فیوز چیست؟ نحوه عملکرد فیوز و انواع آن در برق صنعتی

دروود به دنبال کنندگان سایت برق پدیا، در خدمتتون هستیم با یکه مقاله در حوزه آموزش برق صنعتی و نقشه خوانی. در این مقاله به یکی از تجهیزات اصلی تابلوبرق یعنی فیوز میپردازیم و امیدواریم مطلب مفیدی برای شما متخصصان عزیز باشد.

فیوز 

فیوز الکتریکی، یک تجهیز حفاظتی است که برای محدود کردن جریان در مدار الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. عبور جریان بیش از حد مجاز، بدون وجود فیوز، می‌تواند منجر به خسارات جبران‌ناپذیری شود. بنابراین، فیوز الکتریکی مدار را در برابر آسیب ناشی از جریان اضافی یا نوسانات ولتاژ محافظت می‌کند.

فیوز با محدود کردن جریان از بروز اتصالات کوتاه و اضافه بار در تجهیزات الکتریکی جلوگیری می‌کند. این تجهیز قابلیت حفاظت از ولتاژ بالا تا 400 کیلوولت و ولتاژ پایین تا 66 کیلوولت را داراست.

در این مقاله از برق پدیا، حقایق جالبی در مورد فیوز الکتریکی، انواع فیوزها، نحوه عملکرد آن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.

فیوز چیست؟

فیوز الکتریکی یک تجهیز حفاظتی مصرف‌شدنی و کم‌هزینه است که در شرایط اتصال کوتاه یا اضافه بار بیش از حد، مدار را قطع می‌کند. این تجهیز به عنوان یک عنصر حفاظتی تعریف می‌شود که از سرریز جریان در مدار الکتریکی جلوگیری می‌کند. فیوز از یک هادی فلزی شده است و داخل محفظه ای (کارتریج) قرار می‌گیرد. هدف اصلی فیوز، اجازه عبور جریان عادی و قطع مدار در هنگام عبور جریان با شدت بالا است.

نمادهای فیوز برق

فیوز یک مدار الکتریکی را می‌توان با فیوز جدیدی با همان توان اسمی جایگزین کرد. از عناصری مانند مس، روی، نقره و آلومینیوم برای ساخت فیوزهای جدید استفاده می‌شود. اجزای اصلی یک فیوز در نمودار عبارتند از: سرپیچ برنجی، عنصر ذوب‌شونده و پودر پرکننده.

• سرپیچ برنجی (Brass end cap): این بخش اتصال الکتریکی بین فیوز و هادی الکتریکی را برقرار می‌کند.
• عنصر ذوب‌شونده (Fusing element): این بخش تحت جریان بیش از حد در مدار ذوب شده و باعث قطع جریان می‌شود. مواد با نقطه ذوب پایین و تلفات اهمی کم مانند قلع، سرب و روی اغلب برای ساخت این بخش استفاده می‌شوند.
• پودر پرکننده (Filling powder): این پودر فضای داخلی بدنه فیوز را پر می‌کند. مواد رایج مورد استفاده در این بخش کوارتز، گچ، گرد و غبار، مرمر است.

وظیفه اصلی فیوز

اصل کار فیوز الکتریکی بر اساس اثر حرارتی جریان است. در شرایط عادی، جریان از فیوز عبور می‌کند. گرمای ایجاد شده در فیوز به محیط اطراف منتقل می‌شود و دمای آن پایین‌تر از نقطه ذوب باقی می‌ماند. ضخامت سیم فیوز بر اساس مقدار جریان عبوری از آن متغیر است. سیم فیوز الکتریکی معمولاً از آلیاژ قلع و سرب ساخته می‌شود.

هنگامی که اتصال کوتاه الکتریکی رخ می‌دهد، جریان ناگهان افزایش یافته و از فیوز عبور می‌کند. در نتیجه، سیم فیوز گرم شده و ذوب می‌شود و مسیر جریان را قطع می‌کند. به خاطر داشته باشید که در سیم‌کشی‌های الکتریکی، فیوز باید به سیم فاز (سیم زنده) متصل شود.

انواع فیوز 

طبقه‌بندی فیوزها بر اساس ویژگی‌هایی همچون توان نامی جریان، توان نامی ولتاژ، قدرت قطع و زمان واکنش انجام می‌شود. علاوه بر این، نمادهای فیوز نیز بر اساس استانداردهایی مانند سیستم IEC، IEE یا ANSI تعریف می‌شوند. با توجه به ولتاژ ورودی، فیوزها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند: فیوز AC و فیوز DC.

فیوزالکتریکی DC

فیوزبرق DC با عبور جریان اضافی از آن، مدار را قطع می‌کند. اما برخلاف فیوزبرق AC، خاموش کردن قوس الکتریکی در مدار DC به سادگی انجام نمی‌شود.

فیوزهای DC نقش مهمی در حفاظت ماژول‌های باتری و پک‌های باتری ایفا می‌کنند و می‌توانند جریان‌های خطای DC را به‌طور قابل اعتمادی پاک‌سازی کنند.

تفاوت‌های کلیدی بین  AC و DC عبارتند از:

• فرآیندهای تولید: فرآیند ساخت فیوزهای DC با توجه به چالش‌های خاموش کردن قوس الکتریکی و ویژگی‌های جریان DC، پیچیده‌تر از AC است.
• ولتاژ کاری: فیوزهای DC معمولاً برای ولتاژهای پایین‌تر DC مانند 12V، 24V یا 48V طراحی می‌شوند، در حالی که فیوزهای AC برای ولتاژهای متناوب مختلف از جمله 120V، 240V یا 400V ساخته می‌شوند.
• دامنه جریان: فیوزهای DC می‌توانند طیف گسترده‌تری از جریان را تحمل کنند، مانند 100 آمپر، در حالی که فیوزهای AC معمولاً برای جریان‌های کوچکتر بین 10 تا 20 آمپر طراحی می‌شوند.

انواع فیوزهای DC

1. فیوزهای کارتریجی:

دارای یک عنصر ذوب شونده داخل محفظه شیشه‌ای با درپوش‌های فلزی در دو انتها هستند.

از لوازم و تجهیزات صنعتی مانند موتورها، کولرهای گازی، یخچال‌ها و پمپ‌ها محافظت می‌کنند.

2. فیوزهای خودرو:

برای سیستم‌های خودرو تا 32 ولت DC کاربرد دارند.

از سیم‌کشی‌های الکتریکی در خودروها و وسایل نقلیه محافظت می‌کنند.

3. فیوزهای قابل تنظیم مجدد یا پُلی‌فیوز:

قابلیت تنظیم مجدد دارند و در جریان زیاد گرما تولید کرده و پلیمر ارگانیک آن‌ها منبسط می‌شود.

در منابع تغذیه کامپیوتر، تجهیزات هوافضایی و شارژرهای تلفن همراه استفاده می‌شوند.

4. فیوزهای نیمه‌رسانا:

تلفات توان آن‌ها با افزایش جریان به صورت تصاعدی بالا می‌رود و برای فیوزهای فوق‌سریع از نیمه‌رسانا استفاده می‌شود.

از قطعات سوئیچینگ نیمه‌رسانا مانند یوپی‌اس، مبدل‌ها و درایوهای موتور محافظت می‌کنند.

5. فیوزهای سرکوب کننده ولتاژ اضافی:

ترکیبی از یک محافظ ولتاژ اضافی و فیوز، از هر دو نوع نوسان ولتاژ و جریان محافظت می‌کند.

از تجهیزات و تأسیسات ارزشمند برق صنعتی برای جلوگیری از خسارات مالی محافظت می‌کنند.

فیوزالکتریکی AC

قطع جریان توسط فیوزبرق در جریان متناوب (AC) نسبت به جریان مستقیم (DC) بسیار ساده‌تر است. علت این امر، نوسان جریان الکترونی در AC است. در یک مدار 50 هرتزی، منبع AC جهت جریان الکترون را صد بار در ثانیه معکوس می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود که در زمان صفر شدن جریان، هیچ قوسی بین سیم‌های ذوب‌شده ایجاد نشود. بنابراین، فیوزهای AC به‌اندازه کافی فرصت دارند تا جریان را به طور کامل قطع کنند و به همین دلیل، به طور کلی ابعاد کوچک‌تری نسبت به فیوزهای DC دارند.

انواع فیوزهای AC

1. فیوزهای AC ولتاژ پایین (کمتر یا مساوی 1500 ولت):

• فیوزهای قابل‌بازپیچ: این نوع  عمدتاً در مدارهای جریان کم استفاده می‌شود. حامل فیوز به راحتی بدون باز کردن کلید اصلی در پایه قرار می‌گیرد و برداشته می‌شود. فیوزهای قابل‌بازپیچ در صنایع و سیم‌کشی‌های برق خانگی برای جریان‌های کم در سیستم‌های ولتاژ پایین استفاده می‌شوند.
• فیوزهای کپسوله‌ای یا کارتریج: فیوز درون محفظه‌ای با کنتاکت‌های فلزی در هر دو طرف قرار می‌گیرد. انواع دیگر فیوزهای کپسوله‌ای شامل D نوع و لینک‌دار است. نوع لینک‌دار خود دو مدل دارد: فیوزهای لینک HRC تیغه‌ای و فیوزهای لینکHRC بولتی. فیوزهای کپسوله‌ای در صنایع کوچک برای محافظت از ماشین‌آلات استفاده می‌شوند.
• فیوزهای افت‌کننده: ذوب شدن فیوزالکتریکی به افتادن عنصر فیوز تحت نیروی جاذبه منجر می‌شود. این نوع فیوزبرق از ترانسفورماتورهای بیرونی محافظت می‌کند.
• فیوزالکتریکی ضربه زننده: این نوع فیوزالکتریکی در بستن مدارهای قطع‌کننده یا نشانگر کاربرد دارد. آنها دارای نیرو و جابجایی کافی هستند.
• فیوز کلیدی: این فیوز برای مدارهای ولتاژ پایین و متوسط استفاده می‌شود. بر اساس جریان‌های رتبه‌بندی‌شده که حدوداً سه برابر جریان بار هستند، می‌تواند با ایمنی قطع کند.

2. فیوزهای AC ولتاژ بالا:

• فیوزهای HRC: فیوزالکتریکی با قدرت قطع بالا، سیم فیوزی دارد که برای مدت معینی جریان اتصال کوتاه را تحمل می‌کند. هنگامی که خطایی در مدار رخ دهد، می‌سوزد. فیوزالکتریکی HRC کپسولی HV دارای دو عنصر فیوزی موازی است: یکی با مقاومت کم و دیگری با مقاومت زیاد. این فیوزها به عنوان ایمنی پشتیبان و برای محافظت از موتورها استفاده می‌شوند. فیوزالکتریکی HRC مایع HV دارای چهارکلرید کربن و آب‌بندی در هر دو انتهای درپوش‌ها است. این نوع برای محافظت از ترانسفورماتورها استفاده می‌شود.
• فیوزهای Expulsion: این فیوزها لینک فیوز را با مواد تولیدکننده گاز مانند بوریک اسید احاطه می‌کنند. به دلیل کم‌هزینه بودن، فیوزهای HRC نوع Expulsion عمدتاً برای محافظت از فیدرها و ترانسفورماتورها استفاده می‌شوند.

مزایا و معایب فیوزهای برق

مزایا:

• حفاظت از مدار و سیم‌کشی: فیوزهای الکتریکی با قطع جریان بیش از حد در شرایط اضافه بار یا اتصال کوتاه از آسیب دیدن اجزای مدار و سیم‌کشی محافظت می‌کنند.
• سادگی و قابلیت اطمینان: عملکرد فیوزها بر اساس یک اصل ساده‌ی فیزیکی استوار است و به همین دلیل، قابل اعتماد و کم‌عیب هستند.
• هزینه کم: در مقایسه با دیگر تجهیزات حفاظتی، فیوزها هزینه نسبتاً پایینی دارند.
• سهولت تعویض: تعویض فیوزهای سوخته به راحتی و بدون نیاز به دانش و تخصص ویژه‌ای انجام می‌شود.
• تنوع طیف عملکرد: فیوزها با رنج‌های مختلف تحمل جریان و زمان واکنش تولید می‌شوند که امکان تطبیق آنها با نیازهای حفاظتی انواع مدارها را فراهم می‌کند.

معایب:

• نیاز به مداخله دستی: پس از سوختن فیوز، برای برقراری مجدد جریان نیاز به تعویض دستی آن وجود دارد و برخلاف کلیدهای حفاظتی، قابلیت ریست اتوماتیک ندارند.
• خسارت احتمالی به اجزای مدار: هرچند فیوز از آسیب جدی‌تر به مدار جلوگیری می‌کند، ممکن است پیش از قطع جریان، اجزای حساس مدار دچار صدمات بیشتری شوند.
• قطع کامل جریان هنگام سوختن: از کار افتادن باعث قطع کامل جریان در کل مدار می‌شود که می‌تواند به اختلال در عملکرد تجهیزات متصل به آن منجر شود.
• حفاظت تک-مداره: هر فیوز تنها از یک مدار خاص حفاظت می‌کند و در صورت خرابی یا سوختن آن، کل مدار از دسترس خارج می‌گردد.

نتیجه گیری

فیوز الکتریکی ارزان‌ترین وبهترین روش ها برای حفاظت مدارها و لوازم خانگی است. به دلیل عدم نیاز به نگهداری دوره‌ای و هزینه کم، فیوزها به عنوان گزینه اقتصادی برای حفاظت اولیه شناخته می‌شوند.

عملکرد فیوز خودکار و سریعتر از کلیدهای حفاظتی است. با بروز خطاهای جریان بیش از حد، فیوزها به‌صورت خودکار ذوب شده و جریان را قطع می‌کنند و این عمل اغلب سریعتر از قطع شدن توسط کلیدهای حفاظتی سنتی انجام می‌شود.

ابعاد کوچک فیوز، محدودیت جریان و عملکرد مؤثر در شرایط اتصال کوتاه را تسهیل می‌کند. به دلیل اشغال فضای کم، فیوزها در مدارهای فشرده و تجهیزات با حجم محدود، گزینه مناسبی برای حفاظت اولیه محسوب می‌شوند.

مشخصه جریان-زمان معکوس فیوز، استفاده از آن را برای حفاظت اضافه بار مناسب می‌سازد. این ویژگی به فیوز اجازه می‌دهد تا در برابر جریان‌های بیش از حد با تأخیر متناسب با افزایش جریان واکنش نشان دهد و از اجزای مدار در برابر آسیب‌های ناشی از اضافه بارهای لحظه‌ای محافظت کند.

فیوزها به طور گسترده برای حفاظت از کابل‌ها در ولتاژهای پایین، مدارهای قدرت و ترانسفورماتورهای با ظرفیت کمتر از 200 کیلوولت آمپر (KVA) مورد استفاده قرار می‌گیرند. به دلیل عملکرد قابل اعتماد و هزینه پایین، فیوزها در توزیع برق و سیستم‌های کم‌توان، گزینه‌ای مطلوب هستند.

فیوزها همچنین در لوازم خانگی ولتاژ پایین و متوسط که نیاز به عملیات مکرر ندارند، کاربرد دارند. سادگی و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری، فیوزها را برای حفاظت در تجهیزاتی با کارکرد کم‌دوره مناسب می‌سازد.