6. شرح المصهـرات وانواعها ومكوناتها Fuses

1- مقدمة :

تعتبر المصهرات من أجهزة الحماية الرئيسية في الشبكات الكهربية ذات الجهد المتوسط والمنخفض وتتميز ببساطتها وانخفاض ثمنها وقلة أو انعدام الصيانة لها. وتستعمل المصهرات للحماية من زيادة التيار Over current وتيار القصر short circuit current ، و المصهرات جهاز ذو طور واحد Single phase فهو لا يمكن فصل الأطوار الثلاثة three phase  للدوائر في وقت واحد ويعتبر ذلك من العيوب الرئيسية له.


2- تعريفات :


2-1 المصهر   Fuse

يتكون المصهر في أبسط صوره من سلك دقيق قصير من معدن مركب في حامل معزول ، وينصهر السلك إذا زاد التيار المار به عن قيمة معينة وبذلك تفتح الدائرة.


2-2  التيار المقنن Rated carrying current

التيار المقنن للمصهر ، هو أكبر تيار يمكن أن يمر في المصهر دون أن ينصهر . وتعتمد قيمة هذا التيار على الارتفاع المسموح به في درجة حرارة وصلات المصهر كذلك على تقادم المصهر بسبب الأكسدة.


2-3  تيار الصهر   Fusing current

تيار الصهر هو أقل تيار يسبب صهر معدن المصهر ويعتمد على العوامل الآتية:

1- المادة

2- الطول 

3- مساحة المقطع

4- شكل مقطع المصهر

5- التاريخ السابق للمصهر

6- حجم ومكان أطراف المصهر

7- نوع الغلاف

8- أسلاك المصهر مجدولة أم لا 

ويوضح الجدول رقم (1) هذه العلاقة .


جدول 1 : العلاقة بين عدد الأسلاك المجدولة وتيار الصهر

عدد الأسلاك

1

2

3

4

7

تيار الصهر

1

1.66

2.25

2.75

4


ويوضح  الجدول رقم 1 إن تيار الصهر يقل مع زيادة عدد الأسلاك المجدولة ، ويرجع ذلك إلى تركيز الحرارة بين الأسلاك المجدولة .


وإذا كان مقطع سلك المصهر دائري فإن يمكن إعطاء العلاقة التالية:

تيار الصهر = م  x2 نق (1)

م       :  ثابت يعتمد على نوع السلك 

2 نق :  قطر السلك

جدول رقم  2  يبين قيمة الثابت  م  لبعض المواد التي يصنع منها سلك المصهر.


جدول 2 : قيمة الثابت م لبعض المواد

المـــــــادة

قيمة الثابتة م في حالة القطر مقاس بالسنتيمتر

نحاس

ألومنيوم

حديد

رصاص

2530

1870

777

440


2-4  معامل الانصهار Fusing factor

هو النسبة بين أقل تيار للصهر و التيار المقنن وقيمته أكبر من الواحد دائماً .

معامل الانصهار    =  أقل تيار صهر /التيار المقنن (2)  

ويمكن تحديد معامل الانصهار من منحنيات العلاقة بين التيار والزمن . شكل رقم (1)  يوضح العلاقة بين تيار الصهر والزمن وذلك لقيم مختلفة للتيار المقنن للمصهر. يلاحظ أن هذه العلاقة علاقة عكسية ولذلك يستخدم المصهر في الحماية من زيادة التيار بالإضافة إلى الحماية من تيار القصر.


كمثال لتحديد معامل الانصهار من الشكل لتيار مقنن يساوي  60 A  هو :

معامل الانصهار = 110/60 = 1.66


حيث أن أقل تيار للمنحنى يحدده الخط المقارب  (asymptotic line) هو 100 أمبير .


العلاقة بين تيار الصهر والزمن

شكل رقم (1) : العلاقة بين تيار الصهر والزمن


2-5  التيار المتوقع وتيار القطع  Prospective current and cut off current

يبين شكل (2) موجة التيار المتردد المتوقعة وكيفية قطع التيار بواسطة المصهر.


علاقة التيار والزمن لدوائر التيار المتردد والمستمر

شكل (2) : علاقة التيار والزمن لدوائر التيار المتردد والمستمر


والتيار المتوقع هو التيار الذي يمر في الدائرة بعد حدوث القصر وعند استبدال المصهر بممانعة  ذات قيمة للمقاومة تساوي صفر  ، وحيث أن قيمة تيار القصر تكون عالية لذلك تتولد طاقة كافية للصهر قبل وصول قيمة التيار إلى الذروة . وأعلى قيمة لتيار القصر تمر في الدائرة تسمى تيار القطع . وتعتمد هذه القيمة على الطاقة اللازمة للصهر.


2-6  زمن الصهر        Prearcing time (Melting time)
هو الزمن المقاس بين بداية زيادة التيار في الدائرة الموضوع بها المصهر وبداية حدوث القوس الكهربي .

2-7  زمن دوام القوس الكهربي     Arcing Time
هو الزمن المقاس بين بداية حدوث القوس الكهربي واللحظة التي يصل فيها قيمة التيار المار بالدائرة للصفر أي تفتح الدائرة .

2-8 زمن التشغيل الكليTotal operating time       
هو مجموع زمن الصهر وزمن دوام القوس الكهربي 

2-9 مقنن الجهد  Voltage Rating
وهو أعلي جهد يمكن للمصهر أن يعمل عليه بأمان وتصنف المصهرات عادة بالنسبة للجهد إلى مصهرات جهد منخفض ( حتى 600 ف ) ومصهرات جهد متوسط وعالي ( أعلي من 600 ف وحتى 100 ك ف )


3- مكونات المصهر 

يتكون المصهر بصورة رئيسية من ثلاث مكونات :

3-1 عنصر الصهر Fuse element

وهو مصنوع من مادة معدنية ذات أشكال وأبعاد معينة بحيث يكون انصهارها سريعًا بالنسبة لباقي مكونات الشبكة ويصنع بمادة من الفضة أو النحاس أو الألومنيوم أو الرصاص أو بعض السبائك الأخرى ذات درجة حرارة انصهار منخفضة .


3-2  وصلة الصهر Fuse link

ويوجد داخلها عنصر الصهر والمواد المستخدمة في إطفاء القوس الكهربي الناشئ عن انصهاره بالإضافة إلى أي أجزاء أخري مساعدة .


3-3  أطراف المصهر   Fuse contact

وتستعمل في تثبيت المصهر في الدائرة وتوصيله كهربيًا بها .


04 أنواع المصهرات Types of fuses

4-1  مصهرات جهد منخفض 

4-1-1  المصهرات شبه المغلقة : Semi -  enclosed rewireable fuses

وعنصر الصهر يتكون من سلك أو عدة أسلاك مجدولة مثبته على مقبض من الصيني والتيار المقنن لها قد يصل إلى حوالي 500 أمبير وتكون سعة القطع لجهد 400 فولت حوالي 4 ك . أمبير .


وهذا النوع من المصهرات له عدة عيوب منها تعرض سلك المصهر للتقادم بسبب الأكسدة مما يسبب عمل المصهر عند قيمة تيار أقل من المفروض أن يعمل عندها . كذلك المعايرة الدقيقة للمصهر غير ممكنة . شكل (3) يوضح هذا النوع من المصهرات .

المصهرات شبه المغلفة
شكل (3) : المصهرات شبه المغلفة


4-1-2 مصهرات الخرطوش Cartridge type fuses

وتتوفر هذه المصهرات في الأنواع الآتية:


أ- مصهرات الطرد Expulsion fuses                                                   

وتتكون من عنصر صهر داخل أنبوبة ولها نهاية مفتوحة وعند انصهار عنصر المصهر يمتد القوس الكهربي بين طرفي المصهر ونتيجة لدرجة الحرارة العالية لهذا القوس تتبخر مادة الأنبوبة مما يؤدي إلي انبعاث كمية هائلة من الغازات التي ترفع الضغط داخلها مما يعمل على إطفاء القوس الكهربي ومنع إعادة اشتعاله . 


ويتم طرد الغازات بشدة إلى الجو من الطرف الأعلى للأنبوبة ويستخدم هذا النوع من المصهرات في الأماكن الخارجية وخاصة لحماية الخطوط الهوائية والمحولات المركبة على الأعمدة . كما يمكن استغلال شدة اندفاع الغازات في إسقاط المصهر بأكمله إلى أسفل بحيث يعطي دليلا مرئيًا على انصهاره . ولا يمكن بطبيعة الحال استخدام هذا النوع داخل المباني بسبب الإزعاج وكمية الغازات الهائلة المنبعثة عند الانصهار . و الشكل رقم (4) يوضح هذا النوع من المصهرات.

مصهرات طرد

شكل (4) : مصهرات طرد


ب- المصهرات المفرغة Vacuum fuses          

 وهي تشبه في تصميمها ونظرية أدائها مصهرات الطرد إلا أنها محكمة تماما ومفرغة وتعتمد فكرة قطع القوس الكهربي وعدم اشتعاله على خاصية العزل الكهربي للفراغ وتتميز هذه المصهرات بصغر حجمها وهدوء عملها لذلك فهي تصلح للأماكن المغلقة .


جـ- مصهرات خرطوشة مزودة بجهاز تحرير  H.R.C fuse with tripping device
شكل رقم (5) يبين هذا النوع من المصهرات. حيث يعمل Plunges كجهاز تحرير لقاطع الدائرة circuit breaker  مباشرة أو من خلال إغلاق دائرة المرحل (Relay) المتصل بقاطع الدائرة.


مصهر خرطوشة مزود بجهاز تحرير

شكل رقم (5) : مصهر خرطوشة مزود بجهاز تحرير


ومصهرات الخرطوش بصورة عامة لها المميزات التالية :

  • فتح دوائر ذات تيار قصر عالي .
  • إذا تم اختيار المصهر المناسب للدائرة فتأثير التقادم يكاد ينعدم .
  • سرعة فصل الدائرة .
  • تمييز مناطق القصر بصورة عالية .
  • تكلفة أقل بالمقارنة بأجهزة القطع التى لها سعة مماثلة .


4-2  مصهرات جهد عالي :

أ- مصهرات خرطوشة Cartridge type     

وهي مماثلة للمصهرات ذات الجهد المنخفض ويمكن استخدامها بجهد قد يصل إلى 33 ك فولت وتيار قصر حوالي 9 ك أمبير وبعض هذه المصهرات تحتوي على عنصرين للصهر متصلين على التوازي إحداهما له مقاومة صغيرة ويمر فيه التيار المقنن (Rated current) والآخر له مقاومة عالية يقلل من تيار القصر بعد صهر العنصر الأول .

ب- مصهرات ذات سائل Liquid Type    

واستخدامها أكثر شيوعًا في الجهد العالي كذلك يمكن استخدامها في المحولات ذات تيار مقنن يساوي 400 أمبير وجهد يساوي 132 ك فولت .


5- اختيار المصهرات Selection of fuses 

يجب اختيار المصهر بحيث يعمل بطريقة سليمة وآمنة فى حالات التشغيل العادي وفترات قصر الدائرة ويتم الاختيار بصفة عامة تبعًا للمقننات التيار والجهد مع الاستعانة بالجداول والمنحنيات الخاصة بالمصهر ويراعي عند الاختيار ما يلي:-

أ- يجب أن يتحمل المصهر نسبة من تجاوز الحمل بصفة مستمرة دون أن تتغير خصائصه أو أن يفتح الدائرة ويجب ألا تقل هذه النسبة عن 10% من تيار الحمل.

ب- يجب اختيار المصهر ذي أقل مقنن تيار ممكن بحيث يتحمل التيار  المقنن وتجاوز الحمل المسموح به وذلك بغرض الانتقاء والتمييز .

جـ- تتحدد قيمة مقنن تيار القطع بحيث تكون أكبر من أعلي قيمة متوقعة لتيار القصر ويجب ملاحظة أنه إذا زاد تيار القصر عن سعة القطع أدي ذلك إلى انفجار المصهر ونشوب حريق .

د- يجب ألا يقل تيار القصر في الدائر التي يتم حمايتها بالمصهر عن ثلاثة أمثال التيار المقنن للمصهر وذلك حتى يمكن الاعتماد على هذا المصهر في فتح الدائرة باعتمادية عالية .

هـ- يراعي عند استعمال مصهرات لحماية أجهزة لها خاصية ارتفاع التيار العابر كتيار بدء التشغيل في المحركات أو تيار المغنطة المندفع في المحولات ، أن تكون هذه المصهرات ذات تأخير زمني حتى يمكن اختيار التيار المقنن المصهر قريبًا من التيار المقنن الجهاز ( أعلي قليلا ) دون أن يفتح المصهر الدائرة بسبب التيار المندفع.

و – يراعي عدم استعمال مصهرين على التوازي 

ي- نظرًا للقدرة العالية للمصهرات في الحد من التيار فيجب الانتباه جيدًا لمتانتها الميكانيكية وسلامة تثبيتها .


6- التنسيق بين المصهرات Coordination  between fuses   

يعتمد الاختيار السليم للمصهر وكذلك عملية الحماية والتنسيق على المعلومات والبيانات المرفقة مع المصهر والتي يعدها مصنع المصهرات وتعطي هذه البيانات على صور مختلفة كالمنحنيات على النحو التالي :-

منحنيات الزمن - التيار  ( شكل رقم 6) 

ترسم هذه المنحنيات على ورق لوغاريتمات نظرًا لاتساع مدي تغير كل من الزمن والتيار ويختص كل مصهر بمنحنيين .

أ- منحني الانصهار :

ويعطي العلاقة بين قيمة تيار القصر والزمن المنقضي من لحظة القصر وحتى تمام انصهار  عنصر المصهر .

ب- منحني الإزالة :

ويعطي العلاقة بين قيمة تيار القصر والزمن المنقضي من لحظة القصر وحتى تمام إزالة القصر وإطفاء القوس الكهربي . ويلاحظ دائمًا أن منحني الإزالة يكون أعلي منحني الانصهار بزمن يساوي فترة دوام القوس .


وتستخدم منحنيات الزمن -  التيار في إجراء التنسيق بين المصهرات أو بين المصهرات وقواطع الدائرة والمرحلات ولكي يتم التنسيق بين مصهر وآخر على التوالي يجب أن يكون منحني الإزالة للمصهر الموجود جهة الحمل واقعا بأكمله أسفل منحني الانصهار للمصهر الموجود جهة المصدر .


منحني الزمن - التيار للمصهر

شكل رقم (6) : منحني الزمن - التيار للمصهر


7- أسئــلة لمراجعه المعلومات السابقة 

  1. اذكر العوامل التي تعتمد عليها قيمة تيار المصهر 
  2. وضح العلاقة بين تيار الصهر والزمن لقيم مختلفة للتيار المقنن لثلاث مصهرات 
  3. تكلم باختصار عن المكونات الرئيسية للمصهر 
  4. اشرح باختصار أهم أنواع المصهرات مبينًا عيوب ومميزات كل نوع 
  5. اذكر العوامل التي يجب أن تؤخذ في الاعتبار عن اختيار المصهرات 
  6. وضح معني التنسيق بين المصهرات (Coordination ) مستخدمًا مثال للتنسيق بين منصهرين .