حفاظت از ایمنی مدار: تجزیه و تحلیل فنی جامع و راهنمای کاربردی برای فیوزهای ولتاژ پایین- و ولتاژ بالا-

در زمینه‌های سیستم‌های قدرت و برق صنعتی، فیوزها به عنوان دستگاه‌های محافظی عمل می‌کنند که با ساختار ساده و پاسخ سریع مشخص می‌شوند. آنها نقش مهمی در قطع جریان های خطا، جلوگیری از آسیب تجهیزات و توقف گسترش حوادث بازی می کنند. چه در{1}}شبکه‌های توزیع ولتاژ پایین و چه در خطوط انتقال ولتاژ بالا{2}، درک کامل ویژگی‌های عنصر فیوز، معیارهای انتخاب و الزامات نگهداری عملیاتی برای اطمینان از ایمنی کلی الکتریکی ضروری است.

 

 

 

عنصر فیوز (که معمولاً به آن پیوند فیوز یا نوار فیوز گفته می شود) جزء اصلی فیوز است. مواد رایج عبارتند از آلیاژهای سرب{0}}قلع، آلیاژهای آلومینیوم، روی، مس و نقره. هنگامی که اضافه بار یا خطای اتصال کوتاه- رخ می دهد، گرمای تولید شده توسط جریان اضافه باعث ذوب شدن عنصر می شود و در نتیجه به طور خودکار مدار قطع می شود. فیوزها ویژگی‌های حفاظتی معکوس زمانی دارند: هرچه جریان خطا بیشتر باشد، زمان لازم برای پریدن فیوز کوتاه‌تر است.

 

در طراحی سیستم و انتخاب تجهیزات باید استانداردهای سختگیرانه الکتریکی رعایت شود. ظرفیت قطعی نهایی فیوز باید از مقدار RMS جریان موج کوتاه مدار کوتاه- در خط باشد. علاوه بر این، انتخاب مناسب و هماهنگی بین فیوزهای بالادست و پایین دست مورد نیاز است. به طور معمول، جریان نامی عنصر فیوز بالادست باید دو تا سه برابر بیشتر از عنصر پایین دست باشد تا از "سقوط سمپاتیک" جلوگیری شود (جایی که یک خطای پایین دست باعث منفجر شدن فیوز بالادست می شود)، که به طور غیر ضروری دامنه قطع برق را گسترش می دهد. استراتژی های حفاظت با توجه به نوع بار متفاوت است:

 

مدارهای موتور:برای تک موتور، جریان نامی عنصر فیوز معمولاً بین 1.5 تا 2.5 برابر جریان نامی موتور انتخاب می شود. برای چندین موتور، کل جریان نامی 1.5 تا 2.5 برابر ظرفیت بزرگترین موتور به اضافه جریان بار محاسبه شده موتورهای باقیمانده محاسبه می شود.

 

بارهای روشنایی و کوره های الکتریکی:جریان نامی عنصر فیوز باید برابر یا کمی بیشتر از جریان نامی بار باشد.

 

محدودیت های چیدمان مدار:نصب فیوز بر روی سیم خنثی سیستم های دو سیم-فاز سه-سیم-فاز چهار- اکیداً ممنوع است. شکستگی سیم خنثی می تواند منجر به عدم تعادل ولتاژ و فرسودگی تجهیزات شود.

 

برای انطباق با محیط های عملیاتی پیچیده و افزایش عملکرد عایق، طراحی ساختاری فیوزهای مدرن به طور فزاینده ای پیچیده شده است. به عنوان مثال،-مواد با کارایی بالا-مانند بدنه‌های سرامیکی مورد استفاده در چاقوی NH{3}}پیوندهای فیوز تیغه‌ای aM-مرتبط برای اطمینان از مقاومت حرارتی و استحکام مکانیکی عالی برای پوشش استفاده می‌شوند.

 

 

 

فیوزهای ولتاژ پایین در درجه اول بر اساس طراحی ساختاری خود به سه نوع باز، نیمه بسته و محصور تقسیم می شوند. فیوزهای باز-فقط برای برنامه‌هایی با جریان‌های مدار کوتاه-کم مناسب هستند. انواع نیمه محصور تا حدی کنترل جهت تخلیه قوس را ارائه می دهند. انواع محصور شده به طور کامل حاوی عنصر فیوز در یک محفظه هستند که بالاترین سطح ایمنی را ارائه می دهند. در مورد مواد، قطعات با مقاومت ولتاژ بالا و خواص عایق به طور گسترده استفاده می شود. برای مثال، لوله‌های سرامیکی آلومینا 95% با خلوص بالا به عنوان محفظه‌های محافظ عمل می‌کنند، که می‌توانند گرمای شدید تولید شده در لحظه ذوب شدن را تحمل کنند و در عین حال به خاموش کردن قوس داخلی نیز کمک کنند.

 

فیوزهای ولتاژ پایین رایج-که بر اساس عملکرد و کاربرد طبقه‌بندی می‌شوند، عبارتند از:

فیوزهای پرسلن- (مثلا سری RCIA):معمولاً برای روشنایی عمومی و مدارهای موتور با ظرفیت کوچک-. آنها ساختار ساده ای دارند و امکان جایگزینی آسان را فراهم می کنند.

 

فیوزهای لوله ای محصور (مثلا سری RM):اینها دارای طراحی رایگان-پرکننده هستند و اغلب از عناصر فیوز مهر شده با مقاطع متغییر- استفاده می‌کنند. آنها عمدتا در سیستم های AC 380V و DC 440V استفاده می شوند. نسخه‌های با مشخصات بالا ممکن است از بدنه‌های سرامیکی مربعی برای ارائه پشتیبانی مکانیکی عالی و فضای داخلی برای خاموش کردن قوس استفاده کنند.

 

فیوزهای پیچی- (مثلا سری RL1):اینها حاوی پرکننده شن کوارتز و نشانگر فیوز سوخته- هستند. هنگامی که یک قوس تشکیل می شود، ماسه کوارتز به سرعت آن را خنک می کند و ظرفیت شکست نهایی تا 50 کیلو آمپر را امکان پذیر می کند. برخی از فیوزهای صنعتی با کیفیت بالا در این دسته از بدنه‌های سرامیکی Steatite C221 (معمول در فیوزهای نوع NH{6}) برای بهبود عملکرد کلی الکتریکی استفاده می‌کنند.

 

فیوزهای سریع- (به عنوان مثال، سری RS و RLS):این دستگاه ها به طور خاص برای محافظت از یکسو کننده های سیلیکونی و دستگاه های نیمه هادی طراحی شده اند و دارای زمان پاسخ بسیار سریع هستند. عناصر فیوز آنها هرگز نباید با فیوزهای استاندارد جایگزین شوند.

 

فیوزهای لوله ای محصور شده (مثلا سری RTO):اینها از نوارهای مسی متغیر-مقطع-ترکیب شده با ماسه کوارتز برای خاموش کردن قوس استفاده می‌کنند. آنها ظرفیت شکست بالایی را ارائه می دهند و برای شبکه های برقی که در معرض جریان های مدار کوتاه{2} زیاد قرار دارند مناسب هستند. برای اطمینان از ایمنی عایق در شرایط شدید، برخی از اجزاء از عایق‌های الکتریکی سرامیکی برای افزایش درجه مقاومت کلی ولتاژ استفاده می‌کنند.

 

فیوزهای خود-تنظیم شونده:اینها از سدیم فلزی به عنوان عنصر فیوز استفاده می کنند. در طول یک اتصال کوتاه، سدیم فلزی به سرعت گرم می‌شود و تبخیر می‌شود و حالت مقاومتی- بالا ایجاد می‌کند که جریان خطا را محدود می‌کند. هنگامی که مدارشکن ولتاژ پایین مدار را قطع می کند، سدیم خنک و جامد می شود و رسانایی خود را باز می یابد و امکان استفاده مجدد بدون تعویض را فراهم می کند. طراحی لوله دارای عایق های الکتریکی سرامیکی استئاتیت برای اطمینان از ایزوله الکتریکی قابل اعتماد در طول چرخه های تبخیر مکرر است.

 

با پیشرفت انرژی های جدید و اتوماسیون صنعتی، کاربرد فیوزها به طور فزاینده ای تخصصی شده اند. بازار شاهد ظهور اجزای متناسب با شرایط عملیاتی خاص، مانند بدنه‌های سرامیکی برای فیوزهای DC (سازگار با سیستم‌های DC) و بدنه‌های سرامیکی برای فیوزهای سریع- (طراحی‌شده برای فرکانس-بالا و پاسخ سریع) بوده است. در{4}}تولید با کیفیت بالا، لوله‌های سرامیکی مربع آلومینا با کیفیت بالا نیز به طور گسترده به عنوان اجزای فیوزهای دقیق استفاده می‌شوند.

 

 

فیوزهای ولتاژ بالا عمدتاً برای حفاظت از مدار کوتاه- و اضافه بار در خطوط برق 3-35 کیلوولت، ترانسفورماتورها و ترانسفورماتورهای ولتاژ استفاده می‌شوند. با توجه به انرژی قوس بسیار زیاد در مدارهای ولتاژ بالا، المان‌های فیوز معمولاً از مس یا نقره ساخته می‌شوند و کره‌های قلع کوچکی روی سیم فیوز جوش داده می‌شوند تا دمای ذوب را کاهش دهند (با استفاده از "اثر متالورژیکی"). فیوزهای ولتاژ بالا به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

 

فیوزهای محدودکننده-جریان ولتاژ بالا- داخل ساختمان (به عنوان مثال، سری RN1 و RN2):لوله فیوز محکم با ماسه کوارتز بسته بندی شده است. هنگامی که یک جریان خطا، عنصر فیوز را ذوب می کند، بخار فلز و گازهای یونیزه شده با فشار وارد بریدگی های ماسه کوارتز می شوند، جایی که به سرعت سرد و متراکم می شوند و قبل از اینکه جریان به صفر برسد، قوس خاموش می شود. در طرح‌های محدودکننده-جریان ولتاژ بالا-از لوله‌های سرامیکی آلومینا 95% استفاده می‌شود که قادر به مقاومت در برابر ولتاژهای قطع جریان شدید-و شوک حرارتی هستند.

 

فیوزهای ولتاژ بالا-اخراج (افت-) در فضای باز (به عنوان مثال، مدل RW4-10):اینها از دیواره های لوله ساخته شده از-مواد تولید کننده گاز استفاده می کنند. دمای بالای قوس باعث تجزیه مواد و آزاد شدن حجم زیادی از گاز می شود و یک قوس طولی-خاموش کننده ایجاد می کند. هنگامی که سیم فیوز ذوب می‌شود، مکانیسم قفل آزاد می‌شود و به لوله فیوز اجازه می‌دهد تا زیر وزن خود بچرخد و بیفتد و در نتیجه یک شکاف قطع فیزیکی واضح ایجاد می‌کند. برای برخی از دستگاه‌های حفاظتی محدودکننده-جریان ولتاژ بالا- در فضای باز، از ساختارهای لوله‌های سرامیکی مقاوم برای مقاومت موثر در شرایط آب و هوایی سخت استفاده می‌شود.

 

علاوه بر این، در بخش های نوظهور مانند الکترونیک قدرت و وسایل نقلیه انرژی جدید، الزامات حفاظت فیزیکی برای فیوزها به طور فزاینده ای سختگیرانه شده است. برای مثال، بدنه فیوزهای تخصصی-مانند آنهایی که از 95% سرامیک آلومینا ساخته شده‌اند{3}}برای افزایش مقاومت در برابر لرزش و تحمل ولتاژ بالا استفاده می‌شوند. در تجهیزات بسیار خودکار، اجزای تخصصی مانند بدنه های سرامیکی برای فیوزهای خودرو و الکترونیک نقش اساسی در تضمین ایمنی مدار دارند. در همین حال، لوله های فیوز سرامیکی چینی، که به دلیل عایق کاری عالی و پایداری حرارتی شناخته شده اند، مدت هاست که در واحدهای حفاظتی مختلف توزیع برق موثر بوده اند.

 

 

 

برای اطمینان از عملکرد پایدار و طولانی مدت فیوزها، الزامات نگهداری زیر باید به شدت رعایت شود:

 

کیفیت نصب:در هنگام نصب المنت فیوز باید از تماس مناسب اطمینان حاصل شود تا از مقاومت بیش از حد تماس، که می تواند گرما ایجاد کند و منجر به خاموش شدن مزاحم شود، جلوگیری شود. اتصالات باید ایمن باشند تا از فرسودگی موتور ناشی از تک فاز شدن (در یک فاز) ناشی از سوختن فیوز در یک فاز جلوگیری شود.

 

-ایمنی مدار زنده:تعویض فیوز باید فقط زمانی انجام شود که مدار خاموش{0}} باشد. مشخصات و شکل فیوز جایگزین باید کاملاً با طراحی اصلی مطابقت داشته باشد. تحت هیچ شرایطی نباید چندین سیم فیوز نازک به صورت موازی وصل شوند تا جایگزین یک فیوز بزرگ‌تر- شوند.

 

سازگاری با محیط زیست:دمای محیط اطراف فیوز باید با تجهیزات الکتریکی محافظت شده هماهنگ باشد تا از خطاهای مشخصه حفاظتی ناشی از اختلاف دما جلوگیری شود. علاوه بر این، گرد و غبار و کثیفی باید به طور منظم از آن تمیز شودبدنه فیوز سرامیک HRC استاتیتسطح برای اطمینان از عملکرد صحیح نشانگر.

 

از طریق انتخاب علمی، نصب استاندارد و تعمیر و نگهداری منظم، فیوزهای ولتاژ پایین و ولتاژ بالا-به عنوان یک سد ایمنی قابل اعتماد برای تأسیسات برق و تجهیزات الکتریکی مختلف عمل می‌کنند و عملکرد روان و قابل اعتماد سیستم‌های منبع تغذیه را تضمین می‌کنند.