تحقیق مقاله فیوز های الکتریکی

مقدمه

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

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 1- اجزاء تشکیل دهنده یک نوع فیوز ولتاژ پایین را نشان می دهد که ممکن است در آن بیش از یک المنت به صورت موازی در داخل محفظه ای که از ماسه کوارتز پودر شده و یا پودر چینی پر شده است وجود داشته باشد. بدنه فیوز معمولاً از جنس سرامیک و گاهی ممکن است از فایبر گلاس آمیخته با رزین ساخته شود. در هر یک از دو انتهای بدنه، یک کلاهک برنجی پرس شده وجود دارد که المنتهای داخلی به آن متصل به کلاهکهای آن انجام می شود. که متناسب با کاربرد فیوز دارای انواع مختلفی است.

هنگامیکه جریان اضافه برای مدت زمان کافی از مداری عبور کند 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 که در اثر آن ممکن است به واسطه کار در درجه حرارت بالا، به عایقهای مدار صدمه جبران ناپذیری وارد شود. اگر جریان به قدر کافی زیاد باشد. ممکن است هادیهای فلزی مدار نیز ذوب شوند.

ب- نیروهای الکترو مغناطیسی که متناسب با مربع پیک جریان هستند. تحت شرایط خطای اتصال کوتاه سنگین، ممکن است شکست مکانیکی تجهیزات اتفاق افتد، بویژه اگر درجه حرارت نیز بالا باشد که در این صورت چون مقاومت مکانیکی مواد عمدتاً با افزایش درجه حرارت کاهش می یابد اثرات مخربتری به وجود می آید.

بعضی قطعات مانند نیمه هادیهای قدرت بالا، به انرژی آزاد شده در قطعه در خلال یک پالس کوتاه مدت حساس هستند. اگر مقاومت اهمی قطعه ثابت انتخاب شود در این صورت انرژی آزاد شده در یک 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 الکتریکی در مقابل اثرات جریان اضافی و یا انرژی اضافی فوق الذکر وجود دارند که از آنجائیکه از بحث این کتاب خارج می باشد در مورد آنها صحبت نمی گردد. خوانندگان عزیز می توانند به بروشروهای تبلیغاتی شرکت فیوزسازی مراجعه نمایند.

نمودارهای عمومی

به عنان اولین قدم در درک طریقه ای که یک فیوز عمل می کند( با بعضی اوقات می سوزد)، نمودارهای عمومی جریان، ولتاژ و درجه حرارت فیوز در طی یک عمل قطع نشان داده شده در شکل های (2)، (2-3)،(2-4)،(2-5) را در نظر بگیرید.

جریان انتظاری نشان داده شده روی این شکلها جریانی است که در مدار جاری می شد اگر فیوز عمل نمی کرد و همچنین امپدانس المنت فیوز صفر در نظر گرفته می شد. بعد از وقوع یک خطا که باعث عبور جریان و بدنبال آن باعث عملکرد دقیق می گردد، دو ناحیه متمایز زمانی وجود دارد. یکی 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 اینکه نقطه ذوب فلز در یک یا چند نقطه از طول المنت فرا می رسد. سپس المنت فیوز قطع شده و بین دو انتهای ذوب شده المنت که پاره شده است قوس الکتریکی برقرار می گردد. در لحظه برقراری قوس یک افزایش قابل ملاحظه در ولتاژ دو سر فیوز ایجاد می گردد که دلیل آن بعداً توضیح داده می شود. در اثنای زمان قبل از قوس، وقتی که جریان مدار بسیار زیاد است، یک افزایش جزئی در ولتاژ دو سر فیوز مشاهده می شود، که این ناشی از مقاومت اهمی المنت فیوز است که با درجه حرارت افزایش یافته است.

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

شکل های (2-2) و (2-4) نمودارهایی را در شرایط اتصال کوتاه برای مدارات    dc و ac در یک حالت خاص نمایش می دهند. چنانکه از این اشکال دیده می شود فیوز جریان خطای مورد انتظار را قطع می کند یعنی جریان خطا را در یک مقدار کمتر از پیک جریان انتظاری محدود می نماید. این محدودیت جریان، یکی از خواص مهم فیوزها ست که اثرات حرارتی و الکترو مکانیکی را بطور جدی و موثر کاهش می دهد. در این شرایط اندازه زمان قبل از قوس و قوس تقریباً مساوی می باشند.

شکلهای 2-3) 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) که 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. شکل (2-5) نشان می دهد که قبل از اینکه جریان کاملاً متوقف گردد جریان مدار ممکن است چندین نیم سیکل  ac را طی نماید.

شکل

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

توزیع گرما و حرارت در المنت فیوز

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

همچنانکه از روی شکل مشخص است درجه حرارت المنت در لحظات اولیه عبور جریان در سرتاسر طول المنت و در تمام آن بطور یکنواخت پخش می شود زیرا که زمان کافی جهت افت و اتلاف حرارت در اثر انتقال به کلاهکهای 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 که در اتصال کوتاههای شدید که دامنه جریان بسیار زیاد است، درجه حرارت در زمان ذوب بطور یکنواخت در سرتاسر طول المنت فیوز توزیع می گردد و در نتیجه المنت سریعاً ذوب شده و قوسهای متعددی ایجاد می گردد. بالعکس اگر جریان کم 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 کند که آیا قوس تکی یا چند تائی است بلکه تأثیر عمقی دررفتار و عملکرد فیوز در فاصله زمانی قوس دارد.

جریان نامی و حداقل جریان ذوب شدن فیوز

جریان نامی تعیین شده برای یک فیوز فرقی با میزان جریان تعیین شده بری سایر تجهیزات الکتریکی ندارد. به عبارت دیگر جریان نامی، جریانی است که توسط کمپانی سازنده فیوز تعیین گردیده که فیوز می تواند تحت شرایط کاری خود بطور پیوسته و مداوم و بدون سوختن، آن را از خود عبور دهد. جریان نامی فیوز توسط حداکثر درجه حرارتی که قطعات فیوز( خصوصاً المن فیوز) مجاز است بطور مداوم و پیوسته در آن کار کند تعیین می شود. بنابراین بیان مرز یا حد مقدار جریان یک فیوز و پیوسته در آن کار کند تعیین می شود. بنابراین بیان مرز یا حد مقدار جریان یک فیوز ما را به سوی اینکه فیوز قابلیت یا توانائی محافظت از وسیله و ابراز الکتریکی را دارد هدایت نمی کند و جریانی بیش از حداکثر  جریان ( جریان نامی) مورد نیاز است تا باعث ذوب شدن المنت یا سوختن آن شود.

حداقل جریان ذوب شدن فیوز [1] (mfc)  کمترین مقدار جریانی است که منجر به ذوب شدن المنت فیوز می شود. این چنین ذوب شدنی تا زمانیکه منجر به قطع  گردد به قطع گردد. بطور تئوری می تواند در فاصله زمانی های مختلفی صورت پذیرد، اما در عمل جریانی که باعث سوختن یا ذوب شدن فیوز در ظرف چند ساعت گردد به عنوان  (mfc) تعریف می شود

فاکتور ذوب [2] به شرح زیر تعریف می گردد:

حداقل جریان ذوب

= فاکتور فیوز

مقدار جریان نامی (غیر ذوب)

که معمولاً این فاکتور مابین 25/1 -2 می باشد و نسبت به طرح و نوع و فیوز متغیر است. بنابراین فاکتور ذوب اصولاً به فاصله موجود بین نقطه ذوب فلز المنت فیوز و حداکثر درجه حرارتی که فلز المنت فیوز بطور پیوسته و مداوم مجاز است که در آن کار کند، بستگی دارد.

فاکتور ذوب یک مفهوم مفید و کلی است  و با آزمایش به طریقی که در استانداردهای فیوز مشخص شده است به خوبی بدست می آید اما کاربرد آن خالی از مشکلات نیست. در عمل حداقل جریان ذوب می تواند بر حسب محیطی که فیوز در آن مورد آزمایش واقع می شود بطور قابل ملاحظه ای تغییر یابد و همچنین مشکلی که در تعریف مقدار زمان بی نهایت وجود دارد یک اصل واضح و آشکار است که کاربرد این فاکتور مفید را بطور دقیق تحت سئوال می برد.

استاندارد IEC با مشخص نمودن زمان لازم برای ذوب، دو جریان ذوب و غیر ذوب را تعریف می کند. جریان غیر ذوب همان جریان نامی فیوز است در حالیکه جریان ذوب می باید توسط کارخانه سازنده مشخص گردد که معمولاً با داشتن فاکتور ذوب می تواند محاسبه شود. بنا به تعریف، جریان ذوب جریانی است که فیوز در یک زمان قراردادی مشخص قطع می گردد.

زمان برقراری مدت زمانی است که در زمان حرارت درطول فیوز به حالت ماندگار رسیده است و از این رو برای فیوز های بزرگتر با ظرفیت حرارتی بالاتر این  زمان طولانی تر می شود. به  فرض اینکه ازشرایط آزمایشی استاندارد  IEC استفاده شود زمان قراردادی برای فیوزهای ولتاژ پایین به شرح زیر تعیین شده اند.

مشخصه های جریان- زمان

نمونه ای از مشخصه جریان- زمان، که زمان قبل از قوس را به مقدار موثر      (r.m.s) جریان انتظاری نسبت می دهد در شکل ( 2-7) ترسیم شده است. اگر جریان عبوری از فیوز کمتر از حداقل جریان ذوب باشد یک خط حرارتی ثابت و ماندگار ایجاد می شود. در این شرایط مقدار تولید گرما در داخل المنت فیوز که همان انرژی گرمائی ژول است با  اتلاف گرما و انتقال آن به محیط اطراف فیوز دقیقاً به حالت تعادل آمده است. گرما به دو صورت منتقل می گردد:

اولی از طریقه هدایت محوری در طول المنت فیوز به کلاهکهای دو سر فیوز و دومی به وسیله هدایت از طریق پوتدر چینی پر کننده داخل بدنه فیوز و سپس از طریق کنوکسیون و تشعشع در فضای محیط اطراف فیوز:

هنگامیکه- جریان در فیوز از حداقل ذوب بیشتر می شود، انرژی گرمائی ژول تولید شده بیش از گرمای اتلاف شده گردیده و درجه حرارت المنت فیوز شروع به افزایش می نماید پیش از آنکه بتواند به شرایط تعادل گرمائی جدید برسد عمل ذوب شدن المنت و سوختن فیوز اتفاق می افتد. اگر جریان انتظاری را باز هم افزایش دهیم، زمان ذوب شدن کاهش می یابد. این نسبت معکوس بین زمان و جریان این واقعیت را که فلز المنت فیوز دارای ضریب حرارتی مثبت مقاومتی است تأیید می کند، یعنی اینکه المنت گرمتر دارای مقاومت الکتریکی بیشتر است و در نتیجه  افزایش انرژی گرمائی ژول را در پی دارد.

برای جریانهای انتظاری خیلی بالا، فرصت و زمان کافی جهت اتلاف و افت گرما که قابل توجه باشد وجود ندارد و می توان فرض نمود که تمامی انرژی داده شده به المنت بصورت انرژی گرمائی در المان با افزایش درجه حرارت المنت ذخیره گردیده است.

الف- در ناحیه زمان طولانی مقدارخنک کنندگی محیط اطراف اهمیت دارد، در این ناحیه شرایط گرمائی موجود بصورت تدریجی  تغییر می نماید. بنابراین عواملی نظیر درجه حرارت محیط، تهویه هوا، اندازه کابل های اتثال و باس بارها، باعث تغییرات مشخصه جریان- زمان خواهد شد.

ب- در ناحیه زمانی کوتاه، زمان قبل از قوس قابل مقایسه با ثابت های زمانی مدار الکتریکی تغذیه کننده فیوز می باشد و اثر شکل موج جریان انتظاری با اهمیت تلقی می شود. در حالیکه در ناحیه زمان طولانی اینطور نیست زیرا که در این ناحیه فقط اثر تکمیل شده موج که به مقدار موثر)  (r.m.sجریان بستگی دارد، زمان ذوب شدن را مشخص می کند. برای زمانهای کوتاه، زمان ذوب شدن برای یک جریان انتظاری (r.m.s داده شده ( نسبت به اینکه ثابت زمانی مدار تغذیه چقدر باشد و اینکه برای یک جریان a.c در چه نقطه از موج ولتاژ مدار را بسته ایم) می تواند بطور وسیعی تغییر نماید.

پراکندگی جریان در ناحیه زمان کوتاه بعضی اوقات بوسیله ترسیم مشخصه در این ناحیه بر حسب زمان واقعی tv قابل نمایش است. این ایده بر اساس فرضیه ایکه انتگرال I2t قبل از برقراری قوس ثابت است پایه گذاری شده است. زمان واقعی زمانی است ک فلز المنت فیوز ذوب می شود در صورتیکه جریان در تمام لحظات ثابت و برابر مقدار مؤثر    (r.m.s) جریانانتظاری  (I) باشد.

در  این صورت:

بنابراین انتگرال I2t قبل از برقراری قوس می تواند از طریق یک آزمایش به دست آید. بهرحال مفهوم زمان واقعی، از نظر عمل کاربرد چندانی ندارد.

قوس الکتریکی

تشکیل اولیه قوس در داخل یک فیوز به طریقه ای که المنت فیوز اصطلاحاً خرد می گردد وابسته است. بعضی از محققان قدیمی معتقد بودند که قبل از آنکه قوس الکتریکی شروع شود تمام المنت فیوز می بایست تبخیر شود. برای تبخیر یک گرم نقره ابتدا باید حرارت به نقطه ذوب برسد و سپس در نقطه ذوب جامد به حالت مایع و سپس به نقطه جوش رسیده و بالاخره در نقطه جوش مایع تبدیل به بخار گردد.

ولی اندازه گیری ها نشان داده است که فقط لازم است. درجه حرارت المنت به نقطه ذوب افزایش پیدا کند و حدوداً 25% از آن به حالت مایع تغییر شکل دهد در این نقطه المنت نا پایدار است و نیروی الکترو مغناطیسی بحرانی و سایر نیروها توسط پروسه ایکه کاملاً قابل درک نیستند باعث قطع سریع المنت می گردند. بعضی  اوقات سیمهای گرد با فرم دادن اولیه به صورت ناهمگن ( باریک و ضخیم) درآمده و قطع شدن در محل باریک سیم باعث ایجاد یک سری قوسهائی می شود که به قطر سیم و اندازه طول المنت بستگی دارد. در دانسیته جریان زیاد، خرد شدن  هر قوس( در فیوزی که با پودر شنی پر شده است) حدود 50 ولت می باشد بنابراین وقتی که المنت فیوز در نقاط زیاید ذوب شود، قوسهای کوچک در نقاط مختلف المنت فیوزایجاد می شود که با توجه به اینکه ولتاژ دو سر هر قوس 50 ولت می باشد، باعث می گردد که ولتاژ در طول فیوز به طور ناگهانی از مقدار کم به مقداری برابر با جمع ولتاژ های ایجاد شده در طول المنت ( که n تعداد سری قوسهای الکتریکی است) پرش داشته باشد. افزایش ناگهانی در ولتاژ فیوز ممکن است به عنوان نیروی محرکه (emf) برگشتی تعبیر شود که جهت آن خلاف جهت جریان است و با عث کاهش مقدار افزایش جریان می شود.

و جریان مدار با رابطه زیر تعریف می گردد:

(در فایل اصلی موجود است)

 در مدت زمان قبل از ایجاد قوس uf خیلی کوچک است و بنابراین اثر ناچیزی روی نرخ رشد جریان دارد وقتی که قوس ها بوجود می آیند مقدار uf بزرگ می شود. اگر  باشد،  منفی شده و بنابراین جریان مدار محدود می گردد.

برای از بین بردن سریع اتصالی مدار، ولتاژ قوس الکتریکی می باید زیاد باشد شکل (2-11) نشان می دهد که چگونه این موضوع عملاً با استفاده از المنت چند شیاری که با ماسه پرشده باشد بدست می آید. ولتاژهای قوسهای الکتریکی در دو مورد زیر زیاد می شود:

الف- پدیده سوخت به عقب  burnback که موجب افزایش در طول قوس می شود

ب- خنک کردن با جذب گرما از قوس الکتریکی بتوسط ذوب ماسه های اطراف و جوش خورد آنها به یکدیگر که گرمای ذخیره شده در قوس را جذب می کند. انتخاب تعداد محل اتصالات المنت امکان کنترل تغییرات دینامیکی ولتاژ قوس الکتریکی را در طراحی به وجود می آورد.

همچنانکه ایجاد قوس پی می رود ماسه اطراف کانال قوس به شکل یک لوله توخالی در می آید که به «فولگرایت» معروف است. این پروسه و فرآیند درشکل (2-12) نشان داده شده است.

متأسفانه مدار تحمل ولتاژی مدارهای جانبی همانطوری که در شکل (2-13) نشان داده شده است محدود است. بنابراین در طراحی فیوز ولتاژ قوس را نمی تون از حدی زیادتر برد تا باعث قطع سریع مدار گردیم، چرا که انجام این عمل ممکن است به وسائل مدارهیا جانبی آسیب برساند.

بنابراین مشکل طراح فیوز این است که بتواند فیوزی تولید کند که توانائی قطع سریع را داشته باشد بدون اینکه بنحو خطرناکی ایجاد ولتاژ در مدار نماید.

فیوزهای محدود کننده جریان

فیوزهائی که ولتاژ های قوس الکتریکی بالا را تولید می کنند و این ولتاژ ها را در مدت زمان برقراری قوس حفظ می نمایند می تواننند جریان را درمدار به مقداری خیلی پایین تر از حد بالای (پیک) جریان مورد انتظار محدود کنند. مشخصه قطع فیوز در شکل (2-14) نشان داده شده است. فیوزهای با المنت های دندان اره ای متعدد در داخل ماسه ذاتاً تمایل به محدود کردن جریان عبوری دارند.

شکل

این فیوزها همچنین کل      i2t که در اثنای عملکرد فیوز قابلیت عبور دارد را محدود می کنند. مشخصه این نوع فیوز در شکل (2-15) نشان داده شده است.

این نوع فیوزها در زمان قطع نمودن مدار مقدار زیادی انرژی داخل کپسول خود آزاد می کنند و فیوز بایستی بتواند این مقدار انرژی را بدون خرابی جذب کند.