بررسی فیوز های الكتریكی

مقدمه

فیوز وسیله ای است جهت محافظت از مدارهای الكتریكی در مقابل بروز اشكالات ناشی از عبور جریان اضافی در آن، كه به وسیله ذوب شدن و قطع المنت داخلی آن كه معمولاً از جنس نقره یا مس می باشد مدار باز شده و جریان بصورت آنی قطع می گردد.

شكل 1- اجزاء تشكیل دهنده یك نوع فیوز ولتاژ پایین را نشان می دهد كه ممكن است در آن بیش از یك المنت به صورت موازی در داخل محفظه ای كه از ماسه كوارتز پودر شده و یا پودر چینی پر شده است وجود داشته باشد. بدنة فیوز معمولاً از جنس سرامیك و گاهی ممكن است از فایبر گلاس آمیخته با رزین ساخته شود. در هر یك از دو انتهای بدنه، یك كلاهك برنجی پرس شده وجود دارد كه المنتهای داخلی به آن متصل به كلاهكهای آن انجام می شود. كه متناسب با كاربرد فیوز دارای انواع مختلفی است.

هنگامیكه جریان اضافه برای مدت زمان كافی از مداری عبور كند به شرح زیر به تجهیزات آن مدار صدمه مدار می سازد.

الف- حرارت اضافه یا گرمای زیاد به بستگی به مربع مقدار مؤثر جریان عبوری از مدار دارد كه در اثر آن ممكن است به واسطه كار در درجه حرارت بالا، به عایقهای مدار صدمه جبران ناپذیری وارد شود. اگر جریان به قدر كافی زیاد باشد. ممكن است هادیهای فلزی مدار نیز ذوب شوند.

ب- نیروهای الكترو مغناطیسی كه متناسب با مربع پیك جریان هستند. تحت شرایط خطای اتصال كوتاه سنگین، ممكن است شكست مكانیكی تجهیزات اتفاق افتد، بویژه اگر درجه حرارت نیز بالا باشد كه در این صورت چون مقاومت مكانیكی مواد عمدتاً با افزایش درجه حرارت كاهش می یابد اثرات مخربتری به وجود می آید.

بعضی قطعات مانند نیمه هادیهای قدرت بالا، به انرژی آزاد شده در قطعه در خلال یك پالس كوتاه مدت حساس هستند. اگر مقاومت اهمی قطعه ثابت انتخاب شود در این صورت انرژی آزاد شده در یك پالس با مدت T متناسب با  خواهد بود. این انتگرال عموماُ به عنوان « i2  t» پالس شناخته می شود.

طرحهای مختلف فیوز برای حفاظت انواع مختلف تجهیزات الكتریكی در مقابل اثرات جریان اضافی و یا انرژی اضافی فوق الذكر وجود دارند كه از آنجائیكه از بحث این كتاب خارج می باشد در مورد آنها صحبت نمی گردد. خوانندگان عزیز می توانند به بروشروهای تبلیغاتی شركت فیوزسازی مراجعه نمایند.

نمودارهای عمومی

به عنان اولین قدم در درك طریقه ای كه یك فیوز عمل می كند( با بعضی اوقات می سوزد)، نمودارهای عمومی جریان، ولتاژ و درجه حرارت فیوز در طی یك عمل قطع نشان داده شده در شكل های (2)، (2-3)،(2-4)،(2-5) را در نظر بگیرید.

جریان انتظاری نشان داده شده روی این شكلها جریانی است كه در مدار جاری می شد اگر فیوز عمل نمی كرد و همچنین امپدانس المنت فیوز صفر در نظر گرفته می شد. بعد از وقوع یك خطا كه باعث عبور جریان و بدنبال آن باعث عملكرد دقیق می گردد، دو ناحیه متمایز زمانی وجود دارد. یكی زمان قبل از ایجاد قوس و دیگری زمان برقراری قوس است.

دراثنای زمان قبل از قوس یا به عبارتی پیش قوس ( زمان ذوب شدن) درجه حرارت المنت فیوز آنقدر افزایش می یابد تا اینكه نقطه ذوب فلز در یك یا چند نقطه از طول المنت فرا می رسد. سپس المنت فیوز قطع شده و بین دو انتهای ذوب شدة المنت كه پاره شده است قوس الكتریكی برقرار می گردد. در لحظه برقراری قوس یك افزایش قابل ملاحظه در ولتاژ دو سر فیوز ایجاد می گردد كه دلیل آن بعداً توضیح داده می شود. در اثنای زمان قبل از قوس، وقتی كه جریان مدار بسیار زیاد است، یك افزایش جزئی در ولتاژ دو سر فیوز مشاهده می شود، كه این ناشی از مقاومت اهمی المنت فیوز است كه با درجه حرارت افزایش یافته است.

جرقه، در خلال و در فاصلة زمانی برقراری قوس ادامه می یابد تا سرانجام قطع نهائی جریان فرا می رسد و قوس خاموش می گردد.

شكل های (2-2) و (2-4) نمودارهایی را در شرایط اتصال كوتاه برای مدارات    dc و ac در یك حالت خاص نمایش می دهند. چنانكه از این اشكال دیده می شود فیوز جریان خطای مورد انتظار را قطع می كند یعنی جریان خطا را در یك مقدار كمتر از پیك جریان انتظاری محدود می نماید. این محدودیت جریان، یكی از خواص مهم فیوزها ست كه اثرات حرارتی و الكترو مكانیكی را بطور جدی و موثر كاهش می دهد. در این شرایط اندازه زمان قبل از قوس و قوس تقریباً مساوی می باشند.

شكلهای ـ2-3) و (2-5) مجدداً نمودارهایی را برای مدارات  dcو ac نشان می دهند در این موارد جریان های انتظاری نسبتاً پایین هستند( همانند جریان اضافه بار) كه منجر به گرم شدن آهسته وتدریجی فیوز می شود. در این حالت زمان قبل ازقوس نسبتاً طولانی و شاید هم چند ساعته است ولی زمان جرقه در مقایسه با آن بسیار ناچیز است. شكل (2-5) نشان می دهد كه قبل از اینكه جریان كاملاً متوقف گردد جریان مدار ممكن است چندین نیم سیكل  ac را طی نماید.

شكل

بنابراین به نظر می رسد كه در بعضی از موارد خاموش شدن قوس موقعی كه جریان پایین است مشكل تر از وقتی است كه جریان زیادی خصوصاً در مواقع اتصال كوتاه از مدار عبور می نماید. دلیل این امر در قسمتهای بعدی توضیح داده می شود.

توزیع گرما و حرارت در المنت فیوز

رفتار و عملكرد اشاره شده فوق الذكر دقیقاً بستگی به توزیع گرما در طول المنت قبل از ذوب شدن دارد.

همچنانكه از روی شكل مشخص است درجه حرارت المنت در لحظات اولیه عبور جریان در سرتاسر طول المنت و در تمام آن بطور یكنواخت پخش می شود زیرا كه زمان كافی جهت افت و اتلاف حرارت در اثر انتقال به كلاهكهای در سر فیوز وجود ندارد. با پیشرفت زمان منحنی توزیع گرما تقریباً به صورت بیضی درآمده و گرمترین نقطه در وسط المنت خواهد بود.

این بدان معنی است كه در اتصال كوتاههای شدید كه دامنه جریان بسیار زیاد است، درجه حرارت در زمان ذوب بطور یكنواخت در سرتاسر طول المنت فیوز توزیع می گردد و در نتیجه المنت سریعاً ذوب شده و قوسهای متعددی ایجاد می گردد. بالعكس اگر جریان كم باشد زمان قبل از قوس افزایش یافته و درجه حرارت وسط المنت ایجاد می گردد. بنابراین توزیع گرما در المنت درست قبل از ذوب آن نه تنها مشخص می كند كه آیا قوس تكی یا چند تائی است بلكه تأثیر عمقی دررفتار و عملكرد فیوز در فاصله زمانی قوس دارد.