فیوز چیست؟

فیوز دارای یک المان حفاظتی به شکل ذوب شونده است. این المان هنگام رخ دادن خطای اضافه جریان، ذوب شده و مسیر تغذیه ی مدار را قطع می کند. سوختن لینک داخلی فیوز بعلت افزایش حرارت ناشی از عبور جریان بوده و به همین علت نام دیگر آن فیوز حرارتی است. فیوز یک عنصر غیر قابل تنظیم و غیر قابل ریست بوده و در شکل ها و ساختمان های مختلفی تولید می شود. از فیوزهای پرکاربرد فشار ضعیف می توان به مدل های شیشه ای، پلاستیکی و سرامیکی اشاره کرد. فیوزهای سرامیکی فشار ضعیف در مدل های فشنگی، استوانه ای، کاردی و غیره تولید می شوند.

فیوزهای فشار متوسط ساختار متفاوتی دارند. به عنوان مثال جهت حفاظت ترانسفورماتورهای MV/LV بر اساس قدرت و روش نصب می توان از فیوزهای سرامیکی و لینک های فیوز کات اوت استفاده کرد. جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص حفاظت ترانسفورماتورهای MV به کتاب و دوره ی تصویری تاسیسات فشار متوسط مراجعه کنید.

ساختمان فیوز

فیوزهای با جریان بالا اغلب به صورت سرامیکی ساخته می شوند. سرامیک به کار رفته در بدنه ی فیوز دارای استحکام بالایی بوده و می تواند حرارت ناشی از قوس الکتریکی را تحمل کند. لینک ذوب شونده فیوز داخل این قاب سرامیکی قرار گرفته و اطراف آن با خاک کوارتز پر می شود. این خاک باعث جلوگیری از صدای بلند، کاهش نیروی ناشی قوس الکتریکی و انتشار آن هنگام عملکرد فیوز می شود. بدنه ی فیوزها عایق بوده و برای انتقال انرژی از دو قسمت هادی در آن ها استفاده می شود. قسمت های هادی به دو سمت لینک ذوب شونده متصل خواهند شد. قسمت های هادی علاوه بر انتقال جریان ممکن است نقش های دیگری مانند نصب فیوز در انواع پایه و کلیدها را داشته باشند.

در ساختمان فیوز از بخش های دیگری مانند پولک، اهرم قطع کننده یا Fuse Striker، محل نصب میکرو سوئیچ و غیره نیز استفاده می شود. روی بدنه ی فیوز اطلاعات مهمی مانند میزان جریان نرمال، ولتاژ، قدرت قطع، استاندارد، کد فیوز و غیره وجود دارد. قبل از نصب فیوز باید این اطلاعات به درستی بررسی شده و با مشخصات مدار مطابقت داده شود. در نظر داشته باشید که فیوز یک المان تکفاز بوده و به کار بردن اصطلاح فیوز سه فاز صحیح نیست. فیوزهای تکفاز ممکن است در کنارهم قرار گرفته و برای مدارهای دوفاز، سه فاز، جریان مستقیم و غیره استفاده شوند ولی هر یک به عنوان المان مستقل عمل خواهند کرد.

تصویر 1 پلاک فیوز ETI از نوع فوق سریع

فیوز پس از عملکرد باید تعویض شده و دیگر قابل استفاده نیست. هنگام تعویض فیوز حتما باید به نوع و مشخصات آن توجه کنید. فیوز بر اساس مشخصه های الکتریکی، نوع و میزان بار انتخاب می شود. فیوزها نباید بدون مطالعه و کسب اطمینان از عملکرد صحیح با مدل های دیگر جایگزین شوند. تعویض فیوز با آمپراژ یا مدل های دیگر ممکن است باعث اختلال در حفاظت یا تغییر سطح حفاظتی مدار گردد. در برخی مدارها سطح حفاظتی با عنوان کوردینه سازی تیپ 1 و 2 مشخص می شود.

تصویر 2 فیوز NH

کوردینه سازی

اصطلاح کوردینه‌سازی به معنی انتخاب مجموعه‌ای از تجهیزات الکتریکی است که ایمنی افراد و محیط را تأمین کند. این سیستم‌های حفاظتی باید به بهترین شکل خطاهای اضافه‌بار و اتصال‌کوتاه را تشخیص داده و قسمت معیوب را از سیستم جدا کنند. به عبارت ساده‌تر کوردینه‌سازی یعنی ایمنی افراد و تأسیسات هنگام رخ دادن انواع خطاهای الکتریکی، حفظ شود. کوردینه‌سازی تجهیزات نیمه هادی مانند سافت‌استارترها بر اساس استاندارد IEC 60947-4-2 و EN 60947-4-2 با عنوان تجهیزات نیمه‌هادی جریان متناوب جهت کنترل و راه‌اندازی الکتروموتور انجام می‌شود. این استاندارد 2 نوع کوردینه‌سازی بر اساس سطح موردنظر در خصوص پیوستگی سرویس ارائه می‌کند.

کوردینه‌سازی تیپ 1 به معنی این است که اگر اتصال کوتاه در سیستم رخ بدهد، تجهیز موردنظر شما مثلاً یک کنتاکتور یا سافت‌استارتر، نباید باعث آسیب به افراد و تأسیسات دیگر شود. در این سطح حفاظت ممکن است خود تجهیز آسیب‌دیده و دیگر قابل استفاده نباشد. در حالت کوردینه‌سازی تیپ 1 باید این انتظار را داشته باشیم که بعد از رخ دادن اتصال کوتاه ممکن است تجهیز موردنظر نیاز به تعویض یا تعمیر داشته باشد.

در کوردینه سازی تیپ 2، هنگام رخ دادن اتصال کوتاه علاوه بر تأمین ایمنی افراد و تأسیسات، تجهیز موردنظر نباید آسیب ببیند. به عبارت ساده‌تر بعد از رفع خطا و وصل مجدد برق، تجهیز بتواند به کار خود ادامه دهد. این مدل از کوردینه‌سازی راه‌کارهای مختلفی برای حفاظت از تجهیزات دارد. به‌عنوان‌مثال در کنتاکتورها، سوئیچ‌ها و دستگاه‌های فاقد عناصر نیمه‌هادی، بالا بردن رنج باعث حفظ سلامت قطعه در برابر اتصال کوتاه می‌شود. این روش در خصوص دستگاه‌های شامل عناصر نیمه‌هادی مانند درایوها و سافت‌استارترها صدق نکرده و باید از فیوزهای بسیار سریع استفاده کرد. مطالب مربوط به روش استفاده از فیوزهای فوق سریع در مدار الکتروموتورها را می توانید در کتاب راه اندازی و حفاظت موتورهای سه فاز مطالعه کنید.

سوئیچ بار

از فیوز نمی توان به تنهایی برای سوئیچ بار مانند خاموش و روشن کردن یک الکتروموتور استفاده کرد. فیوزها می توانند به صورت جداگانه یا در کلیدهای غیر قابل قطع تحت بار و در کلیدهای قابل قطع و وصل تحت بار نصب شوند. از کلیدهای قابل قطع تحت بار مجهز به فیوز می توان جهت حفاظت و سوئیچ بار استفاده کرد. کلیدهای قابل قطع و وصل تحت بار از نظر ایمنی مخصوصا هنگام تعویض فیوزهای سوخته بسیار کاربردی هستند. کلید فیوزها از نظر اینترلاک، فرمان الکتریکی، کنتاکت های کمکی و غیره در مدل های بسیار متنوعی ساخته می شوند.

در تصویر یک سوئیچ دیسکانکتور 160 آمپر سه فاز Eaton برای فیوزهای تیپ NH را مشاهده می کنید. طبق علامت درج شده روی پنل می توان از این تجهیز برای قطع و وصل جریان بار نامی طبق استاندارد AC21B استفاده کرد. ولتاژ عایقی این فیوز-سوئیچ دیسکانکتور 690 ولت متناوب است. از مشخصه های دیگر می توان به سطح مقطع شینه یا کابل قابل اتصال، قطر پیچ و غیره اشاره کرد. این اطلاعات به صورت کامل در کاتالوگ تجهیز شرح داده شده اند.

تصویر 3 کلید فیوز Eaton

خطاهای قابل تشخیص توسط فیوز

المان های ذوب شونده؛ توانایی تشخیص جریان خطا در مدارهای با امپدانس بالا را ندارند. به عبارت دیگر نمی توان از فیوز برای شناسایی جریان خطای زمین با مقدار کمتر-مساوی جریان نامی آن استفاده کرد. از طرفی المان ذوب شونده نمی تواند حفاظت قابل تنظیم از نظر اضافه بار برای تمام تجهیزات مانند ژنراتورها و موتورها باشد. فیوز در اغلب مدارها به عنوان المان حفاظتی اصلی جهت تشخیص، محدود کردن و قطع جریان اتصال کوتاه در نظر گرفته می شود. از مزایای اصلی فیوز می توان به محدود کردن جریان خطا و انرژی ناشی از آن، قدرت قطع بسیار بالا، سادگی، ارزانی و غیره اشاره کرد.

تشخیص خطای با جریان پائین در مدارهای دارای فیوز

در صورت وجود کلید فیوز قابل قطع زیر بار یا یک کلید قابل قطع سری شده با فیوز می توان از رله برای تشخیص خطای زمین و اضافه بار کمک گرفت. در این حالت جریان اتصال کوتاه توسط فیوز و خطاهای جریان پائین توسط رله و کلید حفاظت می شود. کلید قابل قطع در این طرح حفاظتی باید دارای بوبین یا مکانیزم قطع الکتریکی باشد. هنگام استفاده از این طرح باید به سرعت عملکرد کلید به منظور برآورده کردن الزامات مورد نیاز برای حفاظت شوک و آتش سوزی الکتریکی توجه کنید. از این ترکیب بیشتر به منظور حفاظت در برابر اضافه بار تجهیزات خاص مانند ترانسفورماتور و موتورهای فشار متوسط استفاده می شود.

تصویر 4 رله حفاظتی اشنایدر سری Easergy P1F

ترکیب فیوز، رله و کلید با فرمان الکتریکی بسیار پیچیده بوده و نیاز به تجهیزات و دانش خاصی دارد. به عنوان مثال رله باید جریان خطا با مقدار پائین و جریان خطا با مقدار بالا را شناسایی کرده و رفتار متفاوتی را داشته باشد. رله باید هنگام رخ دادن خطا با جریان پائین، فرمان قطع کلید را صادر کند. خطا با جریان پائین می تواند ناشی از اضافه بار، عدم تعادل، قطع فاز، اتصال زمین با امپدانس بالا و موارد دیگر باشد. خطاهای با جریان پائین توسط کلید قطع شده و از آسیب به تجهیزات جلوگیری می شود.

رله نباید در جریان های بالا به کلید فرمان قطع بدهد. کلیدها از نظر قطع و وصل جریان اتصال کوتاه بسیار ضعیف تر از بریکرها هستند. فرمان قطع به کلیدهای معمولی هنگام رخدادن خطا با جریان بالا می تواند آن را منهدم کند. در این شرایط رله باید لاک شده و اجازه ی عبور جریان خطای سنگین از مدار و عملکرد فیوز را بدهد.

ترکیب فیوز با کلید قابل قطع و رله اغلب در سطح فشار متوسط و به منظور حفاظت ترانسفورماتور استفاده می شود. در این حالت فیوزها داخل کلید قابل قطع قرار گرفته که دارای انرژی شارژ شده در فنر و بوبین تریپ است. در صورت رخ دادن خطا با جریان پائین، رله حفاظتی یک سیگنال الکتریکی به بوبین ارسال کرده و کلید توسط نیروی فنر قطع می شود. در صورت رخ دادن خطای سنگین، رله لاک شده و اجازه ی عملکرد به فیوز را می دهد.

تصویر 5 کلید قابل قطع فشار متوسط ترکیب شده با فیوز

حفاظت اضافه بار

فیوزها بر اساس مدل دارای مشخصه های اتصال کوتاه به همراه اضافه بار یا بدون اضافه بار هستند. مشخصه ی اضافه بار فیوز قابل تنظیم نبوده و باید بر اساس میزان و نوع بار انتخاب شود. در تجهیزات غیر حساس مانند کابل ها می توان حفاظت اتصال کوتاه و اضافه بار را با فیوز انجام داد. این روش بسیار کارآمد و ارزان قیمت است.

در مدارهای فشار ضعیف حساس و مجهز به فیوز، اغلب از تجهیزات حفاظتی جداگانه برای کنترل اضافه بار و خطاهای ولتاژی استفاده می شود. به عنوان مثال فیوز در بالاترین سطح قرار گرفته و حفاظت فیدر در برابر اتصال کوتاه را برعهده دارد. در ادامه یک کلید با فرمان الکتریکی مانند کنتاکتورنصب شده تا نقش سوئیچ بار را داشته باشد. بعد از کنتاکتور می توان از رله های حرارتی یا الکترونیک اضافه بار استفاده کرده و سطح حفاظت مدار را ارتقاء داد. در مدارهای دارای سوئیچ با فرمان الکتریکی از رله های ولتاژی نیز استفاده می شود. رله های ولتاژی مانند رله کنترل فاز در مسیر فرمان کلید قرار گرفته و از مدار در برابر کاهش ولتاژ، افزایش ولتاژ، قطع فاز، تغییر توالی و غیره محافظت می کنند.

تصویر 6 رله حرارتی اضافه بار یا بی متال

تشخیص عملکرد فیوز

تشخیص خودکار و سریع سوختن فیوز یکی از مشکلات اصلی در مدارهای مجهز به لینک ذوب شونده است. سوختن یکفاز فیوز در مدارهای سه فاز باعث دوفاز شدن مدار و ایجاد خسارت خواهد شد. به منظور تشخیص عملکرد فیوز از روش های دیداری، مکانیکی و الکتریکی استفاده می شود. در حالت دیداری وضعیت ظاهری فیوز چک شده و علائم روی آن کنترل می شود. فیوزهای با آمپراژ و ولتاژ بسیار پائین، اغلب دارای بدنه ی شیشه ای و شفاف هستند. در این مدل می توان به صورت مستقیم وضعیت المان داخلی را کنترل کرد. فیوزهای شیشه ای یا بدنه پلاستیکی در مدارهای AC و DC با توان بسیار پائین استفاده می شوند.

تصویر 7 فیوز شیشه ای با بدنه ی شفاف

فیوزهای فشار ضعیف با توان بالا اغلب به صورت سرامیکی ساخته می شوند. بررسی مستقیم لینک داخلی این فیوزها به صورت دیداری امکان پذیر نیست. در این حالت از روش های غیر مستقیم استفاده می شود. اغلب فیوزهای مکعبی دارای یک یا دو پولک رنگی هستند. این پولک پس از سوختن المانی داخلی از حالت نرمال خارج شده و یک نشانه ی بسیار خوب برای تعویض فیوز است. محل قرار گرفتن و رنگ پولک ممکن است با توجه به برند، نوع فیوز، استاندارد ساخت آن و غیره متفاوت باشد.

در تصویر یک فیوز مکعبی 400 آمپر باسمن از کلاس aM با پولک رنگی مقابل را مشاهده می کنید. این فیوز دارای عملگر مکانیکی در قسمت بالا نیز می باشد. ترکیب پولک رنگی و عملگر مکانیکی در کاتالوگ فیوز با عبارت Dual indicator یا Combination fuse status indicator مشخص شده است. از این قسمت ها برای تشخیص عملکرد فیوز به صورت دیداری و الکتریکی استفاده می شود.

تصویر 8 فیوز NH کلاس aM با نشانگر سوختن فیوز یا fuse status indicator

عملگر مکانیکی فیوز فشار ضعیف دارای نیروی بیشتری از پولک رنگی بوده و برای تحریک میکروسوئیچ استفاده می شود. میکروسوئیچ با توجه به برند و مدل فیوز تهیه شده و روی عملگر مکانیکی آن قرار می گیرد. نوع و تعداد کنتاکت های میکروسوئیچ متفاوت بوده و در مدار فرمان سیم بندی می شود. موقعیت عملگر مکانیکی فیوز با توجه به مدل آن ممکن در بالا، پائین یا طرفین آن باشد. در تصویر یک میکروسوئیچ مخصوص فیوزهای باسمن از برند Eaton را مشاهده می کنید. این میکروسوئیچ در قسمت بالای فیوز و روی زبانه ی مخصوص فیوزکش قرار گرفته و یک کنتاکت چنج آور دارد.

تصویر 9 میکروسوئیچ فیوز باسمن

با سوختن فیوز، پولک رنگی و عملگر مکانیکی آن حرکت خواهد کرد. حرکت عملگر مکانیکی رو به بیرون بوده و میکروسوئیچ را تحریک می کند. میکروسوئیچ اغلب روی فیوزهایی نصب می شود که در پایه قرار دارند. در کلید فیوزها از روش دیگری برای تشخیص عملکرد فیوز استفاده می شود. کنتاکت میکروسوئیچ برای تشخیص سوختن فیوز، قطع کلید پائین دست یا قطع مدار فرمان طراحی شده است. پولک رنگی، عملگر مکانیکی و میکروسوئیچ روی برخی از فیوزهای استوانه ای نیز نصب می شود. در تصویر یک نشان دهنده ی تریپ مخصوص فیوز استوانه ای 8 در 46 میلی متر با استاندارد بریتیش یا BS را مشاهده می کنید.

تصویر 10 نمایشگر تریپ فیوز استوانه ای

علاوه بر میکروسوئیچ می توان از پایه فیوزهای سیگنال دار یا مدار الکتریکی مجزا جهت تشخیص قطع فیوز نیز استفاده کرد. مدار الکتریکی با فیوز موازی شده و وضعیت آن را ماینتور می کند. در صورت سالم بودن فیوز، تمام جریان از آن عبور کرده و اختلاف پتانسیلی روی مدار تشخیص عملکرد فیوز وجود نخواهد داشت. با سوختن فیوز در دو سمت آن اختلاف پتانسیل ایجاد می شود. اختلاف پتانسیل روی فیوز سوخته در نهایت به یک سیگنال نورانی یا الکتریکی تبدیل خواهد شد. در تصویر یک نمونه پایه فیوز سه فاز سیلندری 14×51 با چراغ سیگنال را مشاهده می کنید. این پایه فیوز غیر قابل قطع زیر بار بوده و نئون آن با حداقل 90 ولت روشن خواهد شد.

تصویر 11 نگهدارنده ی فیوز استوانه ای

سیگنال نورانی جهت تشخیص سریع فیوز سوخته بوده و در مدار الکتریکی و خودکار قابل استفاده نیست. برای تشخیص سوختن فیوز به صورت الکتریکی باید از ادوات مکانیکی مانند میکروسوئیچ یا مدار مجزا استفاده شود. ساختار مدار مانند پایه روش به کار رفته در پایه فیوز بوده و باید از اختلاف پتانسیل استفاده کند. در صورت افزایش اختلاف پتانسیل دو سمت فیوز می توان یک سیگنال الکتریکی جهت قطع مدار فرمان صادر کرد.

عملگر مکانیکی در فیوزهای فشار متوسط نیز وجود دارد. از این بخش اغلب جهت قطع کلید قدرت استفاده می شود. عملگر مکانیکی فیوز پس از سوختن لینک داخلی، یک اهرم را آزاد کرده و کلید قدرت را در حالت قطع قرار خواهد داد. صدور فرمان مکانیکی توسط بخشی از فیوز با عنوان Fuse Striker انجام می شود. این پین مکانیکی پس از سوختن فیوز آزاد شده و توسط نیروی فنر به بیرون از بدنه ی آن هدایت می شود. سیستم Fuse Striker برای عملکرد بخش های مکانیکی مانند قطع کلید و اینترلاک ها طراحی شده است. قطع کلید با سوختن هر یک از فیوزها انجام شده و جهت جلوگیری از دوفاز شدن بار متصل شده به آن مانند ترانسفورماتور است.

تصویر 12 اجزای داخلی فیوز فشار متوسط

• A پین مکانیکی در حالت آزاد شده
• B پین مکانیکی در حالت نرمال
• C فنر
• D تریپ حرارتی پین مکانیکی
• E تریپ الکتریکی پین مکانیکی
• F المان اصلی فیوز

قطع کلید بعلت عملکرد هر یک از فیوزها باعث تحریک یک کنتاکت فرمان با عنوان Fuse burn states می شود. این کنتاکت در مدار اتوماسیون پست قرار داشته و سیگنال سوختن فیوز و عملکرد کلید را مخابره می کند. قطع شدن کلید در جریان های سنگین، پس از عملکرد فیوز اتفاق افتاده و باعث آسیب به آن نمی شود. موارد فوق را در بخش قوانین اصلی حفاظت ترانسفورماتور و مدار از کتاب تاسیسات فشار متوسط مطالعه کنید.