فیوز ها و کاربرد آنها در صنایع

مقدمه

وظیفه ی یک سیستم قدرت، تحویل انرژی الکتریکی به مصرف کننده به طور مداوم و بدون وقفه می باشد. مهمترین خطر برای یک سیستم قدرت ، اتصال کوتاه می باشد که باعث تغییرات شدید و ناگهانی در آن می شود. ایجاد خطا و اتلاف انرژی زیاد به صورت حرارت در محل اتصال کوتاه ، باعث آتش سوزی ، صدمات مکانیکی و الکتریکی به تجهیزات می شود.

لازم است اولا قسمت معیوب هر چه سریعتر از مدار جدا شده تا به قسمت های سالم صدمه ای نرسد و ثانیا حداقل قطعی برق در قسمتهای سالم را داشته باشیم . این امر مستلزم به کارگیری انتخاب و به کار گیری صحیح وسایل حفاظتی اعم از رله ها و فیوزها میباشد. فیوزها خود مستقیما خطا را حس کرده و مدار را قطع می کنند در حالی که رله ها پس از احساس خطا برای رفع آن به کلیدهای مربوطه فرمان می دهند.

از نظر حفاظتی ، یک سیستم قدرت به نواحی کوچکتری تقسیم می شود که هر کدام از این نواحی ممکن است توسط وسایل حفاظتی اصلی و چندین وسیله حفاظتی پشتیبان مورد حفاظت قرار گیرد.

فیوز وسیله‌ای است که مدارهای الکتریکی را در برابر جریان غیر مجاز محافظت می‌کند. اگر جریانی بیش از جریان نامی از فیوز بگذرد فیوز می‌سوزد و بدین ترتیب جریان برق، قطع خواهد شد. به عبارت ساده، فیوز یک وسیله حفاظتی است که در تجهیزات و مدارات الکتریکی به کار برده می‌شود تا در مواقعی که جریانی بیشتر از حد انتظار از وسیله عبور می‌کند، با سوختن فیوز مدار قطع شود تا تجهیزات دیگر آسیبی نبینند. این وسیله اولین بار توسط توماس ادیسون در سال ۱۸۹۰ میلادی ثبت اختراع شده‌است

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.

اجزای تشکیل دهنده ی فیوز :

 پایانه : قسمتهای 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.

کنتاکتهای 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 ۱۲ Kg سبب قطع کنتاکت کلید و فرمان به لامپ سیگنال و غیره می شود.

انواع فیوز :

۱-از نظر ولتاژ شبکه

۲- از نظر مورد استعمال

۳- از نظر محکم شدن کلاهک فیوز به پایه فیوز

۴- از نظر منحنی ذوب المان فیوز

۵- از نظر نحوه ی عملکرد

۶- از نظر نحوه ی کاربرد

۱-ازنظر ولتاژ شبکه

الف) فیوزهای فشار ضعیف : در شبکه های با ولتاژ کمتر از ۱۰۰۰ ولت متناوب و ۱۵۰۰ ولت مستقیم به کار میروند

ب) فیوزهای فشار قوی : در شبکه های با ولتاژ بالاتر از ۱۰۰۰ ولت متناوب به کار برده می شود

ج) فیوزهای فشار متوسط : فیوزهای فشار متوسط معمولا برای محافظت از تجهیزات در سوییچ گیرهای فشار متوسط استفاده میشوند .مزیت این فیوزها سرعت بالای آنها در محدود کردن جریان در هنگام وقوع اتصال کوتاه است که متعاقبا موجب حفاظت تجهیزات در مقابل اثرات حراراتی و دینامیکی اتصال کوتاه می گردد.

این فیوزها در موارد زیر مورد استفاده قرار میگیرند

ترانسفورماتورهای توزیع

الکتروموتورهای فشار متوسط

بانک های خازنی

ترانسفورماتورهای اندازه گیری PT

ویژگی ها

قابل نصب داخلی Indoor و خارجی Outdoor

قابل استفاده در سوییچگیرهای معمولی Air Insulated و گازی Gas Insulated

قابل نصب در شرایط سخت آب و هوایی

قابل نصب در سوییچگیرهای روغنی Oil Filled

استاندارد ها

IEC 60281-1 VDE0670 part4

فیوزهای فشار متوسط /بخش اول/ فیوزهای محدود کننده جریان

IEC 60787 VDE0670 part402

انتخاب فیوزهای محدود کننده جریان برای ترانسفورماتورها

DIN 43 625

فیوزهای فشار متوسط ۳٫۶kv – ۳۶kv

IEC 60644 / VDE 0670 part401

فیوزهای فشار متوسط برای حفاظت از الکترو موتورها

IEC60549

فیوزهای های ولتاژ جهت حفاظت از بانک های خازنی

۲-از نظر مورد استعمال :

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

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

فیوز کات اوت

فیوز قدرت

فیوزهای NH یا HRC  فیوز فشار ضعیف با قدرت قطع زیاد  :

این فیوز دارای قدرت قطع زیاد بوده به طوری که می تواند جریان های اتصال کوتاه  تا ۲۰۰ کیلو آمپر و بیشتر را با اطمینان کامل قطع کند. این فیوزها برای جریان نامی تا ۱۲۵۰ آمپر و ولتاژ نامی ۶۶۰ ولت ساخته شده اند و برای حفاظت سیم و کابل در توزیع با قدرت های زیاد و حفاظت موتورها بکار برده می شوند.

HRC یا NH

فیوزهای LS – معروف به فیوز فشنگی یا فیوز بوکس (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.

این فیوزها در دو نوع فیوز فشنگی Diazed و Neozed ساخته می شوند. قدرت قطع این فیوزها کمتر از فیوزهای NH میباشد.

فیوز فشنگی

فیوزهای کات اوت :

از فیوزهای کات اوت به طور وسیعی در حفاظت فیدرهای توزیع استفاده می شود. در ایران این فیدرها عموما دارای ولتاژهای ۱۱ ، ۲۰، ۳۳ کیلو ولت هستند. از این فیوزها می توان در مواقع تغییر و نگهداری  و … 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 ۲٫۶ تا ۳۴٫۵ کیلو وات ساخته می شوند و جریان نامی آنها از ۶ تا ۲۰۰ آمپر می باشد. ظرفیت قطع آنها از  ۲ کیلوآمپر در ولتاژهای بالا  تا ۲۰ 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 ۲٫۴ تا ۱۳۸ کیلو وات ساخته می شوند و جریان کار مداوم آنها از ۰٫۵ تا ۴۰۰ آمپر است. فیوزهای قدرت از نوع محدود کننده جریان را می توان در محلهایی که جریان اتصال کوتاه متقارن اند تا ۸۰ کیلو آمپر باشد مورد استفاده قرار داد.

فیوز HH

۳-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 فیوزتوسط 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.

۴-  از نظر منحنی ذوب المان فیوز:

فیوزها را میتوان بر اساس منحنی ذوب المان فیوز T.C.C به دو دسته تند کار (فرز – نوع  L ) و کند کار (تنبل – نوع M – 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).

۵- 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

ب) فیوزهایی که جریان را محدود نمی کنند

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

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.

۶- 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.

انواع فيوزها از نظر ساختار:

۱-فیوزهای فشنگی

۲-اتوماتیک(آلفا)

۳-مینیاتوری

۴- بکس

۵- کاردی ( تیغه ای)

۶-شیشه ای یا کارتریج

۷- فیوز های فشار

فیوز های 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 بوکسی:

این فیوزها دارای فشنگی هستند که می‌تواند از نوع تندکار یا کندکار باشد. نوع تندکار معمولاً برای مدارهای روشنایی و نوع کندکار معمولاً برای الکتروموتور ها 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

صورتی            2

قهوه ای            4

سبز                6

قرمز روشن        10

خاکستری          16

آبی                20

زرد روشن        25

سیاه               35

سفید              50

مسی روشن       63

نقره ای           80

قرمز تیره         100

زرد تیره          125

مسی              160

آبی               200

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

علامت گذاری (مشخصه/کلاس ) فیوزهای حفاظت از نیمه رساناها مانند سایر فیوزها بــا ۲ حرف صورت میگیــرد که حرف اول محدوده جریان قطع و عملکرد فیوز را مشخص میکند.(با حروف کوچک)

a – حفاظت محدود

منظور آن است 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 جریان هایی که موجب ذوب شدن المنت شده تــا جریان قدرت قطع خود از آسیب دیدن دستگاه و مدار محافظت مینماید.

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

L – حفاظت هادیها

B – تجهیزات معدن

M – تجهیزات موتور دار و حفاظت کلید زنی

R– حفاظت نیمه هادیها

Tr – حفاظت ترانسفورماتور ها

ترکیب محدوده قطع فیوزها و کاربردهای آنها در راهنمای کاربرد فیوزهای فشار ضعیف مربوط به استاندارد 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

aR – حفاظت محدود – حفاظت از نیمه رساناها

gS – حفاظت کامل – ترکیب gR و aR

gB – حفاظت کامل – حفاظت دستگاههای استخراج معدن

gTr- حفاظت کامل- حفاظت ترانسفورمر ها

ویژگیهای فیوزهای قطع سریع

این فیوزها که برای حفاظت نیمه رساناها و تضمین صحت و اطمینان از عملکرد تأسیسات و تجهیزات به کار میروند دارای ویژگیهای زیر میباشند.

قطع مدار به میزان کافی سریع است تا آسیبی به دستگاهها وارد نشود.

عملکرد سریع قطع مدار قبل از آسیب دیدن بخشهای نیمه رسانا اتفاق میافتد.

قدرت قطع نامی بالا

ظرفیت بالا در کلید زنی جریان

محدودیت بالای جریان DC

قوس الکتریکی (Arc) ناچیز هنگام واکنش (عملکرد فیوز به گونه ای اســت که موجب Over–Voltage غیر قابل قبول و مخرب اجزاء نیمه هادی نمیگردد.)

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 سایر تجهیزات تابلویی به منظور حفاظت مدار اتصال و اجزاء نیمه هادی استفاده نمود.

فیوزهای جدیدgS=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 انفجار IGBTپیشگیری کنند. این فیوزها که بهترین حفاظت از تجهیزات الکترونیک سیمها، کابلها، 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 دستورالعمل مشخصی به جز IEC 60146-6 که در بالا نیز به آن اشــاره شــد جهت انتخاب فیوز منتشر نشده است و بسته به ویژگیهای 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 شدت جریان گذرنده از نیمه هادی (Isem) می بایست کمتر و یا مساوی با جریان نامی فیوز انتخابی (Inv) باشد.

Isem ≤ Inv

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

Usem ≤ Unv

C مشخصهI2t فیــوز انتخابــی می بایست از مشخصه I2tنیمه رسانا کمتر باشد.

I2topv < I2tsem

انواع فیوز ها و کاربر