ท่านผู้อ่านคงปฏิเสธไม่ได้ว่าไม่เคยประสบปัญหาในโรงงานหรือในกระบวนการของท่านเนื่องจากปัญหาฟิวส์ขาดอยู่บ่อยครั้ง และบางครั้งก็ไม่ทราบสาเหตุที่ทำให้เกิดฟิวส์ขาดเสียด้วย ซึ่งเราก็อาจจะแก้ปัญหาโดยเปลี่ยนฟิวส์ขนาดเดิมเข้าไปแต่วันดีคืนดีก็เกิดปัญหาเช่นเดิมอีก หรือบางทีช่างเทคนิคเกิดความรำคาญอาจจะเพิ่มพิกัดฟิวส์สูงกว่าปกติเพื่อแก้ปัญหาดังกล่าวให้หมดไป แต่ผลที่ตามมาก็คืออาจจะทำให้อุปกรณ์ป้องกันทำงานไม่สัมพันธ์กันตามที่ออกแบบเอาไว้ ซึ่งทำให้เกิดการหยุดของเครื่องจักรหรือกระบวนเป็นบริเวณกว้างขึ้นได้ และทำให้ท่านสูญเสียรายได้และเวลาในการแก้ไขปัญหาดังกล่าวมากขึ้นกว่าเดิมเสียอีก จากที่กล่าวข้างต้นจะเห็นได้ว่าบางที่เจ้าฟิวส์เพียงตัวเดียวอาจเป็นตัวปัญหากวนใจเราไม่รู้จักจบสิ้น ดังนั้นบทความนี้จะทำให้ท่านทราบถึงคุณลักษณะของฟิวส์แต่ละแบบและสาเหตุของการเกิดฟิวส์ขาดเพื่อเป็นแนวทางช่วยให้ท่านสามารถวิเคราะห์หาสาเหตุฟิวส์ขาดในโรงงานของท่านได้อย่างถูกต้องและรวดเร็ว

พื้นฐานการทำงานฟิวส์

ในความเป็นจริงแล้ว ฟิวส์นั้นจะมีหลายประเภทแต่ถึงอย่างไรการทำงานของฟิวส์แต่ละประเภทนั้นจะมีหลักการทำงานคล้ายคลึงกันแต่จะมีคุณสมบัติบางประการเท่านั้นที่มีความแตกต่างกัน โดยมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

- ฟิวส์แบบไม่หน่วงเวลา (Non-Time-Delay Fuses)

โดยทั่วไปฟิวส์จะมีตัวเชื่อม(Link)ให้กระแสไหลผ่าน โดยพิกัดของฟิวส์จะขึ้นอยู่กับขนาดของกระแสไฟฟ้า ซึ่งคุณลักษณะของฟิวส์ชนิดเดี่ยวนั้น(Single-element fuse)อาจจะมีตัวเชื่อมเพียงชุดเดียวหรือมากกว่าก็ได้ โดยจะทำการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าของปลายทั้งสองด้านของฟิวส์และถูกห่อหุ้มด้วยกล่องหรือกระบอก ซึ่งภายในกระบอกหรือสิ่งห่อหุ้มดังกล่าวจะบรรจุสารหรือวัสดุช่วยการดับการเกิดอาร์คไว้ด้วย

ปกติแล้วการทำงานของฟิวส์เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านฟิวส์เท่ากับหรือใกล้เคียงกับพิกัดของกระแสฟิวส์ ฟิวส์ดังกล่าวก็จะยังคงนำกระแสอย่างต่อเนื่อง ดังสามารถอธิบายในรูปที่ 1 ถ้ามีการเกิดกระแสไฟฟ้าเกินเกิดขึ้นในระยะเวลาหนึ่ง อุณหภูมิที่ตัวเชื่อมจะค่อยๆสูงขึ้นจนถึงระดับหรือถึงจุดที่ทำให้ตัวเชื่อมหลอมละลายและทำให้เกิดช่องอากาศขึ้นและทำให้เกิดการอาร์คของกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น ซึ่งการเกิดการอาร์คดังกล่าวก็จะเป็นสาเหตุทำให้โลหะตรงจุดตัวเชื่อมขาดในที่สุดและทำให้การเกิดช่องอากาศกว้างขึ้นด้วย โดยค่าความต้านทานทางไฟฟ้าของการเกิดการอาร์คจะมีค่าสูงในระดับหนึ่ง ซึ่งก็จะทำให้เกิดการอาร์คดังกล่าวที่เกิดขึ้นดับในช่วงระยะเวลาอันสั้นด้วย จากที่กล่าวข้างต้นฟิวส์ก็จะตัดกระแสไฟฟ้าที่สูงผิดปกติได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งการเกิดอาร์คดังกล่าวจะถูกเร่งการดับอาร์คจากวัสดุที่บรรจุภายในสิ่งห่อหุ้มหรือกระบอกฟิวส์นั่นเอง

ก) ส่วนประกอบภายในของ Single-element fuse

ข) เมื่อฟิวส์มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเกินพิกัดเป็นระยะเวลานานจะทำให้เกิดการหลอมละลายและอาร์ค

ค) ฟิวส์จะเปิดวงจรหลังจากมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเกินพิกัดเป็นระยะเวลานาน

ง) ฟิวส์จะเกิดการหลอมละลายที่จุดเชื่อม(link)หลายจุดเมื่อเกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรขึ้น

จ) ฟิวส์จะเปิดวงจรหลังจากเกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

รูปที่ 1 ความแตกต่างของการเปิดวงจรของฟิวส์เนื่องจากสาเหตุจากกระแสเกินพิกัดกับการเกิดการลัดวงจรไฟฟ้าของฟิวส์แบบ Single-element fuse

ในกรณีการเกิดกระแสไฟฟ้าสูงเกิดพิกัดเนื่องจากการลัดวงจรไฟฟ้า ซึ่งจะมีค่าสูงอยู่ระหว่าง 1 เท่าถึง 6 เท่าของพิกัดกระแสไฟฟ้าของฟิวส์ ซึ่งผลที่ได้ทำให้กระแสไฟฟ้ามีค่าสูงและในบางครั้งอาจจะทำให้ฟิวส์เกิดการลัดวงจรมีค่ากระแสไฟฟ้าสูงถึง 30,000-40,000 แอมป์ หรือมากกว่า สำหรับการตอบสนองของการจำกัดกระแสไฟฟ้าของฟิวส์จะเกิดขึ้นเป็นไปอย่างรวดเร็ว โดยส่วนที่ทำหน้าที่ยับยั้งกระแสไฟฟ้าของฟิวส์จะเกิดการหลอมละลายพร้อมๆกัน โดยเกิดขึ้นภายในระยะเวลาที่น้อยกว่า 1/2000 -1/3000 วินาที

จากการเกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรข้างต้น ทำให้เกิดค่าความต้านทานสูงที่จุดการเกิดอาร์คพร้อมๆกันหลายจุดก็จะทำให้เกิดการรวมกันดับอาร์คได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งจะส่งผลให้การตัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการลัดวงจรได้อย่างรวดเร็ว ดังรูปที่ 1 การเกิดกระแสลัดวงจรจะใช้ในเวลาการตัดกระแสไฟฟ้าน้อยกว่าครึ่งคาบเวลา (half-cycle) หรือมากกว่าก่อนที่ค่ากระแสลัดวงจรจะมีค่าสูงสุด

- ฟิวส์แบบหน่วงเวลาชนิดคู่ (Dual–element Time-Delay Fuses)

ฟิวส์แบบนี้จะไม่เหมือนกับฟิวส์ชนิดเดี่ยว โดยฟิวส์ชนิดคู่สามารถประยุกต์ใช้กับวงจรไฟฟ้าของมอเตอร์ที่มีการเกิดกระแสไฟฟ้าเกินพิกัดชั่วขณะได้และยังสามารถใช้กับวงจรไฟฟ้าที่มีการเกิดกระแสพุ่งชั่วขณะ (Surge current) ได้เพื่อรองรับการทำงานของวงจรไฟฟ้าที่สมรรถนะสูงทั้งเกิดการลัดวงจรไฟฟ้าและการป้องกันกระแสเกินพิกัด สำหรับการเพิ่มขนาดพิกัดของฟิวส์ชนิดเพื่อขจัดปัญหาการเปิดวงจรไฟฟ้า (ฟิวส์ขาด) โดยไม่จำเป็นนั้นจะไม่มีความจำเป็นเลยสำหรับฟิวส์ชนิดนี้ ดังรูปที่ 2 ฟิวส์ชนิดคู่จะมีการแบ่งเป็นสองส่วนอย่างชัดเจน โดยทั้งสองจะถูกต่ออนุกรมกัน โดยส่วนแรกจะเป็นตัวเชื่อม (Link) ของฟิวส์จะมีลักษณะคล้ายกับตัวเชื่อมที่ใช้ในฟิวส์แบบไม่หน่วงเวลาเพื่อทำหน้าที่ป้องกันการลัดวงจรไฟฟ้าและส่วนที่สองจะมีหน้าที่เพื่อใช้สำหรับป้องกันกระแสไฟฟ้าเกินพิกัดในระดับต่ำๆหรือการเกิดกระแสไฟฟ้าเกินพิกัดมากกว่าห้าเท่าของพิกัดกระแสไฟฟ้าของฟิวส์เป็นเวลาอย่างน้อย 10 วินาที

ก) ฟิวส์แบบ Dual–element Time-Delay จะมีการแยกส่วนป้องกันกระแสเกินพิกัดกับกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

ข) เมื่อเกิดกระแสเกินพิกัดชุดCalibrated fusing alloyจะเกิดการหลอมละลาย

ค) ฟิวส์จะเปิดวงจรหลังจากเกิดกระแสเกินพิกัด

ง) ฟิวส์จะเกิดการหลอมละลายที่จุดเชื่อมหลายจุดเมื่อเกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

จ) ฟิวส์จะเปิดวงจรหลังจากเกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

รูปที่ 2 ความแตกต่างของการเปิดวงจรของฟิวส์แบบ Dual–element Time-Delay เนื่องจากสาเหตุกระแสเกินพิกัดกับการเกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

ดังรูปที่ 2 ในส่วนของการป้องกันกระแสไฟฟ้าเกินพิกัดจะประกอบด้วยแผ่นทองแดงซับความร้อนและชุดสปริง โดยแผ่นซับความร้อนจะถูกต่อแบบถาวรกับจุดต่อซับความร้อนซึ่งเป็นฉนวนทางไฟฟ้าและตัวเชื่อมของฟิวส์ซึ่งอยู่ด้านปลายของฟิวส์โดยจะมีการต่อกับตัวต่อรูป S ของชุดสปริง ซึ่งการต่อทางไฟฟ้าของตัวเชื่อมในส่วนป้องกันการลัดวงจรจะมีการต่อกับแผ่นซับความร้อนในส่วนของการป้องกันกระแสไฟฟ้าเกินพิกัดด้วย ซึ่งการต่อเชื่อมดังที่ได้กล่าวข้างต้นจะถูกต่อเชื่อมด้วยแผ่น Calibrated fusing alloy และเมื่อมีกระแสไฟฟ้าเกินพิกัดเกิดขึ้นก็จะเป็นสาเหตุเกิดความร้อนขึ้นที่ตัวเชื่อมของชุดลัดวงจรกับชุดสปริง ซึ่งความร้อนจะถูกถ่ายเทจากตัวเชื่อมชุดลัดวงจรไปยังแผ่นซับความร้อนที่อยู่ส่วนกลางของกระบอกฟิวส์ซึ่งความร้อนจะค่อยๆเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและถ้าการเกิดกระแสไฟฟ้าเกินพิกัดมีขึ้นอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งอุณหภูมิที่เกิดขึ้นถึงระดับที่ทำให้แรงดึงของชุดสปริงสามารถแยกจากชุด Calibrated fusing alloy และทำให้จุดต่อเป็นอิสระจากตัวเชื่อมของชุดลัดวงจรกับแผ่นซับความร้อน จากผลดังกล่าวตัวเชื่อมของชุดลัดวงจรจะถูกแยกจากแผ่นซับความร้อน ดังนั้นฟิวส์ก็จะถูกเปิดวงจรออกและกระแสไฟฟ้าที่เกินพิกัดก็จะถูกตัดออกจากวงจรเช่นกัน แต่สำหรับการเกิดกระแสเกินพิกัดเพียงชั่วขณะนั้นชุด fusing alloy ก็จะไม่มีการทำงานแต่อย่างใดและจะยังคงสภาพของคุณสมบัติของการป้องกันกระแสเกินพิกัดได้อย่างสมบูรณ์เช่นเดิม สำหรับจุดประสงค์หลักของการนำฟิวส์แบบหน่วงเวลาชนิดคู่นี้ไปใช้งานนั้นได้แสดงรายละเอียดดังต่อไปนี้

• ใช้กับการเกิดกระแสไฟฟ้าเกินพิกัด,การเกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรลงดินและการป้องกันกระแสไฟฟ้าลัดวงจรของมอเตอร์
• ใช้เพื่อเพิ่มพิกัดระดับการป้องกันกระแสลัดวงจรในวงจรให้สูงขึ้นได้ในกรณีที่วงจรมีการเกิดกระแสพุ่งชั่วขณะหรือการเกิดกระแสเกินพิกัดขึ้นชั่วคราวขึ้น
• ช่วยทำให้การจัดความสัมพันธ์ของอุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้าง่ายขึ้น

การที่ท่านได้อ่านบทความนี้แล้ว ท่านก็จะได้พบสาเหตุที่ทำให้ฟิวส์ขาดนั้นมีอยู่สองประการก็คือประการแรกเนื่องจากกระแสไฟฟ้าเกินพิกัดและประการที่สองเกิดจากกระแสไฟฟ้าลัดวงจร แต่การที่ฟิวส์ในโรงงานของท่านจะขาดเร็วหรือช้านั้นก็จะต้องขึ้นกับชนิดของฟิวส์และพิกัดของฟิวส์ที่ท่านใช้ด้วยเช่นกัน สวัสดีครับ

เรียบเรียงจาก:

- John E. Traister, “Industrial Electrical Wiring”, McGraw-Hill, 1997.