محولات التيار Current Transformers

صورة تعبيرية عن محول تيار يمر موصل من خلاله

مقدمة

محولات الجهد (PT) و محولات التيار (CT) عادة ما يطلق عليها محولات الأجهزة أو محولات القياس Instrument Transformers ، تستخدم فى تحويل جهود و تيارات نظام القوي الكهربية إلى قيم أقل و أيضا قيم قياسية بالإضافة لكونها تعمل كعازل بين دائرة القوي الكهربية بجهودها و تياراتها العالية و دوائر القياس و الوقاية و التحكم المتصلة بالملف الثانوي الخاص بها.

و من أجل تحقيق التكامل بين المصنعين المختلفين لمتممات الوقاية و أجهزة القياس فمقننات ratings الجانب الثانوي لهذه المحولات لها قيم قياسية Standardized ، فقيمة التيار المقنن للملفات الثانوية لمحولات التيار هى واحد أو خمسة أمبير، أما بالنسبة لمحولات الجهد فقيمة تيار الخط هى 110 فولت (line to line voltage) و أيضا مقننات التيار و الجهد لأجهزة الوقاية و القياس لها نفس قيم مقننات الطرف الثانوي لمحولات التيار و محولات الجهد.

بالطبع قيم الجهد و التيار التى تصل لأجهزة الوقاية و القياس هى قيم متناسبة مع قيم الجهد و التيار على الجانب الإبتدائي و لكن مع قيم خطأ قليلة، لذلك لابد من الأخذ فى الإعتبار قيم الخطأ حتى تعمل أجهزة الوقاية بشكل سليم.

محولات التيار Current Transformers

تستخدم محولات التيار للقيام بمهمتين ، الأولى هى تخفيض قيم التيار العالية جداً التى تمر في نظام القوي الكهربية لقيم قياسية مناسبة لعمل أجهزة الوقاية و القياس المتصلة بالملف الثانوي لمحول التيار، و الثانية هى عزل دوائر الوقاية و القياس و التحكم عن الجهود العالية لنظام القوي الكهربية.

القيم القياسية للتيار المقنن للملفات الثانوية لمحولات التيار المستخدمة في التطبيقات العملية هي 1 أو 5 أمبير، و حيث أن تيارات الجانب الثانوي لمحولات التيار هي قيم قياسية فإن تيارات أجهزة الوقاية و القياس أيضا قيم قياسية و مساوية لقيم محولات التيار و بالتالى يحدث التكامل بين المُصَنعيين المختلفين لأجهزة الوقاية و القياس.

محولات التيار التقليدية من النوع الكهرومغناطيسى تتشابة الى حد كبير مع محولات القوي حيث أنها تعتمد على نفس فكرة عمل الحث الكهرومغناطيسي، لكن هناك إختلافات كبيرة في تصميماتها و تشغيلها، فمحولات القوي يتم توصيلها على التوازى بينما يتم توصيل محولات التيار على التوالى.

و لأن محولات التيار يتم توصيلها على التوالى مع دائرة القوى الكهربية المراد حمايتها فإن التيار المار بالملف الإبتدائي يكون عالى جداً و بالتالى فإن عدد لفات الملف الإبتدائي يكون قليل جداً و في بعض الأحيان يكون الموصل أو الكابل الحامل للتيار هو نفسة الملف الابتدائي لمحول التيار و يكون في هذه الحالة محول التيار من النوع الحلقي و عدد لفات الملف الابتدائي واحد. 

أما عن قدرة محولات التيار فهى أصغر بكثير بالمقارنة مع محولات القدرة ، و بالرغم من أن القيمة الأسمية المقننة  The nominal rated current لتيار الملف الثانوي لمحول التيار هى  1 أو 5 أمبير إلا أن تصميم هذه المحولات يجعلها قادرة على تحمل تيارات أعلي بكثير لبضع ثواني و ذلك فى ظروف أستثنائية مثل عند حدوث أعطال، حيث أن تيار العطل قد يصل إلى 50 ضعف التيار المقنن فمحولات التيار يتم تصميمها لتحمل مثل هذه التيارات.

أجهزة الوقاية تحتاج إلى حد كبير إلي قيم دقيقة للتيار فى الوضع الطبيعى normal condition و في الوضع الغير طبيعى abnormal condition حتى تعمل بشكل سليم لذلك يتوجب على محولات التيار توفير إشارة تيار سليمة لأجهزة الوقاية و القياس و التى تعبر عن التيار فى الجانب الإبتدائي لمحول التيار، فمقياس أداء محول التيار هو قدرتة الدقيقة على إعادة إنتاج تيار الجانب الإبتدائي فى تيار الجانب الثانوى.

 عملياً لا يقوم محول التيار بنقل قيمة التيار الصحيحة بدون أخطاء، و تتمثل الأخطاء فى قيمة التيار و زاوية الوجة phase angle. و تسمى هذه الأخطاء بخطأ نسبة التحويل ratio error  و خطأ الزاوية phase angle error، و السبب الرئيسي في هذه الأخطاء هو تيار الإثارة  The exciting current.

بناءً علي التطبيق يتم تصنيف محولات التيار الى نوعين :

• محولات تيار للقياس Measuring CTs  و هى المتصلة بأجهزة القياس.
• محولات تيار للوقاية Protective CTs  و هى المتصلة بأجهزة الوقاية.

 الفرق بين محولات تيار القياس و محولات تيار الوقاية

أولا: بالنسبة لمحولات التيار المتصلة بأجهزة القياس تسمى Metering or Measuring CTs تقوم بخفض قيمة التيار إلى قيم أقل مناسبة لتشغيل أجهزة القياس، هذه المحولات تكون متصلة بملف التيار للأميتر ammeter أو الواتميتر wattmeter  و حيث أن عمليات القياس للكميات الكهربية تتم عادة في الظروف الطبيعية و ليس في حالات العطل فإن أداء محول التيار محل الإهتمام يكون فى وضع التحميل الطبيعي و عليه محولات التيار لغرض القياس مطلوب منها أن تعطى دقة تحويل عالية لكل قيم تيار الحمل و حتي 125% من التيار المقنن، هذه المحولات قد تعطى نسبة خطأ كبيرة أثناء الأعطال عندما يكون التيار أضعاف القيمة المقننة فى فترة زمنية قصيرة جداً وهذا في الحقيقة غير ضروري حيث أن عملية القياس غير مطلوبة أثناء العطل و يتم تصميم هذه المحولات أن تصل إلى حالة التشبع إذا تخطت قيمة التيار 1.25 مرة قيمة التيار المقنن و بذلك لا تنتج تيار في الطرف الثانوي يدمر أجهزة القياس المتصلة به.

ثانياً: بالنسبة لمحولات التيار التى تعمل فى منظومة الوقاية فهى تسمى Protective CTs و هى مصممة ليكون لها نسبة خطأ صغيرة أثناء فترة العطل و هي الفترة محل الإهتمام بالنسبة لها حيث تقوم بتحويل تيار العطل بدقة كافية حتي تعمل أجهزة الوقاية بشكل مرضى أما في ظروف التشغيل العادية فتكون لها دقة تحويل أقل. 

و من المعلوم عند حدوث عطل في الشبكة الكهربية أن التيار الكهربي يميل إلي الزيادة  بصورة كبيرة قد تصل الى 20 أو 50 مرة من قيمة تيار الحمل الكامل و في نفس الوقت يقل الجهد بشكل كبير و أيضا تظهر مركبة تيار مستمر DC offset  ، ففي ظل هذه الظروف يعمل هذا النوع من المحولات و عليه  يتم تصميم هذه المحولات لكي يتحمل ملفها الثانوى قيم تيار عالية فمحول التيار الذى له تيار مقنن للملف الثانوي  5A  لابد أن يتحمل تيار ما بين 100 إلي 250 A أثناء فترة العطل و أن يقوم بتحويل المركبة المترددة AC component بشكل سليم بغض النظر عن قيمة DC offset  وذلك لانها القيمة الأكثر أهمية لأجهزة الوقاية، و أيضا تكون درجة التشبع أعلى من 20 إلى 50 ضعف تيار الحمل.

عملياً يتم تركيب محول تيار واحد و يكون له أكثر من ملف ثانوي أحدهم للقياس و الآخر للوقاية و هكذا.. كما سيتم توضيحة بالأمثلة في السطور القادمة. 

المواد المستخدمة فى تصنيع قلب محولات التيار  Core Materials of CTs

هناك العديد من المواد المستخدمة في صناعة القلب لمحولات التيار، و كما سبق فقد تمت الإشارة أن محولات القياس تحتاج إلي بعض الخصائص المختلفة عن محولات الوقاية.

تعتبر سبيكة النيكل مع الحديد Nickel-Iron  من المواد الجيدة لصناعة قلب محولات التيار لأغراض القياس فهى تعطى دقة تحويل عالية لكل تيارات الحمل أقل من 5 مرات الحمل المقنن و تصل إلى مستوي التشبع لمستويات قليلة من كثافة الفيض المغناطيسى و بذلك توفر الحماية المطلوبة لأجهزة القياس خلال فترة العطل.

صلب السيليكون المسحوب على البارد Cold-rolled grain-oriented Silicon Steel (3%)  يستخدم في صناعة محولات التيار لأغراض الوقاية و ذلك نظراً لتمتعة بالخصائص التالية:

• السماحية العالية High permeability
• مستوي تشبع عالي 
• تيار إثارة صغير
• قيمة خطأ صغيرة

هذه المادة تتمتع بدقة جيدة حتي 10 إلى 15 ضعف تيار الحمل و لكن في حالة تيارات أقل من 5 مرات تيار الحمل فإن سبيكة النيكل مع الحديد تعطى أداء أفضل.

أيضا يمكن الوصول للخصائص المطلوبة عن طريق تصنيع القلب من شرائح من مادتين أو أكثر لتكوين قلب للمحول يحمل كل الخصائص المناسبة للتصميم.

أشكال القلب الحديدي لمحول التيار

1. قلب حديدي علي شكل مستطيل أو مربع و يستخدم لمحولات التيار الصغيرة و المتوسطة، حيث يتم لف الملف الثانوي أولاً علي الساق ثم الملف الابتدائي. و يلاحظ أن عدد لفات الملف الثانوي تكون أكبر بكثير من الملف الابتدائي و يتم توصيلها علي التوالي مع ملف التيار لجهاز الوقاية أو القياس. 
2. قلب حديدي علي شكل حلقة Ring Type-CT و هنا يكون الملف الابتدائي هو الكابل أو الموصل الحامل للتيار و الذي يتم إمراره من خلال الحلقة، أما الملف الثانوي فيتم لفه حول القلب الحديدي. 

تعريفات هامة لمحول التيار

1. التيار الابتدائي المقنن Rated primary current، و هو التيار المراد قياسه و الذي يمر في الملف الابتدائي و يرمز له بالرمز Ip أو I1. 
2. التيار الثانوي المقنن Rated Secondary current، و هو التيار المار في الملف الثانوي و يكافئ التيار الابتدائي و له قيم قياسية 5 أو 1 أمبير و يرمز له بالرمز Is أو I2. 
3. نسبة التحويل Turns ratio، و هي النسبة بين التيار الابتدائي و الثانوي Ip/Is أو النسبة العكسية لعدد اللفات Ns/Np وتكون في محولات التيار مثلاً 300/5 أو 600/5...
4. عبء المحول Burden، و هي القيمة المكافئة لمقاومة أجهزة الوقاية أو القياس المتصلة بالملف الثانوي للمحول بوحدات أوم أو فولت أمبير بالإضافة أيضا إلي قدرة الأسلاك النحاس الموصله بين محول التيار و الأجهزة، و لها قيم قياسية هى 2.5, 5, 7.5, 10, 15, 30 VA. 
5. معامل زيادة الحمل المقنن  The rated overload factor or Safty factor or Saturation index، و هو أقصي قيمة للتيار الابتدائي و التي يكون عندها الخطأ في نسبة التحويل أقل من 10% و يعبر عنه بمضاعفات التيار المقنن فمثلاً يكون n<5 و تعني أن عند قيمة التيار الابتدائي أقل من خمس أضعاف التيار الابتدائي المقنن فإن نسبة الخطأ في التحويل أقل من 10%.
6. الخطأ في زاوية الوجة Phase angle error، و هي زاوية صغيرة تنشأ بين التيار الابتدائي و الثانوي و ذلك بسبب تيار الإثارة Excitation cuurent و هو يمثل الفقد في القلب الحديدى كما سيتضح في الدائرة المكافئة للمحول. 
7. الخطأ في نسبة التحويل Turn ratio error