعث خاموش شدن آرک حاصل از سوختن فیوز یا جدا شدن کلید در چند سیکل بعدی خواهد شد. تاکید میشود که فیوزهای AC و DC را با یکدیگر تعویض نکنید.
انواع فیوزها با ولتاژهای بالاتر مانند فیوز فشار متوسط و فیوز فشار قوی نیز ساخته میشوند. از فیوزهای فشار متوسط به منظور حفاظت ترانسفورماتور قدرت زمینی، ترانسفورماتور ولتاژ داخلی، ترانسفورماتور هوایی، ترانسفورماتور ولتاژ هوایی، شبکه یا خطوط توزیع، خازن و غیره استفاده میشود.
به زودی در مورد مشخصه انواع فیوزها در توتال الکتریک مطالب کاربردی بیشتری را منتشر خواهیم کرد.