محول التيار ومبدأ عمله وتركيبه وأنواعه

لا يمكن إجراء القياسات الكهربائية على أنظمة القدرة ذات الجهد العالي عمليًا بأمان من خلال التوصيل المباشر للأجهزة مع الجهد والتيار الكهربائي العالي. وايضًا لا يمكن لأجهزة الحماية أن تتصل مباشرةً بالتيارات العالية، ويجب خفض قيمة الجهد والتيار إلى مستوى آمن يمكِّنُنا من استخدام أجهزة الوقاية والقياس العادية بأمان وهذا ما يتم بفضل محولات القياس.

محولات القياس هي أحد أنواع المحولات الكهربائية تستخدم في نظام الطاقة الكهربائية لخفض تيارات وفولتية النظام إلى قيم منخفضة يمكننا التعامل معها في أجهزة القياس والحماية. وتنقسم إلى نوعين هما محولات التيار CT، ومحولات الجهد VT. ‏وسنتناول في هذا المقال شرح محولات التيار CT.

ما هو محول التيار؟

محول التيار (Current transformer CT) هو نوع من المحولات الكهربائية يُستخدم لخفض التيار المتردد العالي (AC) إلى تيار صغير في الجانب الثانوي يتناسب مع قيمة التيار الأصلي المار في الجانب الابتدائي وذلك لتغذية أجهزة القياس والوقاية بتيار صغير.

في الصورة السابقة محول تيار في محطة تحويل كهربائية، من الجدير بالذكر أنه يتم استخدام ثلاثة محولات لكل دائرة بمعنى محول واحد لكل فاز (طور)، وكما تلاحظ فهو متصل على التوالي مع خط الكهرباء حيث تجد أن الخط دخل من جهة وخرج من الجهة المقابلة، وفي الشكل التالي توضيح لتركيب محول التيار.

وظيفة محولات التيار

في الواقع لا يتم تصميم المرحلات وأجهزة القياس المستخدمة للحماية والقياس للتعامل مع التيارات والفولتية العالية، لذا لا يمكن توصيل التيارات العالية أو الفولتية لنظام الطاقة الكهربائية مباشرة إلى المرحلات وأجهزة القياس، ويقوم محول التيار CT بخفض التيار العالي إلى 1 أمبير أو 5 أمبير يمكننا من التعامل مع التيار بسهولة وأمان، وذلك من خلال اختيار نسبة تحويل معينة مناسبة.

تركيب محول التيار

يتكون محول التيار من قلب حديدي مع ملف ابتدائي وملف ثانوي.

القلب الحديدي: ويتكون من حلقة فولاذية من السيليكون عالي النفاذية. أو سبيكة من النيكل أو الحديد.

الملف الابتدائي: على عكس محولات القدرة، لفات محول التيار الابتدائية Primary تكون قليلة جدًا، ومصنوعة من سلك يتحمل التيارات العالية ملفوفًا على الـ Core أو قد تكون اللفات عبارة عن باص بار سميك أو كابل يمر داخل القلب الدائري، أي أنه متصل على التوالي مع الخط.

الملف الثانوي: يتكون من عدد من اللفات الكبيرة والمعزولة عن بعضها ويتم لفها على القلب الحديدي للمحول وتتصل بأجهزة القياس أو الوقاية.

كيف يعمل محول التيار؟

كما تعلم فإن التيار الثانوي في المحول الكهربائي يتناسب مع التيار الابتدائي لها وعند توصيل محول تيار إلى جهاز ما للوقاية أو للقياس فإن التيار المار بالابتدائي يعمل على توليد فيض مغناطيسي وهذا الفيض يعمل على توليد جهد في الجانب الثانوي، ويمر تيار تتناسب قيمته مع قيمة التيار المار في الابتدائي، وبمعرفة نسبة التحويل للمحول يمكن إيجاد قيمة التيار الفعلي باستخدام القانون التالي:

I_s=I_p*(N_p/N_s)

حيث أن I_p هو التيار الابتدائي، I_s التيار على الجانب الثانوي، N_p و N_s نسبة عدد اللفات الابتدائية والثانوية.

ما هي الـ Burden في محول التيار؟

الـ Burden لمحول التيار هي قيمة الحمل المتصل عبر الطرف الثانوي، يتم التعبير عنها بالفولت أمبير (VA). وهذا الحمل يمثل المقاومة المتصلة بالطرف الثانوي لذا يمكن التعبير عنها أيضًا بالأوم، ويمكن استنتاج أحدهما بدلالة الآخر، من خلال القانون الذي يربط بين المقاومة والفولت أمبير.

Z_B=VA/I

والـ Burden عبارة عن مقاومة لفات المحول ذاته بالإضافة لمقاومة جهاز القياس أو الوقاية المتصلة بالمحول، ومقاومة السلك المتصل بين المحول والأجهزة،

ويتم تثبيت بعض المحولات على مسافة طويلة من أجهزة القياس، والأسلاك الموصلة بين المحول والأجهزة لها مقاومة تعمل على زيادة قيمة الـ Burden ويمكن أن تتسبب مقاومة أسلاك التوصيل هذه في حدوث خطأ إذا لم يتم أخذها في الاعتبار.

أنواع محولات التيار

يمكن تصنيف محول التيار لعدة أنواع فهي تنقسم إلى محولات تيار داخلية وخارجية، وتنقسم بحسب نوع استخدامها إلى محولات تيار للقياس ومحولات تيار للوقاية.

1 – محولات تيار داخلية Indoor CT

هذه المحولات تكون مركبة في غلاف معدني مكعب او اي شكل آخر وحجمها صغير وتنقسم لأنواع التالية

محول تيار النافذة Window CT: سمي بهذا الاسم لان شكله شبيه بالنافذة حيث يتكون من قلب حديدي مجوف، يتم لف الملفات الثانوية حوله، أما الملف الابتدائي فيتمثل بالسلك الموصل للخط (الكابل) نفسه، يتم تمريره من خلال الفجوة الموجودة في قلب المحول.

محول تيار Bar CT: محول تيار الـ Bar هو نوع خاص من محولات النافذة مع شريط صلب يوضع بشكل دائم خلال الفجوة ويمثل الطرف الاولي ويتم توصيل الكابل به. يمكن لمحول التيار هذا أن يتحمل التيارات الزائدة overcurrent. ولتجنب الضغوط المغناطيسية (magnetic stresses) التي يمكن أن تدمر الـ Bus وتضر بالمحول، يجب توخي الحذر عند تركيب هذه المحولات بشكل صحيح فيما يتعلق بالموصلات المجاورة. يستخدم هذا النوع من المحولات إلى 25 كيلو فولت أو أقل.

محول التيار الملفوف Wound CT: محول تيار الملفوف هو محول يحتوي على لفات أولية وثانوية منفصلة ومعزولة عن بعضها وملفوفة حول قلب مصفح (laminated core). يتم تصميم محول التيار الملفوف بحيث يتكون الملف الأولي من لفة واحدة أو أكثر من سلك له مقطع عرضي كبير يتم توصيله على التوالي مع الدائرة المراد قياسها. اما الملف الثانوي فيتكون من لفات كثيرة من سلك له مقطع عرضي صغير.

2- محولات تيار خارجية Outdoor CT

تم تصميم محولات التيار هذه لاستخدامها في التطبيقات الخارجية في الهواء الطلق. يتم استخدام زيت المحولات أو غاز سادس فلوريد الكبريت SF₆ أو أي سائل آخر مناسب للعزل والتبريد.

محول تيار نوع Dead tank: نوع ال Dead tank CT يوجد القلب في أسفل الخزان. يكون موصل الطرف الابتدائي على شكل حرف U أو على شكل ملف (مسمار برغي).

محول تيار نوع Live tank: يوجد القلب الحديدي أعلى المحول كما هو موضح في الشكل. عادة ما يكون موصل الطرف الابتدائي على شكل قضيب. يمكن أيضًا أن يكون الملف الابتدائي على شكل ملف.‌‌

منحنى المغناطيسية لمحول التيار

يوضح منحنى المغناطيسية ( magnetization curve) لمحول التيار العلاقة بين تيار الـ excitation وجهد الثانوي. القوة الدافعة الكهربائية EMF المستحثة في اللفات الثانوية للمحول تساوي:

E_s = 4.44φfN₂

حيث f هو تردد النظام ، φ الفيض مغناطيسي، N₂ عدد لفات الملف الثانوي. يتم توليد الفيض في الـ core عن طريق تيار الـ excitation.

من المعادلة أعلاه، نجد أن الجهد الثانوي لمحول التيار يتناسب طرديًا مع الفيض φ. ومن ثم يمكن رسم منحنى يعبر عن هذه العلاقة بين الجهد الثانوي وتيار الـ excitation كما هو موضح أدناه.

يتضح من المنحنى أن العلاقة بين الجهد والتيار تكون خطية في بداية المنحنى أي زيادة في الجهد يقابله زيادة مماثلة بالتيار. ويكون التيار الابتدائي متطابق مع تيار الثانوي، ولكن بعد نقطة تُعرف باسم ′Knee Point ′ تصبح العلاقة غير خطية بين التيار والجهد، ومن أجل زيادة طفيفة في جهد الثانوي يلزم زيادة كبيرة في تيار الإثارة (excitation). لذلك بعد نقطة Knee Point سيكون تيار الـ excitation للمحول مرتفع جدًا، مما قد يتسبب في عدم تطابق بين التيار الثانوي والابتدائي.

ما هي نقطة Knee-Point؟

وفقُا لـ IEC تعرف الـ  knee point أنها نقطة في منحنى المغناطيسية التي إذا حدث عندها زيادة في جهد الـ Excitaion بمقدار 10% يتسبب بارتفاع تيار المغنطة بمقدار 50%. عند قيمة جهد أكبر من جهد الـ  knee point يرتفع تيار المغنطة (magnetizing current) بشكل مهول حتى لو كان الارتفاع بالجهد صغير، فوق الـ knee point يتشبع الـ CT ويتسبب بحدوث أخطاء كبيرة في قيمة تيار الثانوي، وقد يؤثر على المحول نفسه، وتعتبر الـ knee point قيمة مهمة عند اختيار محول التيار المناسب لأي تطبيق كهربائي معين. انظر للصورة أعلاه.

مشكلة التشبع في الـ CT

يمكن لمحولات التيار أن تتحمل فقط مقدارًا معينًا من كثافة الفيض المغناطيسي في القلب الحديدي. طالما أن كثافة الفيض في القلب الناتجة بسبب تدفق التيار الابتدائي تظل أقل من الحد الأقصى لكثافة الفيض للمحول، فإن التغيير في الفيض سيؤدي لتوليد تيار في الدائرة الثانوية.

يتناسب مقدار الفيض مع التغير في التيار الابتدائي، وعندما يحدث ارتفاع كبير جدًا للتيار كما في حالة الأعطال faults ينتج عنه فيض عالي بحيث لا يستطيع القلب الحديدي التعامل مع هذا الفيض، في هذه الحالة يُقال إن محول التيار CT في حالة تشبع.

عند حدوث حالة التشبع تبقى كمية الفيض عند قيمة معينة ومهما زاد التيار لا يتغير الفيض بعد هذا الحد، ونظرًا لعدم وجود تغيير في الفيض لا ينشأ تيار في الثانوي. بمعنى آخر في حالة التشبع، يتم استخدام كل التيار كتيار مغنطة (magnetizing current) ولا يتدفق أي تيار إلى الحمل المتصل بالطرف الثانوي لمحول التيار. وهناك رسومات بيانية لمنحنى تشبع المحول تجدها في الداتا شيت للمحول.

العوامل المؤثرة على التشبع

• مساحة مقطع القلب الحديدي، كلما كانت المساحة أكبر تقل فرصة التشبع.
• جودة ونوع الفولاذ المستخدم في تصنيع القلب الحديدي.
• الحمل Burden المتصل بالطرف الثانوي.

لماذا من الخطر فتح دائرة الجانب الثانوي لمحول التيار؟

عند ترك طرفي الجانب الثانوي لمحول التيار مفتوحة يتولد جهد عالي جدًا فيها قد يؤدي لحرق الجهاز، او إصابة الشخص الذي يتعامل مع المحول، السبب في هذا أن الفيض المغناطيسي المار بالقلب الحديدي والذي يقطع الملفات الثانوية يعمل على توليد emf  عالية جدًا بسبب العدد الكبير للفات.

في الحالة الطبيعية عندما يكون الحمل متصل بالطرف الثانوي، يمر فيه تيار يعمل على توليد mmf معاكسة، للـemf  السابقة، وبالتالي لا يرتفع الجهد كثيرًا. لكن عندما تكون الدائرة مفتوحة تكون قيمة التيار الثانوي بصفر ولا تنشأ أي mmf مضادة ومعاكسة، وبالتالي يظهر جهد عالي على أطراف المحول، وهذا الجهد العالي يمثل خطورة على المحول والأشخاص المتعاملين مع هذه المحولات.

ولذا فإذا اقتضت الحاجة نزع جهاز الوقاية من الطرف الثانوي لمحول التيار لأي سبب كان، فيجب أن يستبدل الجهاز بدائرة قصر Short Circuit على أطراف الثانوي للمحول، وبالتالي يظل هناك تيار في الثانوي وتظل هناك mmf معاكسة لتلك الناتجة عن الفيض الناشئ بسبب التيار الابتدائي، فلا يرتفع الجهد على أطراف محول التيار.

لماذا يجب قصر طرفي محول التيار عند عدم اتصاله بالحمل؟

حتى نضمن وجود تيار مار في الجانب الثانوي يعمل على توليد mmf معاكسة لتلك المتولدة بسبب الفيض الناشئ بسبب التيار الابتدائي، فلا يرتفع الجهد على أطراف محول التيار.

الفرق بين محول التيار المستخدم في القياس والمستخدم في الوقاية

محولات التيار المستخدمة في القياس: يُطلق على محولات التيار CT التي تُستخدم لخفض التيارات في الجانب الأولي إلى قيم منخفضة مناسبة لتشغيل أجهزة القياس بمحولات التيار المستخدمة في القياس. يتصل الطرف الثانوي لـCT القياس بملف الأميتر والوط ميتر، ومقياس الطاقة، وغيرها من الأجهزة.

نظرًا لأن قياس الكميات الكهربائية يتم إجراؤها في ظل الظروف العادية وليس في ظل ظروف الأعطال (Faults)، فإن أداء CT القياس يكون مهمًا أثناء ظروف التحميل العادي. يلزم CT القياس إعطاء دقة عالية لجميع تيارات الحمل حتى 120٪ من التيار المقنن.

قد يكون لهذه المحولات أخطاء (error) كبيرة جدًا أثناء لحظة الـ Faults، عندما تكون التيارات عدة أضعاف قيمتها الطبيعية لفترة قصيرة، لكن هذا ليس مهمًا لأن وظائف القياس غير مطلوبة أثناء الـ Faults. ويجب أن تتشبع CT القياس عند حوالي تيار قيمته 1.2 من تيار الحمل الكامل حتى لا يتم إعادة توليد تيار الـ Faults على الجانب الثانوي وذلك لتجنب تلف أجهزة القياس.

محولات التيار المستخدمة في الوقاية: يُطلق على محولات التيار المستخدمة مع أجهزة الحماية، مثل المرحلات، اسم CT الوقاية. تم تصميم CT الوقاية بحيث تحتوي على أخطاء صغيرة أثناء حدوث الـ Faults بحيث يمكنها إعادة إنتاج تيارات الـ Faults بشكل دقيق من أجل التشغيل الصحيح لمرحلات الحماية.

عندما يحدث fault في نظام الطاقة، يميل التيار إلى الزيادة ويميل الجهد إلى الانخفاض. تيار الـ fault غير طبيعي وقد يكون من 20 إلى 50 ضعف التيار المقنن. وقد يكون له إزاحة. يمكن أن يكون تيار الـ fault لثانوي محول CT تصنيفه 5A من 100 إلى 250 A.

لذلك، يجب أن يكون ثانوي الـ CT الذي له تصنيف تيار طبيعي 5A قدرة على تحمل تيار لمدة قصيرة يتراوح بين 100 إلى 250 A، بحيث لا يتلف عند حودث الـ fault، يجب أن يُعيد محول تيار الواقية إنتاج تيار العطل (fault) بشكل صحيح على الجانب الثانوي بغض النظر عن الإزاحة في الملف الأولي. ويجب ألا يتشبع CT الوقاية عند تيار قيمته من 20 إلى 50 ضعف تيار الحمل الكامل.‌‌

مواصفات محول التيار

الحمل المقن Burden Rated: وهي قيمة أقصى حمل يمكن توصيلة بمحول التيار بصفة دائمة مع بقاء قيمة الخطأ في الحدود المسموح بها، وتقاس بالفولت أمبير VA.

فئة الدقة Accuracy Class: هناك دائمًا بعض الاختلاف بين القيمة المتوقعة لتيار الثانوي في الـ CT والقيمة الفعلية ناتج عن current ratio error و phase angle error، فئة الدقة لـ CT هي أعلى نسبة خطأ مسموح به عند التيار المقنن (rated current).

فئات الدقة القياسية لـ CT القياس وفقًا لـ IS-2705 هي 0.1 و 0.2 و 0.5 و 1 و 3 و 5.
فئة الدقة 0.1 تعني أن الحد الأقصى المسموح به للخطأ هو 0.1٪، بشكل أكثر وضوحًا، إذا قمت بقياس 100 A باستخدام CT فئة 0.1، فقد تكون القيمة المقاسة إما 100.1 أو 99.9 A أو أي قيمة بين هذه القيمتين.
فئة الدقة القياسية لـ CT الوقاية وفقًا لـ IS-2705 هي 5P ،10P ،15P.
هنا في CT الوقاية، 5P تعني 5٪، 10P تعني 10٪، 15P تعني نسبة خطأ مقدارها 15٪ و حرف P تعني protection.

أقصى تيار يتحمله محول التيار باستمرار Continuous Rated Current: عادة ما يشير إلى أقصى تيار في الطرف الابتدائي.

أقصى تيار قصر لمدة قصيرة Short Circuit Current Duration Tlme: يشير إلى تيار الملف الثانوي، وتتراوح المدة المحسوب عليها التيار بين 0.5 ثانية إلى 3 ثوان.

تيار الملف الثانوي المقنن Rated Secondary Current: وعادة ما يكون 1، 2، 5 أمبير. وفي حالة زيادة المسافة بين محول التيار وأجهزة الوقاية أو القياس عن 30 متر يستخدم تيار (واحد) أمبير.

نسبة التحويل Tums Ratio: وهي طبقًا لتيار الخط (١/ 3000 كمثال) وهناك قيم أعلى أو أقل من ذلك.

الفئة Class: وهي من أهم القيم التي يوصف بها محول التيار، مثل 5P أو 10P مع أجهزة الوقاية. و Class X المستخدمة مع أجهزة الوقاية التفاضلية. وعادة كلما كانت درجة الدقة عالية، كلما تميزت الفئة المستخدمة برقم أصغر. أما في الأجهزة التي لا تحتاج دقة عالية، فيكتفى بالرمز ClassX.

معامل حدود الدقة (ALF) Accuracy Limit Factor: هو أقصى تيار يمر في الملف الابتدائي قبل أن يتشبع القلب الحديدي وتتشوه موجة التيار في الملف الثانوي. مثلًا إذا كان هناك محول تيار له نسبة تحويل (2000/1) وكانت قيمة 4=ALF، فإن أقصى قيمة ممكنة للتيار الابتدائي دون أن يحدث تشوه في التيار الثانوي هي (4*2000) وتساوي 8000 أمبير.

ويمكن حساب أقصى جهد ينشأ بين طرفي محول التيار من المعادلة التالية:

V = ( VA_rated × ALF/ I_n ) + I_n × R_CT × ALF

استخدامات محولات التيار

تُستخدم محولات التيار مع أجهزة قياس التيار الكهربائي، وعدادات الكيلوواط ساعة، ومقياس معامل القدرة.
يتم استخدامه لتشغيل مرحلات الوقاية، والتي تعمل على فصل القواطع الكهربائية عند حدوث Faults.
يُستخدم في الـ Clamp meters وهي أجهزة قياس تسمح بقياس التيار في الموصل عن طريق تثبيته حول موصل حامل للتيار.