محولات التيار CT مكوناتها،خصائصها،أنواعها، وكيفية تركيبها مع أجهزة الوقاية

محولات التيار CT خصائصها،أنواعها، وكيفية تركيبها مع أجهزة الوقاية

الدرس السابق:متى يتم استخدام المكثفات CVT في قياس الجهد؟

على عكس محولات القوى أو حتى محولات الــ VT فإن ملفات الابتدائي في الــ CT تكون قليلة العدد جدا، ومصنوعة من سلك يتحمل التيارات العالية ملفوفا على Core كما في الشكل التالي.

أو ربما يكون الــ Primary عبارة عن BB سميك أو كابلات Single core تخترق فتحة الـ core المركب عليه لفات الثانوي كما في الشكل أسفله:

وهناك أنواع و أشكال متعددة للـــ CT ،فأحد هذه الأنواع هو الــ Window Type. وهذا النوع من المحولات يتم توصيل كل Phase داخل CT منفصل كما في الشكل أعلاه.

و هناك نوع آخر من الــ CT هو الــ Split Core حيث يمكن في هذا النوع فتح الــ Core ثم غلقه لتمرير سلك الابتدائي كما في الشكل أسفله.

وهناك نوع ثالث يشبه الــ Window type لكن تمر في فتحته الــ Three Phases كلهم، وليس phase one ،ويسمى بالــ Toroidal type كما في الشكل التالي.

وظيفة محول التيار عموما أن يغذى جهاز القياس أو الوقاية بتيار صغير تتناسب قيمته مع التيار الأصلي المار فى الدائرة، ويفضل دائما أن تكون قيمة تيار الجانب الثانوي فى حدود أقل من 5 أمبير فى الأحوال الطبيعية، ويتم ذلك باختيار نسبة تحويل معينة تعرف بــ Turns Ratio ،ولها قيم قياسية أشهرها على سبيل المثال: 5/100 - 5/200 - 5/300 ،حتى تصل إلى أقصى قيمة عمليا و هى 1:3000..

1- كيفية توصيل محولات التيار مع أجهزة الوقاية

فى بعض الأحيان يتم توصيل الملف الثانوي مباشرة إلى الــ Relay ،بمعنى استخدام تيار الثانوي مباشرة ليمر فى ملف جهاز الوقاية كما فى الشكل التالي وهذا كان الأصل فى أجهزة الوقاية الإلكتروميكانيكية. وفى أحيان أخرى يتم توصيل مقاومة صغيرة جدا بين طرفي الملف الثانوي – تصل إلى جزء من عشرة من الأوم – وينشأ عليها جهد يتناسب مع قيمة التيار المار فى الملف الثانوي للــ CT ،كما فى الشكل التالي. وهذا الأسلوب يستخدم غالبا مع أجهزة الوقاية الرقمية والتى تحتاج إلى تحويل التيار إلى جهد تمهيدا لتحويله الى Digital Numbers بواســـطة A/D Converter.

و الشكل الحقيقي لمحولات التيار فى المحطات Outdoor يظهر فى الشكل التالي. لاحظ أن الــ CT يقطع الخط لأنه يجب أن يوصل على التوالي على عكس الــ VT الذي ظهر في الشكل (الدرس السابق) والذى يوصل على التوازى وبالتالي لم نحتج لقطع الخط.

ويتم توصيل طرفي الملف الابتدائي فى محولات التيار على التوالي داخل الدائرة المراد قياس تيارها كما في الشكل أسفله (الأيمن)، فى حين يوصل جهاز الوقاية/القياس بين طرفي الملف الثانوي محول التيار.

2-النظرية الأساسية لمحول التيار

من المعروف أن تيار الثانوي يتناسب مع تيار الابتدائي طبقا للنظرية العامة للمحولات، بمعنى أن

Ip =Is*Ns/Np=Is*N

جيت N هي النسبة بين عدد لقات الملف الثانوي الى عدد لفات الملف الابتدائي وهي التي تسمى ب Turns Ratio.

وعند توصيل محول تيار إلى جهاز ما للوقاية أو للقياس وبفرض أن لهذا الجهاز معاوقة Burden قيمتها ZB كما في الشكل أسفله ،فإن التيار المار بالابتدائي سوف ينشأ فيضا مغناطيسيا قيمته تساوى (ϕ=B*A) وهذا الفيض سيتسبب في ظهور جهد بين طرفي الثانوي يرمز له بالرمز ES .و أقصى قيمة لهذا الجهد تعرف بــ EK Knee-point Voltage ، وتحسب من العلاقة 1-2. Eq

Eq. 2-1: Es = EK = 4.44 × N× F× A × B

وإذا استخدمت الوحدات الأمريكية فستتغير الصورة قليلا لتصبح كالتالى:

Eq. 2-1: ES = 4.44 ×F ×A ×N× Bmax × 10-8

حيث:

A هى مساحة مقطع القلب الحديدي للمحول (in2)

F التردد (50 Hz)

N هى Turns Ratio

Bmax كثافة الفيض lines/in²

ملحوظة:

إذا استخدمت وحدات m² لمساحة Wb/m² لكثافة الفيض فستحصل على Es بالفولت دون الضرب في (8-)10.

حيث F هى التردد ويقاس بالهرتز Hz ،وN هى نسبة التحويل، و B هى كثافة الفيض فى القلب الحديدي وتقاس بــ ( Tesla=Wb/m²) و A هى مساحة مقطع القلب الحديدي وتقاس بــ m².

والجهد ES يتسبب فى مرور تيار IS خلال جهاز الحماية الذى له معاوقة Zb .وبالتالي يظهر على طرفي جهاز الحماية/القياس جهد قدره Vo/p يساوى حسب 2-2. Eq:

Eq. 2-1: Vo/p=IsZb=Es-IsRct

حيث RCT تمثل المقاومة المكافئة لأسلاك محول التيار المستخدم، وقد يضاف لها مقاومة أسلاك التوصيل RL.

3- تأثير تيار الــ Magnetization في محولات التيار

كثيرا ما يتم التعبير عن أداء محولات التيار بدلالة قيم تيارات الدخول والخروج فقط، فالمحول 5/100 يسحب في جانبه الابتدائي 100A ،و يتولد في الثانوي 5A .وهذا الكلام يقبل نظريا فقط!!. لأن الواقع أن هناك تيار ثالث سيمر في المحول ويظهر في الجانب الابتدائي فقط هو الــ current magnetization .ويسمى أيضا Excitation currents، وهذا التيار هو المسئول عن توليد الفيض في القلب الحديدي.

وهذا الــ magnetization current هو تيار non linear وفيه تشوه Distortion بدرجة عالية كما في الشكل التالي (لاحظ أن تيار الثانوي ليس Sin wave مثل تيار الابتدائي)، ويتسبب هذا التشوه في حدوث مشكلتين:

1 -حدوث error في النسبة الفعلية بين تيارى الابتدائي و الثانوي
2 -حدوث phase shift فى الزاوية بين التيارين.

ونسبة الــ Error غالبا تكون صغيرة طالما أن التيار في حدود الــ rated current ،لكن المشكلة أن هذا الخطأ تزيد نسبته كلما زاد التيار المسحوب فوق الــ Rated value (أثناء حدوث العطل مثال).

4- ما المقصود بمصطلح الــ Burden ؟

يعرف الـ Burden بأنه قيمة الـ load مقاسة بالــ VA ،أو قيمة المعاوقة الموجودة فى دائرة الجانب الثانوي للمحول مقاسة بالأوم. و هذا التعريف يصلح لمحولات الجهد ومحولات التيار معا لكن مع محولات الجهد يعرف بقيمة الــ load-VA ،أما في محولات التيار فيعرف الــ Burden بالــمقاومة الموجودة فى دائرة الملف الثانوي للمحول.

ولكن بالطبع هما متكافئان ويمكن استنتاج أحدهما بدلالة الآخر، فعلى سبيل المثال فمحول التيار الذى يتحمل Burden قدره VA 12,5 وتياره الطبيعي فى الثانوي يساوى 5A يمكنه فى الواقع تحمل توصيل Burden قدره:

ZB = VA / I² = 12.5 /25 = 0.5 OHM

لاحظ أنه عند إضافة جهاز جديد إلى الــ CT Secondary فهذا يعنى معاوقة جديدة تضاف على التوالي،لأن الأجهزة تضاف على التوالي في خرج الــ CT وليس على التوازى كما في الشـــــــــــــــكل أسفله

وكلما زاد الــ Burden كلما احتاج الــ CT إلى سحب تيار أكبر من المصدر وبالتالي يحتاج إلى magnetization current أعلى ليحصل على فيض أكثر في القلب وهذا يعنى مزيدا من التشوه في تيار الــ Secondary ومزيدا من الانخفاض في دقة القياس (لأننا دخلنا أكثر إلى منطقة الــ Saturation) ولذا لا يجب وضع أكثر من جهاز على نفس الــ CT سوى بحذر وبحساب.

أما في وجود حمل واحد فقط، فإن احتمال الدخول في الــ Saturation يكبر كلما كان الــ Burden الموضوع على أطراف الــ CT كبيرا بفرض ثبات التيار المسحوب كما في الشكل التالي:

تأثير معاوقة جهاز الحماية على احتمالية تشبع محول التيار

وبصفة عامة فالــ Burden من النقاط الهامة التى لابد أن تؤخذ فى الاعتبار عند اختيار محول التيار، و هى تشمل: قيمة مقاومة الأسالك + مقاومة جهاز الوقاية نفسه. وعلى ضوء قيمة هذه المعاوقة التى يراها محول التيار فى دائرة الملف الثانوي له فإننا يمكننا تحديد إلى أى مدى يمكن استخدام هذا المحول فى مجال القياسات العامة Measurements أو مجال الوقاية.

يلاحظ أنه كلما كان جهاز الوقاية يمثل Low burden (أي مقاومة صغيرة) على محول التيار كلما كان ذلك أفضل، لأننا لن نحتاج فى هذه الحالة إلى محول ذى قدرة عالية. وهذه إحدى الميزات العديدة لأجهزة الوقاية الرقمية لأنها تمثل low burden مقارنة بأنواع أجهزة الوقاية التقليدية (Electromagnetic or Static Relays).

ملاحظة هامة:

تأثير توصيل أكثر من جهاز على التوازى في حالة الــ VT يتشابه نوعا ما مع الــ CT ،وذلك لأن الأجهزة المضافة توصل على التوازى في الــ VT وبالتالي فالمعاوقة الكلية تصغر، وبالتالي فالتيار المسحوب من الابتدائي سيكبر، ولكن هذا سيقلل أيضا من الدقة.

5- منحنى المغناطيسية Magnetization curve

من المعروف أن لكل CT منحنى مغناطيسية خاص به يوضح العالقة بين الجهد الذى ينشأ فى الملف الثانوي والتيار المسبب للفيض،وهو التيار المعروف بـ Excitation Current Ie ،أو الــ magnetization current . وهذا التيار يمثل جزءا صغيرا من التيار المتولد فى الجانب الثانوي، وهو يسحب داخل المعاوقة الداخلية لمحول التيار Ze التى تظهر ضمن الدائرة المكافئة لمحول التيار فى الشكل التالي .لاحظ أن جهاز الوقاية/القياس المركب بين طرفي الثانوي يسحب الجزء الأكبر من تيار الثانوي.

الدائرة المكافئة لمحول التيار

هام: لاحظ في الشكل السابق أنه عند حدوث تشبع فإن معدل تغير الفيض سيساوى صفر تقريبا وهذا يعنى أن X التي ظهرت في الشكل السابق ستصبح Short كما في حالة الــ DC ويمر كل التيار خلالها فيرتفع قيمة Current Excitation وينخفض قيمة التيار المار في الحمل. وهذا ما يفسر أن أثناء التشبع ينخفض التيار في الثانوى بشدة وقد يصل إلى الصفر.

ويعرف منحنى المغناطيسية الذى يظهر فى الشكل التالي بــ Magnetization Curve، أو Excitation Curve .وتوجد عليه نقطة Knee-point ،وتسمى نقطة الانقلاب.

وتعرف هذه النقطة طبقا للـ IEC (International Electrotechnical Commission) بأنها النقطة التى تتسبب فى زيادة قدرها 10 %فى قيمة الجهد Es نتيجة ارتفاع قيمة التيار Ie بمقدار 50%. بمعنى آخر، أنها وهى النقطة التى يبدأ بعدها CT فى دخول مرحلة ما يسمى بالـ Saturation .وأغلب محولات التيار يجب أن تعمل فى المنطقة الخطية قبل هذه النقطة حتى لا يحدث تشبع للمحول كما سيتضح لاحقا.

منحنى المغناطيسية فى محولات التيار

وأفضل أنواع الــ CT هو ما يعرف بــ Class-C حيث يكون الفيض المتسرب من قلب هذا المحول أقل ما يمكن، ودقة هذا المحول تساوى +/- %10 تقريبا.

ومن الشكل أسفله الذى يمثل منحنى حقيقى يمكن معرفة المقاومة الداخلية للمحول والتي تستخدم كثيرا في حسابات التصميمات، على سبيل المثال فإن المحول 5:1200 ClassC له مقاومة داخلية قدرها Ω 0,61 كما هو واضح من الجدول الداخلى أقصى يسار الشكل.

والأهم من ذلك هو معرفة قيمة الجهد الذى تنتهى عنده المنطقة الخطية لكل نوع، فمثال محول التيار CT 5:100 يمكن استخدامه طالما الجهد بين طرفيه (جهة الثانوي) في حدود 20V فإذا مر تيار عطل وتسبب في ظهور جهد أعلى من ذلك فهذا يعنى أن المحول سيدخل منطقة التشبع.

6- ما معنى CT Class C / 400V ؟

معنى الــ 400V هو أن هذه أقصى قيمة تظهر بين طرفي الــ CT فى وجود الــ Burden وتظل الدقة فى حدود +/- %10 .وهذا يعنى أنه تيار العطل يمكن أن يزيد بحد أقصى أن ينشأ في الثانوي جهدا لا يزيد عن 400 فولت، فإذا كان الــ Burden لا يتجاوز 1 أوم فهذا معناه أن تيار العطل يمكن أن يصل إلى 400 أمبير وتظل الدقة في الحدود المسموح بها. أما إذا كان الــ Burden مثال 4 أوم فهذا يعنى أن محول التيار في هذه الحالة يمكن استخدامه بحد أقصى 100 أمبير فقط فى الثانوي حتى يظل الجهد في حدود الــ .400V

C400 and C800 ،C200 ،C100 ،C50 ،C20 ،Typical C classes are: C10

لاحظ أنه عند تركيب أكثر من جهاز على نفس محول التيار فإنهم يوصلون على التوالي كما في الشكل التالي ،وليس على التوازى كما هو الحال فى محولات الجهد.

مدونة الالكتروميكنيك