ヒューズ（電気）

ヒューズが回路を遮断することなく連続的に流すことができる最大電流値。

ヒューズが溶断する速度は、流れる電流の量とヒューズの材質によって決まります。メーカーは、電流と時間の関係を示すグラフ（多くの場合、対数スケールでプロットされる）を提供することがあり、これによりヒューズの特性を把握し、ヒューズの上流および下流にある保護装置の特性と比較することができます。

動作時間は一定の間隔ではなく、電流が増加するにつれて短くなります。ヒューズは、電流に対する動作時間の特性がそれぞれ異なります。標準ヒューズは定格電流の2倍の電流で1秒以内に切れる場合があり、速断型ヒューズは定格電流の2倍の電流で0.1秒以内に切れる場合があり、遅断型ヒューズは定格電流の2倍の電流で数十秒かけて切れる場合があります。

ヒューズの選択は負荷の特性によって決まります。半導体デバイスは過電流が流れると急速に発熱するため、半導体デバイスには高速または超高速ヒューズが使用される場合があります。最も速く溶断するヒューズは、過負荷電流に短時間さらされただけでも損傷する可能性がある、最も繊細な電気機器向けに設計されています。通常の速断ヒューズは、最も汎用性の高いヒューズです。時限ヒューズ（サージ防止ヒューズまたはスローブローヒューズとも呼ばれます）は、ヒューズの定格値を超える電流が短時間流れてもヒューズが溶断しないように設計されています。これらのタイプのヒューズは、モーターなど、速度が上がる際に数秒間、通常よりも大きな電流を流す可能性のある機器に使用されます。

I ² t 定格は、ヒューズ素子が電気的故障を解消する際に通過させるエネルギー量に関連しています。この用語は通常、短絡状態で使用され、その値は電気ネットワークの協調解析に使用されます。I ² t パラメータは、各ヒューズファミリのメーカーデータシートのチャートで提供されます。上流または下流のデバイスとのヒューズ動作の協調のために、溶融 I ² t とクリアリング I ² t の両方が指定されます。溶融 I ² t は、ヒューズ素子の溶融を開始するために必要なエネルギー量に比例します。クリアリング I ² t は、故障を解消する際にヒューズが通過させる総エネルギーに比例します。エネルギーは、ヒューズの場合は主に電流と時間、利用可能な故障レベルとシステム電圧に依存します。ヒューズの I ² t 定格は通過させるエネルギーに比例するため、故障端で発生する熱と磁力による熱損傷の尺度となります。

遮断容量とは、ヒューズが安全に遮断できる最大電流のことです。これは想定される短絡電流よりも高くなければなりません。小型ヒューズの遮断定格は、定格電流のわずか 10 倍である場合があります。北米では、小型で低電圧の、通常は住宅用配線システムのヒューズは、一般的に 10,000 アンペアの遮断定格となっています。商業用または産業用電力システムのヒューズは、より高い遮断定格が必要であり、一部の低電圧電流制限高遮断ヒューズは 300,000 アンペアの定格となっています。最大 115,000 ボルトの高電圧機器のヒューズは、回路の故障レベルの総皮相電力(メガボルトアンペア、MVA ) で定格されます。

一部のヒューズは高破断容量（HRC）または高遮断容量（HBC）^{[ 6 ]}と指定されており、通常は砂または同様の材料で満たされています。^{[ 7 ]}

低電圧高遮断容量（HRC）ヒューズは、短絡電流が想定される低電圧ネットワークの主配電盤周辺で使用されます。これらは一般的にねじ込み式ヒューズよりも大きく、フェルールキャップまたはブレード接点を備えています。高遮断容量ヒューズの遮断電流定格は120kAです。

HRCヒューズは産業設備で広く使用されており、変電所、主配電盤、建物の接続箱、メーターヒューズなど、公共電力網でも使用されています。

一部の国では、これらのヒューズが使用される場所では高い故障電流が発生するため、現地の規制により、訓練を受けた担当者のみがこれらのヒューズを交換できる場合があります。HRCヒューズの中には、特別な取り扱い機能を備えたものもあります。

ヒューズの定格電圧は、開放電圧以上でなければなりません。例えば、定格電圧が32ボルトのガラス管ヒューズでは、120ボルトまたは230 ボルトの電源からの電流を確実に遮断することはできません 。32ボルトのヒューズが120ボルトまたは230ボルトの電源を遮断しようとすると、アーク放電が発生する可能性があります。ガラス管内のプラズマは、電流が減少するまで電流を流し続け、最終的にプラズマは非導電性のガスになります。定格電圧は、遮断する必要のある最大電源電圧よりも高くなければなりません。ヒューズを直列に接続しても、組み合わせ全体の定格電圧も、個々のヒューズの定格電圧も増加しません。

数千ボルト定格の中電圧ヒューズは、コストがかかることと、非常に低い電圧で動作しているときに回路を適切に遮断できないことから、低電圧回路では決して使用されません。^{[ 8 ]}

ガラスカートリッジヒューズとプラグヒューズは、溶断素子を直接検査できます。その他のヒューズには、以下のような表示方法があります。

• 指示ピンまたはストライカーピン ― ヒューズエレメントが溶断すると、ヒューズキャップから突き出る。
• 表示ディスク ― ヒューズの端のキャップに埋め込まれた色の付いたディスクは、ヒューズのエレメントが切れると外れます。
• エレメントウィンドウ ― ヒューズ本体に組み込まれた小さな窓で、エレメントが切れたことを視覚的に確認できる。
• 外部トリップインジケーター ― ストライカーピンと同様の機能を持つが、互換性のあるヒューズに（クリップを使用して）外部に取り付けることができる。

一部のヒューズでは、専用のマイクロスイッチまたはリレーユニットをヒューズ本体に取り付けることができます。ヒューズが切れると、表示ピンが伸びてマイクロスイッチまたはリレーが作動し、それによってイベントがトリガーされます。

中電圧用途向けのヒューズの中には、2つまたは3つの独立したバレルと、2つまたは3つのヒューズ素子を並列に接続したものもある。

国際電気標準会議（ IEC）は、低電圧電力ヒューズに関する規格60269を発行しています。この規格は4巻からなり、一般要件、産業・商業用途向けヒューズ、住宅用途向けヒューズ、半導体デバイス保護用ヒューズについて規定しています。IEC規格は複数の国内規格を統合することで、国際貿易におけるヒューズの互換性を向上させています。IEC規格に適合するよう試験された様々な技術のヒューズは、いずれも同様の時間電流特性を示すため、設計と保守が容易になります。

米国およびカナダでは、 定格電圧1kV ACまでの低電圧ヒューズは、 Underwriters Laboratories規格UL 248またはカナダ規格協会（CSA）の整合規格C22.2 No. 248に準拠して製造されています。この規格は、定格電圧1kV 以下、交流または直流、遮断容量200kAまでのヒューズに適用されます 。これらのヒューズは、カナダ電気工事規程パートI（CEC）または米国電気工事規程NFPA 70（NEC）に準拠した設置を想定しています。

米国およびカナダにおけるヒューズ（および回路ブレーカー）の標準アンペア定格は、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、110、125、150、175、200、225、250、300、350、400、450、500、600、700、800、1000、1200、1600、2000、2500、3000、4000、5000、および6000アンペアとされています。ヒューズのその他の標準アンペア定格は、1、3、6、10、および601です。

UL 248は現在19の「パート」で構成されています。UL 248-1はヒューズの一般要件を規定し、後続のパートは特定のヒューズサイズ（例：クラスJの場合は248-8、クラスLの場合は248-10）または独自の特性を持つヒューズのカテゴリ（例：半導体ヒューズの場合は248-13、太陽光発電ヒューズの場合は248-19）に特化しています。一般要件（248-1）は、補足パート（240-x）によって修正される場合を除き適用されます。例えば、UL 248-19では、太陽光発電ヒューズの定格電圧を一般要件の1000ボルトから1500ボルト（直流）まで引き上げています。

IEC規格とUL規格では、用語に若干の違いがあります。IEC規格では、「ヒューズ」とは、溶断リンクとヒューズホルダーを組み合わせたものを指します。一方、北米規格では、ヒューズは交換可能な部品であり、溶断リンクはヒューズに取り付けるための金属部品を指します。

大型電力ヒューズは、銀、銅、または錫製の溶断素子を用いて、安定した予測可能な性能を実現しています。高電圧放出型ヒューズは、溶断素子をホウ酸などのガス発生物質で囲んでいます。ヒューズが溶断すると、アークからの熱によってホウ酸から大量のガスが発生します。それに伴う高圧（多くの場合100気圧以上）と冷却ガスによって、発生したアークは急速に消弧されます。その後、高温ガスはヒューズの両端から爆発的に放出されます。このようなヒューズは屋外でのみ使用できます。

これらのタイプのヒューズには、スイッチ機構を作動させるための衝撃ピンが備わっている場合があり、いずれかのヒューズが切れると3相すべてが遮断されるようになっている。

高出力ヒューズとは、数キロアンペアの電流を遮断できるヒューズのことです。一部のメーカーは、最大63 キロアンペアの短絡電流に対するヒューズの試験を実施しています。

英国では、古い電気配電盤（ヒューズボックスとも呼ばれる）には、半密閉型（再配線可能）ヒューズ（BS 3036）またはカートリッジヒューズ（BS 1361）が取り付けられています。  （ヒューズ線は、一般的に5A 、15A  、 30A定格の短い線が 厚紙に巻かれた状態で消費者に供給されます。）現代の配電盤には通常、ヒューズの代わりに小型回路ブレーカー（MCB）が使用されていますが、用途によってはMCBが誤作動を起こしやすいため、カートリッジヒューズが今でも使用されることがあります。

交換可能なヒューズ（再配線式またはカートリッジ式）はユーザーによる交換が可能ですが、定格の高いヒューズエレメント（リンクまたはワイヤー）をホルダーに挿入したり（過負荷ヒューズ）、既存のホルダーに銅線や全く異なる種類の導電性物体（コイン、ヘアピン、クリップ、釘など）を取り付けたりすることが容易にできるため、危険を伴う場合があります。ヒューズボックスの不正使用の一例として、ソケットに1セント硬貨を入れることが挙げられます。これは過電流保護を無効にし、危険な状態を引き起こします。このような不正行為は、ヒューズを完全に検査しない限り発見できません。このような理由から、北米ではヒューズワイヤーは使用されませんでしたが、配電盤向けには交換可能なヒューズが引き続き製造されています。

• 英国のヒューズボックスと再配線可能なヒューズ
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  MEM社製再配線可能ヒューズボックス、再配線可能ヒューズホルダー4個（30A×2個 、15A×2個 ）付き、1957年頃設置（カバーは取り外されています）
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  MEM再配線可能ヒューズホルダー（30A および15A  ）
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  Wylex標準ヒューズボックス、配線変更可能なヒューズホルダー8個付き
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  英国の消費者に販売されているヒューズ線

Wylex標準の配電ユニットは、等電位ゾーン外の機器に電力を供給する可能性のあるソケットに漏電遮断器(RCD)を義務付ける配線規則が始まるまで、英国で非常に人気がありました。この設計では、RCD またはRCBO を取り付けることができません。一部の Wylex 標準モデルは、メインスイッチの代わりに RCD で製造されていましたが、(設備全体に電力を供給する配電ユニットの場合)警報システムはRCD で保護すべきではないため、これは配線規則に準拠しなくなりました。これらのユニットにねじ込むことができるヒューズベースには 2 つのスタイルがあります。1 つは再配線可能なヒューズワイヤキャリア用に設計されたもので、もう 1 つはカートリッジヒューズキャリア用に設計されたものです。長年にわたり、両方のスタイルのベース用に MCB が製造されてきました。どちらの場合も、定格の高いキャリアはピンが広いため、ベースも変更せずに定格の高いキャリアに変更することはできませんでした。カートリッジヒューズキャリアは、現在では DIN レールエンクロージャでも利用可能です。^{[ 12 ]}

北米では、1960年以前に配線された建物ではヒューズが使用されていました。これらのエジソンベースのヒューズは、エジソンベースの白熱電球と同様に、ヒューズソケットにねじ込んで取り付けました。定格は5、10、15、20、25、30アンペアでした。過大な定格のヒューズの取り付けを防ぐため、後のヒューズボックスには、ヒューズホルダーソケットにリジェクション機能（一般にリジェクションベース（タイプSヒューズ）として知られる）が組み込まれました。これは、ヒューズの定格に応じて直径が小さくなっています。つまり、ヒューズはあらかじめ設定された（タイプS）定格のヒューズとしか交換できません。これは北米の3か国規格（UL 4248–11、CAN/CSA-C22.2 NO. 4248.11-07（R2012）、およびNMX-J-009/4248/11-ANCE）です。既存のエジソンヒューズボードは、不正開封防止アダプターをねじ込むことで、リジェクションベース（タイプS）ヒューズのみを受け入れるように簡単に変換できます。このアダプターは既存のエジソンヒューズホルダーにねじ込まれ、指定されたタイプS定格ヒューズを受け入れるためのより小さな直径のねじ穴があります。^{[ 13 ]}

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  エジソンベース（左）とS型ヒューズ（右）
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  北米で使用されている旧型のヒューズボックス

一部の企業は、ヒューズソケットにねじ込むリセット可能な小型サーマルサーキットブレーカーを製造しています。 ^{[ 14 ] [ 15 ]}一部の設備では、これらのエジソンベースのサーキットブレーカーを使用しています。しかし、今日販売されているそのようなブレーカーには、1 つの欠点があります。ドア付きの回路ブレーカーボックスに取り付けられる場合があります。その場合、ドアが閉じていると、ドアがブレーカーのリセットボタンを押し続けてしまう可能性があります。この状態では、ブレーカーは事実上役に立たず、過電流保護を提供しません。^{[ 16 ]}

1950年代には、新築の住宅や産業施設における分岐回路保護用のヒューズは、低電圧遮断器に取って代わられた。

ヒューズは電動機の回路保護に広く用いられています。軽度の過負荷の場合、モーター保護回路が自動的に制御コンタクタを開き、ヒューズは短絡または極端な過負荷の場合にのみ作動します。

いわゆる自己復帰型ヒューズは、ポリマー正温度係数（PPTC）サーミスタと呼ばれる熱可塑性導電性素子を使用しており、過電流状態時に（素子の抵抗値を増加させることで）回路を遮断します。PPTCサーミスタは、電流が遮断されると冷却されて低抵抗値に戻るため、自己復帰型です。これらの素子は、交換が困難な航空宇宙／原子力関連用途や、マウスやキーボードのショートによるマザーボードの損傷を防ぐために、コンピュータのマザーボードによく使用されます。

サーマルヒューズは、コーヒーメーカー、ヘアドライヤー、小型家電製品に電力を供給する変圧器など、民生機器によく使用されています。内部には、通常は閉じた状態を保つバネ接点機構を備えた、溶融可能な感温性組成物が含まれています。周囲の温度が高くなりすぎると、組成物が溶融し、バネ接点機構が回路を遮断します。この装置は、例えばヘアドライヤーの火災防止に使用できます。送風モーターが停止したり、吸気口が誤って塞がれたりした場合など、空気の流れが遮断されるとヒーターへの電源供給を遮断します。サーマルヒューズは「使い捨て」でリセットできない装置であり、一度作動（溶断）すると交換する必要があります。

ケーブルリミッターはヒューズに似ていますが、低電圧電力ケーブルの保護のみを目的としています。たとえば、複数のケーブルが並列に使用されるネットワークで使用されます。過負荷保護を目的としたものではなく、短絡にさらされたケーブルを保護するものです。リミッターの特性はケーブルのサイズに合わせて調整されているため、ケーブルの絶縁体が損傷する前にリミッターが故障を解消します。^{[ 17 ]}