در صنعت برق، دو تجهیز مهم برای حفاظت مدارهای الکتریکی در برابر اضافه‌جریان عبارت‌اند از فیوز (Fuse) و کلید مینیاتوری (Miniature Circuit Breaker یا MCB). هر دو وظیفه دارند هنگام بروز جریان غیرمجاز، مدار را قطع کنند و از آسیب به سیم‌ها، تجهیزات و خطر آتش‌سوزی جلوگیری نمایند، اما از نظر ساختمان، عملکرد، دقت حفاظتی، قابلیت استفاده مجدد و حوزه کاربرد تفاوت‌های بنیادینی دارند.

1. تعریف فیوز

فیوز وسیله‌ای حفاظتی است که از یک عنصر فلزی ذوب‌شونده تشکیل شده است. هنگامی که جریان عبوری از مقدار مشخصی فراتر رود، گرمای تولید شده به دلیل اثر ژول:

باعث ذوب شدن عنصر فیوز می‌شود و مدار به صورت دائمی قطع می‌گردد.

پس از عملکرد فیوز، باید المان ذوب‌شده تعویض شود.

اجزای اصلی فیوز

• المان ذوب‌شونده (Fuse Element)
• بدنه عایقی
• کنتاکت‌ها
• مواد خاموش‌کننده قوس (در فیوزهای صنعتی)

2. تعریف کلید مینیاتوری (MCB)

MCB یک تجهیز الکترومکانیکی قابل ریست است که در صورت بروز اضافه بار یا اتصال کوتاه، مدار را قطع می‌کند و پس از رفع خطا مجدداً قابل وصل شدن است.

MCB از دو مکانیزم حفاظتی مستقل استفاده می‌کند:

حفاظت حرارتی (Thermal Protection) برای حفاظت در برابر اضافه بار

و حفاظت مغناطیسی (Magnetic Protection) برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه

برای آشنایی کامل با کلید‌های مینیاتوری، مقاله مربوط به آن را از این صفحه مطالعه کنید.

3. مقایسه اصول عملکرد

4. سرعت عملکرد

یکی از تفاوت‌های فیوز و کلید مینیاتوری سرعت قطع است.

فیوزهای محدودکننده جریان (current limiting fuse) می‌توانند قبل از رسیدن جریان اتصال‌کوتاه به پیک خود، مدار را قطع کنند. در برخی شرایط این زمان عملکرد کمتر از 1 میلی‌ثانیه است که باعث کاهش شدید انرژی عبوری می‌شود.

ولی از سوی دیگر MCB باید: 1) جریان خطا را تشخیص دهد، 2) ضامن را آزاد کند، 3) کنتاکت‌ها باز شوند، و 4) قوس را خاموش کند. بنابراین زمان عملکرد آن معمولاً بیشتر از فیوزهاست.

5. انرژی عبوری (Let-through energy)

پارامتر مهم در حفاظت اتصال کوتاه I²t است. این پارامتر بیان می‌کند که چه مقدار انرژی حرارتی از تجهیز حفاظتی عبور کرده است.

هرچه مقدار I²t کمتر باشد، آسیب به کابل کمتر است، تنش حرارتی تجهیزات کمتر است و احتمال جوش خوردن کنتاکت‌ها کمتر است.

فیوزها معمولاً I²t بسیار کمتری نسبت به MCBها دارند. به همین دلیل در حفاظت نیمه‌هادی‌ها، درایوها و تجهیزات حساس هنوز فیوز برتری دارد.

6. ظرفیت قطع (Breaking capacity)

ظزفیت قطع، حداکثر جریان اتصال کوتاهی است که تجهیز می‌تواند بدون انفجار یا تخریب قطع کند.

ظرفیت قطع فیوزهای صنعتی بطور معمول 100kA ،80kA ،50kA یا حتی بیشتر از 120kA هستند. در حالیکه ظرفیت قطع MCBها معمولاً 10kA ،6kA ،4.5kA یا 15kA و در نمونه‌های صنعتی خاص 36kA ،25kA یا 50kA است.

7. دقت حفاظت

فیوزها به دلیل نداشتن قطعات مکانیکی تکرارپذیری بالایی دارند و رفتار آنها با گذشت زمان کمتر تغییر می‌کند. اما چون MCBها دارای فنر، ضامن، بی‌متال و مکانیزم قطع مکانیکی هستند، عملکرد آن‌ها تحت تأثیر دمای محیط، استهلاک مکانیکی و عمر مفید تجهیز قرار می‌گیرد.

8. حفاظت انتخابی (Selectivity)

در یک شبکه توزیع برق، مطلوب است که فقط نزدیک‌ترین تجهیز به محل خطا قطع شود.

در فیوزها به دلیل منحنی‌های زمان-جریان مشخص و انرژی عبوری پایین، دستیابی به سلکتیویتی اغلب آسان‌تر است. اما در MCBها سلکتیویتی بین دو قطع‌کننده‌مدار نیازمند جداول سازنده، تست‌های آزمایشگاهی و بررسی منحنی‌ها است.

9. قابلیت بهره‌برداری

در یک شبکه توزیع برق، مطلوب است که فقط نزدیک‌ترین تجهیز به محل خطا قطع شود.

در فیوزها به دلیل منحنی‌های زمان-جریان مشخص و انرژی عبوری پایین، دستیابی به سلکتیویتی اغلب آسان‌تر است. اما در MCBها سلکتیویتی بین دو قطع‌کننده‌مدار نیازمند جداول سازنده، تست‌های آزمایشگاهی و بررسی منحنی‌ها است.

10. ایمنی اپراتور

در زمان تعویض فیوز احتمال برق‌گرفتگی اپراتور یا نصب قطعه یدکی اشتباه توسط اپراتور وجود دارد که هر دو مورد می‌تواند منجر به فاجعه‌های جبران ناپذیر شود. در صورتی که MCB پس از رفع خطا تنها با یک عمل مکانیکی ساده وصل می‌شود و از دید بهره‌برداری ایمن‌تر است.

11. طول عمر

فیوز در حالت عادی تقریباً عمر نامحدود دارد و تا زمانی که عمل نکند، المان داخلی تغییری نمی‌کند. اما زمانی که یک بار عمل کرد عمر آن به پایان می‌رسد و باید با یک فیوز دیگر جایگزین شود.

از سوی دیگر عمر مفید MCBها معمولاً با تعداد قطع و وصلی که انجام می‌دهند سنجیده می‌شود. عمر مفید MCBها معمولاً بین 10 تا 20 هزار بار عملکرد مکانیکی و بین 4 هزار تا 10 هزار بار عملکرد الکتریکی (زیر بار) است که بسته به استاندارد و سازنده تجهیز متفاوت است.

12. مقایسه اقتصادی

در خرید اولیه فیوز ارزان‌تر است. اما در طول عمر سیستم هزینه تعویض فیوز، زمان توقف، و نیروی تعمیرات ممکن است هزینه کل را افزایش دهد.

در ساختمان‌ها و تابلوهای توزیع، MCB معمولاً اقتصادی‌تر است.

13. کاربردهای متداول

مواردی که MCB انتخاب بهتری است:

• ساختمان‌های مسکونی
• ادارات
• مراکز تجاری
• روشنایی
• پریزها
• تابلوهای توزیع نهایی
• مواردی که نیاز به کنترل از راه دور یا نصب ادوات کمکی دارد

مواردی که فیوز انتخاب بهتری است:

• حفاظت نیمه‌هادی‌ها
• درایوهای فرکانس متغیر (VFD)
• UPS
• بانک‌های خازنی
• ترانسفورماتورها
• سیستم‌هایی با جریان محتمل اتصال‌کوتاه بسیار بالا

جمع‌بندی نهایی

فیوز از نظر سرعت قطع، محدودسازی جریان، انرژی عبوری (I²t) و قدرت قطع معمولاً برتر از MCB است و هنوز در کاربردهای صنعتی خاص جایگاه مهمی دارد.

در مقابل، MCB از نظر راحتی بهره‌برداری، قابلیت ریست، ایمنی اپراتور و کاهش هزینه‌های نگهداری برتری دارد و به همین دلیل امروزه انتخاب استاندارد برای حفاظت مدارهای نهایی در ساختمان‌ها و بسیاری از تابلوهای توزیع محسوب می‌شود.

به همین دلیل در بسیاری از سیستم‌های صنعتی مدرن، ترکیبی از هر دو استفاده می‌شود؛ MCB برای بهره‌برداری و فیوز برای حفاظت تجهیزات حساس که سرعت قطع جریان خطا بسیار مهم باشد.

به این نکته نیز باید توجه داشت که این مقاله فقط مقایسه بین MCB و فیوز بود و یک تجهیز خیلی کاربردی به نام MCCB را در نظر نگرفتیم.