كما هو معلوم فإن القواطع الكهربائية circuit breakers تفصل الدائرة تلقائيًا عند حدوث عطل كهربائي، ويمكن أيضًا تنفيذ نفس الوظيفة بواسطة المصهر (الفيوز)، ولكن مع قدر أقل من الموثوقية والكفاءة. وقد قام باخترعه إديسون عام 1890، ويعتبر أرخص شكل من أشكال الحماية ضد التيارات الزائدة. وقد تم إجراء العديد من التحسينات عليه منذ اختراع أول نموذج للفيوز.
في الوقت الحاضر تتوفر عدة أنواع من الفيوز التي تجد استخدامًا مكثفًا في تطبيقات الجهد المنخفض إلى المتوسط حيث لا يُتوقع حدوث عمليات متكررة أو حيث يكون استخدام قاطع الدائرة circuit breaker غير اقتصادي.
تعريف الفيوز
الفيوز أو المصهر (بالانجليزية Fuse) هو جهاز حماية كهربائي يتكون من سلك موصل مصمم للذوبان والفصل في حالة زاد التيارعن القيمة الطبيعية. يتم توصيل الفيوز دائمًا على التوالي مع الأجهزة المراد حمايتها من التيار الزائد، بحيث عندما ينصهر السلك يعمل على فتح الدائرة بأكملها ويتوقف التيار المار إلى الجهاز.
رمز الفيوز (المصهر)
يُرمز للفيوز كما في الصورة التالية:
كيف يعمل الفيوز؟
يتم توصيل الفيوز على التولي مع الدائرة المراد حمايتها. وفي ظل ظروف التشغيل العادية، يكون الفيوز عند درجة حرارة أقل من نقطة الانصهار. لذلك، فإنه يحمل التيار الطبيعي دون ارتفاع درجة الحرارة. ومع ذلك، عند حدوث دائرة قصر أو حمل زائد، فإن التيار المار عبر الفيوز يزيد عن قيمته المقدرة. هذا يؤدي لرفع درجة الحرارة ويذوب الفيوز أو ينفجر، ويفصل الدائرة المحمية بواسطته. وبهذه الطريقة، يحمي المصهر الآلات والمعدات من التلف الناتج عن التيارات الزائدة excessive currents.
ويعتمد الوقت اللازم لذوبان الفيوز على مقدار التيار الزائد. كلما زاد التيار كلما كان الوقت الذي يستغرقه الفيوز للانفجار أصغر.
مزايا الفيوز
- أرخص انواع الحماية.
- لا يتطلب صيانة.
- تشغيله أوتوماتيكي بالكامل حيث يقوم بالفصل بذاته على عكس قاطع الدائرة الذي يتطلب توصيل مرحلات تستشعر بالعطل.
- يمكنه فصل تيارات القصر الكبيرة بدون ضوضاء أو دخان.
- سرعة فصل عالية أكبر من سرعة القاطع
- يتوفر بقدرات صغيره ابتداء من الملي أمبير.
الخصائص اللازم توفرها في الفيوز
تتمثل وظيفة المصهر في حمل التيار الطبيعي دون ارتفاع درجة الحرارة، ولكن عندما يتجاوز التيار قيمته الطبيعية، فإنه يسخن بسرعة حتى نقطة الانصهار ويفصل الدائرة المحمية بواسطته. من أجل أداء هذه الوظيفة بشكل دقيق، يجب أن يكون للفيوز الخصائص التالية:
- نقطة إنصهار منخفضة، مثل القصدير والرصاص.
- الموصلية العالية مثل الفضة والنحاس.
- مقاوم للتلف بسبب الأكسدة مثل الفضة.
- منخفض التكلفة مثل الرصاص والقصدير.
ولكن كما هو واضح لا توجد مادة تمتلك كل الخصائص. على سبيل المثال يمتلك الرصاص نقطة انصهار منخفضة ولكنه يتمتع بمقاومة عالية وعرضة للأكسدة. وبالمثل، يتمتع النحاس بموصلية عالية ولكنه يتأكسد بسرعة. لذلك، يتم إجراء حل وسط في اختيار المواد المكونة للفيوز.
متطلبات عمل الفيوز
تتمثل متطلبات عمل الفيوز فيما يلي ؛
- يجب على المصهر أن يعمل بسرعة عالية للحد من التلف الذي قد يحدث للأجهزة المراد حمايتها لأن تيار العطل يمكن أن يكون عاليا جدا.
- يجب حماية الأجهزة المحيطة من تيار العطل ومن القدرة الحرارية المنتشرة عند عمل الفيوز.
- بعد عمل الفيوز من الضروري وجود عزل عال لتحمل الجهد العابر Recovery voltage
- يجب أن يعمل المصهر تحت جميع الحالات العملية الممكنة.
- يجب أن تحافظ المصهرات على موثوقية عملها ولا تتغير خصائصها.
أنواع الفيوز (المصهرات)
تنقسم المصهرات أو الفيوز إلى مصهرات جهد منخفض لا يزيد عن ٦٦٠ فولت ومصهرات جهد عالى للجهور الأكبر من ذلك.
ويمكن تقسيم الصمامات إلى فئتين رئيسيتين وفقًا لنوع جهد المصدر.
مصهرات التيار المتردد
مصهرات التيار المستمر.
هناك اختلاف بسيط بين مصهرات التيار المتردد والتيار المستمر المستخدمة في أنظمة التيار المتردد والتيار المستمر والتي تمت مناقشتها أدناه.
مصهرات التيار المستمر
في نظام التيار المستمر، عندما يذوب السلك المعدني بسبب الحرارة الناتجة عن التيار الزائد، يتم إنتاج القوس ومن الصعب جدًا إخماد هذا القوس بسبب القيمة الثابتة للتيار المستمر. لذلك من أجل تقليل قوس المصهرhت، يكون فيوز التيار المستمر أكبر قليلاً من فيوز التيار المتردد مما يزيد المسافة بين الأقطاب الكهربائية لتقليل القوس في المصهر.
مصهرات التيار المتردد
من ناحية أخرى، على سبيل المثال، في نظام التيار المتردد، يتغير الجهد بتردد 60 هرتز أو 50 هرتز وتتغير قيمته 60 مرة كل ثانية، لذلك يمكن إخماد القوس بسهولة مقارنة بالتيار المستمر. لذلك، فإن مصهرات التيار المتردد تكون صغيرة قليلاً في الأحجام مقارنة بمصهرت التيار المستمر.
يمكن أيضًا تصنيف المصاهر بناءً على تشغيلها لمرة واحدة أو لعمليات متعددة.
فيوز الخرطوشة Cartridge
تستخدم مصهرات الخرطوشة لحماية الأجهزة الكهربائية مثل المحركات ومكيفات الهواء والثلاجة والمضخات، عندما تكون قيم الجهد والتيارعالي. وتتتوفر حتى 600 أمبير و 600 فولت وتستخدم على نطاق واسع في الصناعات وكذلك في لوحات التوزيع المنزلية والتجارية.
وهناك نوعان من فيوز الخرطوشة 1.فيوز للأغراض العامة بدون تأخير زمني 2. فيوز الخرطوشة شديدة التحمل مع تأخير زمني.
مصهرات HRC (High Rupture Current)
وهي عبارة عن فيوز من نوع الخرطوشة Cartridge تتكون من غلاف شفاف transparent envelope مصنوع من الحجر الصخري (سيليكات المغنيسيوم). يتم تعبئة المصهر بمسحوق الكوارتز (وفي حالة مصهرات HRC المملوءة بالسائل، وهو سائل غير موصل مثل الزيت المعدني) يعمل كعامل إطفاء القوس تستخدم هذه المصهرات لتيارات الأعطال العالية جدًا.
مصهرات الجهد العالي
تستخدم المصهرات عالية الجهد في أنظمة الطاقة لحماية محولات القدرة ومحولات التوزيع ومحولات القياس، حيث قد لا تتمكن قواطع الدائرة من حماية النظام. تم تصنيف المصهرات عالية الجهد لأكثر من 1500 فولت وحتى 13 كيلو فولت.يتكون الفيوز عالية الجهد بشكل عام من النحاس أو الفضة أو القصدير.
مصطلحات مهمة عند اختيار الفيوز
عنصر المصهر Fuse link
عنصر المصهر يتضمن عنصرًا أو عدة عناصر توصل على التوازي ضمن خرطوشة أو أسطوانة احتراق (Cartridge) وتكون هذه الأسطوانة مملوءة بمادة خامدة للقوس الكهربي ويتصل عنصر المصهر بنهايات الإسطوانة. كما يعرف عنصر المصهر أيضا بأنه الجزء من المصهر الذي يتم تبديله بعد أن يعمل المصهر. ويسمى الجزء الداخلي من عنصر المصهر والذي ينصهر نتيجة تجاوز التيار بالعنصر (element)
التيار المقنن Current Rating
وهو التيار الذي يتحمله الفيوز بشكل دائم بدون أي تلف أو ارتفاع درجة الحرارة بشكل غير مقبول. ويكون مكتوبا على المصهر من قبل الشركة المصنعة ويرمز له بالرمز In.
تيار الانصهار الأدنى (Minimum fusing current)
وهو أصغر قيمة للتيار الذي يذوب عنده المصهر وبالتالي يفصل الدائرة المحمية بواسطته. وقيمته ستكون أكبر من التيار المقنن للفيوز.
معامل الصهر (Fusing Factor)
وهو عبارة عن حاصل قسمة قيمة تيار الانصهارالأدنى (Minimum fusing current) على قيمة التيار المقنن للمصهر وهو أكبر من الواحد. وكلما كان معامل الصهر أصغر، زادت صعوبة تجنب التدهور بسبب ارتفاع درجة الحرارة والأكسدة عند تيار الحمل المقنن.
زمن ما قبل حدوث القوس Pre-Arcing Time
وهو الزمن بين ابتداء زيادة التيار بشكل كاف ليسبب انصهار الفيوز ولحظة بداية القوس الكهربائي.
زمن القوس Arcing Time
وهو الزمن بين لحظة انقطاع الفيوز والفصل النهائي للدائرة.
زمن عمل المصهر
وهو الزمن الكلي منذ لحظة ظهور العطل حتى إزالته نهائيا (إطفاء القوس نهائيا). وهو بالتالي مجموع زمنين وهما زمن ما قبل حدوث القوس وزمن حدوث القوس.
المصادر:
Principles of Power System (V.K. Mehta & Rohit Mehta)
حماية النظم الكهربائية. المؤسسة العامة للتدريب التقني والمهني المملكة العربية السعودية
