محول التيار

محول التيار هو عبارة عن جهاز يستخدم لقياس شدة التيار المتردد.^[1] وهناك أكثر من طريقة لتصميم المحول و يستخدم كأحد المحولات التي تغذي أجهزة القياس و العدادت الكهربائية (عداد كهرباء) أو أجهزة الوقاية الكهربائية.^[2]

يتكون محول التيار المتناوب من جانبين ابتدائي و ثانوي:^[3]
الجانب الابتدائي : يتكون من عدد قليل من الحلقات يمر به التيار المتردد المرتفع القيمة.
الجانب الثانوي : يحتوي بالعادة على عدد كبير من اللفات (الحلقات) حول قالب الحديد .

التيار الناتج في الجانب الثانوي يكون أقل من التيار في الجانب الابتدائي حسب نسبة عدد اللفات في القسمين وحسب قيمة التيار الرئيسي وهو بالعادة أقل بكثير من الرئيسي حتى يتمكن من قياسه . التيار الفرعي يكون له انزياح زاوي عن الرئيسي أيضا .

: ${\frac {n1}{n2}}\,$ Is=Ip

حيث

Ip هو تيار الابتدائي .
Is هو تيار الثانوي .

محولات التيار[عدل]

وظيفة محول التيار أن يغذي جهاز القياس أو الوقاية بتيار صغير تتناسب قيمته مع التيار الأصلي المار في الدائرة، ويفضل دائما أن تكون قيمة تيار الجانب الثانوي في حدود أقل من 5 أمبير في الأحوال الطبيعية، ويتم ذلك باختيار نسبة تحويل معينة تعرف ب (turns ratio) . ولها قيم قياسية أشهرها على سبيل المثال ( 5 : 100 ) , ( 5 : 200 ) , ( 5 : 300 ) . حتي تصل إلى أقصى قيمة عمليا وهي ( 1 : 3000 ) .

وأحد أهم الفروق التي تميز محول التيار عن محولات القوى أو محولات الجهد أن الملف الابتدائي له يدخل على التوالي في الدائرة المراد قياس تيارها.^[4]

توصيل محولات التيار مع أجهزة الوقاية[عدل]

في بعض الأحيان، يتم توصيل الملف الثانوي مباشرة إلى الريلاي ( Relay ) , بمعنى استخدام التيار الثانوي مباشرة ليمر في ملف جهاز الوقاية. وفي 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 في الملف الثانوي لمحول التيار ( CT ).

وهذا الأسلوب يستخدم غالبا مع أجهزة الوقاية الرقمية والتي تحتاج إلى تحويل التيار إلى جهد تمهيدا لتحويله إلى أرقام رقمية ( Digital numbers ) بواسطة محول (A / D converter ).

مكان تركيب محول التيار[عدل]

وبالنسبة لمكان توصيل محول التيار في الشبكة ففي الغالب بالنسبة للخطوط على سبيل المثال :

يتم توصيل محول التيار الخاص بوقاية الخطوط بين قضيب التوصيل وبين قاطع الدائرة .
يتم توصيل محول التيار الخاص بوقاية قضيب التوصيل بعد قاطع الدائرة .

وهذا الترتيب يؤمن أعلى درجة من درجات الحماية، وضمان عدم وجود أي نقطة غير محمية في هذه المنطقة .

الاستخدام[عدل]

محول تيار يستخدم كجهاز قياس لمصدر تيار ثلاثي الأوجه 400 أمبير

يستخدم محول التيار في التطبيقات التالية :

أجهزة الوقاية .
أجهزة القياس والتحكم .

ومن المهم التأكد على أن محولات التيار المستخدمة مع أجهزة الوقاية تتميز بقدرتها على العمل بدقة في مدى واسع للتيار، لأن تيارات الأعطال متغيرة القيمة بشكل واسع .
على عكس محولات التيار المستخدمة في أجهزة القياس حيث يكون لها مدى محدود للدقة المطلوبة .

النظرية الأساسية لمحول التيار[عدل]

يتم توصيل طرفي الملف الابتدائي في محولات التيار على التوالي داخل الدائرة المراد قياس تيارها , في حين يوصل جهاز الوقاية / القياس بين طرفي الملف الثانوي ومحول التيار .

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

$n={\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {-N_{\text{P}}}{-N_{\text{S}}}}$

${\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {I_{\text{S}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}={\sqrt {\frac {L_{\text{P}}}{L_{\text{S}}}}}=n$ .

حيث

V_p هو جهد الابتدائي

V_s هو جهد الثانوي

I_p هو تيار الابتدائي

I_s هو تيار الثانوي

n هي النسبة بين عدد لفات الملف الثانوي إلى عدد لفات الملف الابتدائي، وهي تسمي ب ( turns ratio ) .

وعند توصيل محول تيار إلى جهاز ما للوقاية أو للقياس له معاوقة Z , فإن التيار المار بالابتدائي سوف ينشأ فيضا مغناطيسيا ينتج عنه ظهور جهد EMF بين طرفي الثانوي يرمز له بالرمز Es , وهو الذي يتسبب في مرور تيار Is . وبالتالي يظهر على طرفي جهاز الحماية أو القياس جهد قدره Vo يساوي

$Z'_{\text{L}}={\frac {V_{\text{P}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {aV_{\text{S}}}{I_{\text{S}}/a}}=a^{2}{\frac {V_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}=a^{2}{Z_{\text{L}}}$ .

وهذا الجهد الناشئ بين طرفي الملف الثانوي يتناسب طرديا مع معدل تغير الفيض , بمعنى أن :

$V_{\text{S}}=-N_{\text{S}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}$

$V_{\text{P}}=-N_{\text{P}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}$

ومن المعروف أن الفيض اللازم لينشأ Es يساوي :

$E_{\text{rms}}={\frac {2\pi fNaB_{\text{peak}}}{\sqrt {2}}}\approx 4.44fNaB_{\text{peak}}$

حيث :

B هي كثافة الفيض في القلب الحديدي .

A هي مساحة مقطع القلب الحديدي .

منحنى المغناطيسية[عدل]

من المعروف أن لكل محول تيار منحنى مغناطيسي خاص به يوضح العلاقة بين فرق الجهد الذي ينشأ في الملف الثانوي والتيار المسبب للفيض , وهو التيار المعروف ب Ie . وهذا التيار يمثل جزء صغير من التيار المتولد في الجانب الثانوي، وهو يسحب داخل المعاوقة الداخلية لمحول التيار Ze التي تظهر ضمن الدائرة المكافئة لمحول التيار. ودائما ما يسحب جهاز الوقاية / القياس المركب بين طرفي الثانوي الجزء الأكبر من تيار الثانوي.^[5]

ويوجد على منحنى المغناطيسية نقطة هامة تسمى نقطة الانقلاب ( knee point ) . وتعرف هذه النقطة طبقا لل IEC بأنها النقطة التي تتسبب في زيادة قدرها 10 % في قيمة الجهد Es نتيجة ارتفاع قيمة التيار Ie بمقدار 50 % .
وبمعني آخر، هي النقطة التي يبدأ بعدها محول التيار في دخول مرحلة التشبع، وأغلب محولات التيار يجب أن تعمل في المنطقة الخطية قبل هذه النقطة حتى لا يحدث تشبع للمحول.

مشكلة التشبع[عدل]

من المعروف أن التيار الكهربي المتردد مصاحب دائما بفيض مغناطيسي متردد يتناسب طرديا معه، وبالتالي كلما زاد التيار زاد الفيض . ومشكلة التشبع تحدث مع الزيادة الكبيرة في قيمة التيار ( أي عند حدوث عطل ) , حيث يتسبب ذلك في نشوء فيض عالي جدا لا يستطيع القلب الحديدي تحمله فيحدث له ما يسمى بالتشبع.^[6]

والقلب الحديدي في هذه الحالة يشبه طريق كبير يمر فيه عدد من السيارات , لكن الطريق له قدرة إستيعابية محددة فإذا زاد عدد السيارات به فإن المرور حتما سيتوقف ونقول بأن الطريق قد حدث له تشبع، وهذا تماما ما يحدث في القلب الحديدي حيث يتسبب التشبع في توقف زيادة الفيض العالي، وبالتالي تثبت قيمة الفيض على قيمة معينة ثابتة ( حد التشبع ) بمعنى أن «معدل التغير» في الفيض قد أصبح صغيرا، وبالتالي لا ينشأ أي تيار في الملف الثانوي ( يصل تقريبا إلى الصفر ) .

ويعتبر النقص التدريجي في مركبة التيار المستمر ( DC component ) هي أحد العوامل الأساسية في تشوه قيمة تيار الثانوي مقارنة بالتيار الابتدائي وتتوقف قيمتها عى لحظة القفل وعلى قيمة المقاومة R والمعاوقة X الموجوده في الدائرة .
بينما تتوقف مدة بقائها على قيمة المقاومة R والمعاوقة X فقط .

مشكلة فتح دائرة الثانوي[عدل]

عند توصيل مصدر كهربي على الجانب الابتدائي فإنه ينشأ قوة دافعة مغناطيسية mmf , تقوم بدفع الفيض في القلب الحديدي، ثم يقطع هذا الفيض ملفات الثانوي فينشأ فيه تيار ثانوي، ثم يقوم التيار الثانوي بتوليد mmf جديدة ومعاكسة لتلك الموجودة في الابتدائي .

وفي حالة فتح دائرة الثانوي في محول التيار، فلن تنشأ أي mmf مضادة لتلك المتولدة في الابتدائي، وبالتالي تكون كل mmf في الابتدائي مركزة على القلب فقط، ويظهر جهد عالي على أطراف المحول بسبب مرور كل تيار الابتدائي المعاوقة الموازية Ze . وهذا الجهد العالي يمثل خطورة ليس فقط على المحول وإنما على الأشخاص المتعاملين مع هذة المحولات في حالة صيانتها كمثال .

ولذا فإنه من الضروري أن يتم نزع جهاز الوقاية من الجانب الثانوي لمحول التيار لأي سبب من الأسباب، ويلزم أن يستبدل الجهاز بدائرة قصر short cicuit على أطراف الثانوي للمحول . وبالتالي يظل هناك تيار في الثانوي وتظل هناك mmf معاوقة لتلك الموجودة في الابتدائي، فلا يرتفع الجهد على أطراف محول التيار .

تأثير الحمل[عدل]

يتم تعريف الحمل على أنه قيمة load الموجودة في دائرة الجانب الثانوي للمحول ( هذا التعريف يصلح لمحولات الجهد ومحولات التيار معا ) . وأحيانا ( خاصه مع محولات التيار ) يشار إليه على أنه قيمة الحمل أو المعاوقة الموجودة في دائرة الملف الثانوي للمحول .

وفي الغالب يعرف الحمل لمحول التيار بالفولت أمبير وليس بالأوم , ولكن بالطبع هما متكافئان ويمكن إستنتاج أحدهما بدلاله الآخر . فعلى سبيل المثال :

محول التيار الذي يتحمل حمل قدرة 12.5 فولت أمبير وتياره الطبيعي في الثانوي يساوي 5 أمبير , يمكنه في الواقع تحمل توصيل حمل قدره 0.5 أوم . بقسمة القدرة على مربع التيار .

وبصفة عامة فإن الحمل من النقاط الهامة التي يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار عند اختيار محول التيار . وهي تشمل :

مقاومة الأسلاك .
مقاومة جهاز الوقاية .

وعلى ضوء قيمة هذة المعاوقة التي يراها محول التيار في دائرة الملف الثانوي له فإنه من الممكن تحديد إلى أي مدى يمكن استخدام هذا المحول في مجال القياسات العامة أو مجال الوقاية .

وكلما كان جهاز الوقاية يمثل حمل صغير كلما كان ذلك أفضل، لأننا لن نحتاج في هذة الحالة إلى محول ذي قدرة عالية . وهذة إحدى الميزات العديدة لأجهزة الوقاية الرقمية ( أنها تمثل حمل صغير مقارنة بأنواع أجهزة الوقاية التقليدية ) .

توصيف محولات التيار[عدل]

من أهم الكميات التي يجب توصيفها بدقة مع محول التيار:^[7]

الحمل ويعرف بالفولت أمبير ( VA ) والقيم التالية تعبر عن أشهر القيم المستخدمة : ( 2.5 , 5 , 7.5 , 10 , 15 , 30 ) فولت أمبير .
أقصى تيار يتحملة وغالبا يشار إلى أقصى تيار في الجانب الابتدائي .
أقصى تيار في مدة وجيزة وغالبا يشار إلى تيار الثانوي، وتكون المدة المحسوب عليها أقصى تيار تتراوح بين نصف ثانية وثلاث ثوان .
تيار الثانوي المقنن وغالبا ما يكون 1 أو 2 أو 5 أمبير . وإذا زادت المسافة بين محول التيار وبين أجهزة الحماية عن 30 متر فإننا نستخدم تيارا ثانويا يساوي 1 أمبير .
نسبة التحويل وأقصاها عمليا هي 1 : 3000 , وبالطبع هناك قيم أصغر من ذلك .
النوع ومن أشهر الأنواع المستخدمة في الوقاية 10P , 5P بالإضافة إلى class X الذي يستخدم غالبا مع أجهزة الوقاية التفاضلية وذلك طبقا للمواصفات البريطانية BS . وكلما كانت الدقة المطلوبة عالية، كلما كان الجهاز المستخدم برقم أصغر .

لدى IEC مسميات أخرى وهي TPX , 10P , 5p , TPZ , TPY .

معامل التشبع فهي المقياس لأقصى تيار يمر في الجانب الابتدائي دون أن تتأثر دقة القراءة في الجانب الثانوي .

وبمعني آخر هو أقصى تيار يمر في الابتدائي قبل أن يتشبع القلب، ويتشوه تيار الثانوي .

الاختبارات الأساسية لمحول التيار[عدل]

هناك ثلاثة اختبارات أساسية ^[8] يجب إجراؤها قبل البدء في إدخال محولات التيار في الخدمة وهي:^[9]

اختبار القطبية .
اختبار قيمة نسبة التحويل .
اختبار منحني المغناطيسية .

اختبار قيمة نسبة التحويل[عدل]

ويعتبر اختبار نسب التحويل هو أسهل هذة الاختبارات حيث يوصل جهد على أحد الجانبين ويقاس الجهد الناتج في الجانب الآخر بغرض التأكد من دقة التحويل وعندها نقول أن الثانوي يمثل بصدق ما يحدث في الابتدائي .

اختبار القطبية[عدل]

للتأكد من صحة القطبية قبل توصيل محول التيار يمكن إجراء اختبار فليكر ( flicker Test ) حيث يتم توصيل فولتميتر بين طرفي الثانوي لمحول التيار، بينما توصل بطارية جهد 6 فولت بين طرفي الابتدائي . فعند توصيل البطارية في الدائرة ينحرف مؤشر الفولتميتر إلى الجهة الموجبة، وعند فصل البطارية ينعكس في الاتجاه الآخر، وبذلك يتم معرفة الطرف الموجب من الطرف السالب .

اختبار منحني المغناطيسية[عدل]

ويحتاج هذا الاختبار إلى جهاز جهد متغير ( Variac ) مع أجهزة لقياس التيار والجهد . ويتم تغذية أطراف الجانب الثانوي بالجهد المتغير من الفارياك مع قياس التيار الذي ينشأ في الجانب الثانوي، علما بأن الجانب الابتدائي يظل مفتوحا بدون أي حمل أثناء الاختبار .

ويبدأ الاختبار بزيادة تدريجية للجهد حتي نصل إلى نقطة عندها تتسبب أي زيادة طفيفة في الجهد في زيادة ضخمة في التيار، وهي ما تسمي بنقطة الانقلاب . وعندها يبدأ تسجيل القراءات حيث يتم خفض قيمة الجهد تدريجيا وتسجيل قيم التيار المقابلة لكل قيمة من قيم الجهد ورسم المنحنى . مع التأكد من وصول الجهد إلى صفر في النهاية للتأكد من حدوث نزع للمغنطة الموجودة في القلب .

انظر أيضا[عدل]

المصادر[عدل]

^ Instrument transformers نسخة محفوظة 17 ديسمبر 2019 على موقع واي باك مشين.
^ current trasnformer نسخة محفوظة 18 نوفمبر 2017 على موقع واي باك مشين.
^ Introduction to Current Transformers نسخة محفوظة 6 مارس 2016 على موقع واي باك مشين.
^ CT's or Current Transformers and Ammeters نسخة محفوظة 13 نوفمبر 2019 على موقع واي باك مشين.
^ Current transformers نسخة محفوظة 13 سبتمبر 2016 على موقع واي باك مشين.
^ transformer saturation نسخة محفوظة 21 سبتمبر 2017 على موقع واي باك مشين.
^ Protective Relays Application Guide, (The General Electric Company Limited of England, 1975) pages 78-87
^ Current Transformer working نسخة محفوظة 17 ديسمبر 2019 على موقع واي باك مشين.
^ Testing Current Transformers نسخة محفوظة 14 مايو 2015 على موقع واي باك مشين. ^{[وصلة مكسورة]}

في كومنز صور وملفات عن: محول التيار

[1] Instrument transformers نسخة محفوظة 17 ديسمبر 2019 على موقع واي باك مشين.

[2] urrent trasnformer نسخة محفوظة 18 نوفمبر 2017 على موقع واي باك مشين.

[3] Introduction to Current Transformers نسخة محفوظة 6 مارس 2016 على موقع واي باك مشين.

[4] CT's or Current Transformers and Ammeters نسخة محفوظة 13 نوفمبر 2019 على موقع واي باك مشين.

[5] Current transformers نسخة محفوظة 13 سبتمبر 2016 على موقع واي باك مشين.

[6] transformer saturation نسخة محفوظة 21 سبتمبر 2017 على موقع واي باك مشين.

[7] Protective Relays Application Guide, (The General Electric Company Limited of England, 1975) pages 78-87

[8] Current Transformer working نسخة محفوظة 17 ديسمبر 2019 على موقع واي باك مشين.

[9] Testing Current Transformers نسخة محفوظة 14 مايو 2015 على موقع واي باك مشين. ^{[وصلة مكسورة]}

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

وصلة مكسورة

ع ن ت محول
الأنواع	Amorphous metal transformer محول أوستن محول ذاتي Buck–boost transformer Capacitor voltage transformer Distribution transformer محول دلتا ستار محول طاقة كفء Flyback transformer Grounding transformer ترانسفورمر بتي بوتنشيل ^{[لغات أخرى]}‏ محول التيار Potential transformer Isolation transformer محول تفاضلي متغير خطي Pad-mounted transformer بارافورمر Planar transformers Rotary transformer المحول التفاضلي المتغير الدوار Scott-T transformer Solid-state transformer Trigger transformer Variable-frequency transformer Zigzag transformer
الملفات	Hybrid coil ملف حث Oudin coil الوشيعات متعددة الأطوار ملف التكرار ملف تسلا Trembler coil
الموضوعات	المحول الكهربيولجى وحدة اتزان الهاتف مرحل بوخلز جلبة كهربائية Center tap مخطط دائرة (كهرباء) Condition monitoring of transformers فقد النحاس تحليل الغازات المذابه ^{[لغات أخرى]}‏ Electrical insulation paper الجرولر (أداة كهربية) High-leg delta Induction regulator Leakage inductance سلك مغناطيسي Metadyne اختبار اللاحمل Polarity ثنائي الفينيل متعدد الكلور Quadrature booster Resolver خاصية الرنين الكهربائية Severity factor اختبار دائرة القصر معامل الحزم Synchro مأخذ الجهد Toroidal inductors and transformers Transformer oil Transformer oil testing مقوم Vector group
الشركات المنتجة	إيه بي بي برولك جنرال إلكتريك سيمنز تبيا