11. وقاية النظم الكهربية (محولات القياس Instrument Transformers)

1- مقدمة :

بعد دراسة وتحليل نظم القوي تحت ظروف الأعطال المختلفة والتى تتنوع من ظروف الأعطال المتماثلة ذات الثلاث الأوجه والأعطال الغير التماثلة , ونتائج هذه الدراسة والتحليل تستخدم كأساس لتحديد الظروف التى تطرأ على النظام خلال الأعطال وذلك حتى يمكن اتخاذ الفعل اللازم لمنع حدوث مثل هذه الأعطال وفى حالة حدوث الأعطال يتم اتخاذ الفعل الضروري لتقليل آثار الأعطال التدميرية و لتقليل انقطاع التغذية الكهربية .


وبصورة عامة يمكن تعريف نظم  الحماية بأنها نظم تعمل على مراقبة نظام القوي الكهربي باستمرار حتى يتم التأكد من حدوث أقصي استمرارية لنقل القوي الكهربية مع أقل خطر على حياة الإنسان أو المعدات .


ودوائر نظم الحماية تكون معزولة عن دوائر القوي الكهربية , ولذلك يتم تغذيتها  من محولات قياس من نوع محول تيار (C.T) ومحول الجهد (P.T) , ومحولات القياس بدورها تعطي المتغيرات المقاسة لنظام الوقاية والذي بدوره يكتشف حدوث العطل ويرسل إشارة إلي جهاز قطع الدائرة (C.B) حتى يفصل الجزء المصاب بالعطل  فقط إن أمكن من النظام .


ويتم تقسيم نظام القوي الكهربي إلى مناطق يتم حمايتها وهي كالآتي :

- منطقة المولدات 

- منطقة المحولات 

- منطقة القضبان 

- منطقة دوائر النقل والتوزيع 

- منطقة المحركات 


والتقسيم إلى هذه المناطق يضمن نظام وقاية مناسب , مما يقلل احتمالية قطع الخدمة إلى أقل وقت ممكن ، وشكل (1) يعطي رسم أحادي الطور لجزء من نظام القوي الكهربي مع تقسيمه إلى مناطق للحماية مع ملاحظة أن كل منطقة تتداخل مع المنطقة المجاورة لتجنب وجود مساحات غير محمية ,  والتى يطلق عليها (مناطق عمياء ) وتوصيلات محولات قياس التيار تحقق هذا التداخل وشكل (2) يعطي أثنين من النظم المحتمل استخدامها مع ملاحظة أن حدوث عطل فى منطقة محولات قياس التيار  المشتركة سيعمل على تشغيل القواطع فى كلا المنطقتين .

شكل (1) : المناطق التقليدية للوقاية لجزء من نظام قوي كهربي

شكل (1) : المناطق التقليدية للوقاية لجزء من نظام قوي كهربي


شكل (2) : التداخل حول قاطع الدائرة

شكل (2) : التداخل حول قاطع الدائرة




2- محولات القياس   Instrument Transformers

يتم استخدام هذه المحولات في قياس الجهد و التيار الكهربي في شبكات القدرة العالية و الجهد العالي و توصيل الاشارات الناتجة الي دوائر المرحلات ذات التيار الخفيف. و بالاضافة الي ذلك :

  1. عزل ملفات المرحلات عن دائرة الجهد العالي 

  2. تغذية قيم قياسية للتيار والجهد للمرحلات على سبيل المثال واحد وخمسة أمبير للتيار ، 110 و120 فولت للجهد وبذلك تسمح بمرحلات قياسية لأي نظام قوي .


2-1  محولات التيار Current Transformer

تركيب المحول Construction   

يوجد نوعان رئيسيان من هذه المحولات :

  • محول ذي لفة واحدة للملف الابتدائي Single term for

  • محول ذي بضعة لفات للمحول الابتدائي  Multi turn wound primary

وتوصل الملفات الابتدائية على التوالي في الدائرة ويجب أن تعزل الملفات لمقاومة الجهد إلى الأرض Voltage to earth ويمثل شكل رقم (1) رسم تخطيطي لمحول تيار الجزء (a) والجزء (b) يمثل رسم رمزي بكيفية توصيل المحول في الدائرة .


 قلب المحول Core 

غالبًا ما يكون حلقي المقطع ومصنوع من شرائح من الصلب المسحوب على البارد Cold soled grain oriented steel أو من سبيكة من النيكل والحديد . أو قد يكون مقطع القلب على شكل مستطيل .كذلك قد يكون المحول من نوع محول مغلف Shell type .


الملفات والعزل  Winding & insulation

أ- الملفات الابتدائية : وتكون على شكل edge wound copper ship  وذلك لمقاومة القوي الكهرومغناطيسية والتى تنتج من التيارات عالية القيمة وتعزل حلقات الملف بالتغطية بمادة عازلة resinous materials  .

ب- الملفات الثانوية : تتكون من أسلاك من النحاس ذات مقطع دائري أو مستطيل وتعزل بشرائط من الورق المضغوط أو القماش أو المواد العازلة الأخرى .


تقسيمات محول التيار طبقًا للتوصيلات الكهربية :

يبين شكل (3) محول ذي نسبة  واحدة  Single ratio وله ملف ابتدائي وملف ثانوي فقط .

محول ذي نسبة  واحدة  Single ratio وله ملف ابتدائي وملف ثانوي فقط


شكل (3)

1.محول ذو ثلاثة أسلاك ، حيث يقسم الملف الابتدائي إلى جزئين متساوين معزولين تمامًا وغالبًا يستخدم هذا المحول في قياس القدرة الكهربية لنظام أحادي الوجه ذي ثلاث أسلاك وفى نظم القوي ذات الجهد المنخفض شكل (4).

محول ذو ثلاثة أسلاك


شكل (4)


2. محول ذو ملف ابتدائي توالي وتوازي Series parallel primary transformer  ، وفيه يقسم الملف الابتدائي إلى قسمين متماثلين أو أكثر يتم توصيلهما على التوالي أو التوازي (شكل 5) وذلك لإنتاج نفس قيمة تيار لفة camper turn  في الدائرة الثانوية.

 ج)  محول ذو ملف ثانوي مجزئ Tapped secondary transformer  ، ( شكل رقم 6) ويستخدم عند الاحتياج إلى اشارتان للتيار في الدائرة الثانوية مع الأخذ في الاعتبار أن اشارة واحدة فقط تستخدم في الوقت المعين والأطراف الأخرى تبقي مفتوحة ويلاحظ أن ذلك سوف يؤثر على الدقة عن حالة استخدام الملف الثانوي بأكمله .

محول ذو ملف ابتدائي توالي وتوازي Series parallel primary transformer


شكل (5)



محول ذو ملف ثانوي مجزئ Tapped secondary transformer

شكل (6)

د) محول ذو عدة ملفات ثانوية  Multiple secondary transformer  ، ( شكل رقم 7) ويستخدم في حالة ضيق المكان حيث يتم تغذية أجهزة القياس وأجهزة المرحلات وبالنسبة لهذا المرحل الملف الثانوي الذي لا يستخدم لا بد من توصيل أطرافه ببعض على عكس الملف المجزئ .


محول ذو عدة ملفات ثانوية  Multiple secondary transformer


شكل (7)


وتسمي الأجهزة (مرحلات أو قياس ) المتصلة بالدائرة الثانوية للمحولات بالحمل  burden و لا تسمي load للتمييز بينهما وبين الأحمال في الدائرة الابتدائية.  ويعبر عن الأحمال الثانوية   بالمقاومة أوم أو فولت أمبير ومعامل القدرة. ويلخص جدول (1)  القيم القياسية لهذه الأحمال لمحول ذي تيار عياري 5 أمبير في الملف الثانوي.


جدول (1)

P.F

Voltamp

Impedance in ohm

Burden designation

Metering burdens

0.9

0.9

0.9

0.9

0.9

2.5

5.0

n.5

2.2-5

45

0.1

 0.2

 0.5

 0.9

1.8

B - 0.1

B - 0.2

B - 0.5

B - 0.9

B - 1.8

Relaying burdens

0.5

0.5

0.5

0.50

25.

50.

200.

200.

1.0

2.0

4.0

8.0

B-1

B-2

B-4

B-8


جهد الدائرة المفتوحة لمحول التيار   Current transformer open circuit voltage  

القاعدة العامة للمحول هي عدم فتح دائرة الملف الثانوي طالما يمر تيار في الملف الابتدائي لأنه عندما يمر تيار في الملف الابتدائي سوف يولد فيض عالي القيمة في القلب مما يسبب تشبعه وبذلك يتكون جهد غير عالي على طرفي الملف الثانوي مما يسبب انهيار العزل ويسبب خطورة على الأشخاص أيضًا . وهناك سبب آخر وهو  امكانية وجودالفيض المتبقي residual magnetism في القلب الحديدي حتى بعد إزالة الجهد مما يؤثر على دقة المحول .


الخصائص الميكانيكية والحرارية    Mechanical and thermal characteristics

بجانب دقة المحولات فان الخصائص الميكانيكية والحرارية يلزم معرفتها عند اختيار المحولات وذلك لأنه عند حدوث القصر يمر تيار عالي القيمة في الدائرة  ويصاحب ذلك تأثير حراري وميكانيكي على المحول .

والقوي المتولدة في المحول لحظة القصر تتناسب مع مربع عدد لفات الملف الابتدائي و بزيادة قيمة التيار لفة Ampere turns بهدف زيادة الدقة فسوف تقل المقاومة الميكانيكية .

أما بالنسبة للسعة الحرارية فهي تعتمد على مقطع السلك وطوله وعدد لفات كلا من  الملف الابتدائي والثانوي وزمن مرور تيار القصر وبزيادة حجم الموصل سوف ترتفع السعة الحرارية ولكنها بزيادة عدد اللفات .


 اختيار محولات التيار 

تقاس نسبة الخطأ في قيمة التيار للمحول والمعروف له نسبة التحويل وذلك يوضح أميتر في كل من الدائرة الابتدائية والثانوية وتقارن القيم مع نسبة التحويل ومنها يحدد الخطأ وحتى طريقة بسيطة لكن لا تعطي دقة عالية كذلك يجري اختيار الجهد بمنحنى Impulse voltage.

إذا كان المحول معرض لمثل هذه الجهود كذلك إذا كان المحول موجود في الهواء الطلق فلابد من إجراء الاختبار تحت تأثير الأمطار الصناعية وذلك للتأكد من صلاحية العزل. 


2-2  محولات الجهد Voltage ( Potential transformer )

تصمم محولات الجهد على أساس أن توضح بين خط والأرض أو بين خطين وتستخدم لتغذية أجهزة قياس الجهد أو التحكم أو الملف الخاص بالجهد في أجهزة قياس القدرة لكهربية ونسبة التحويل للملف الابتدائي إلى الثانوي تكون بحيث تعطي قيمة للجهد في الملف الثانوي تساوي 120.115.110 فولت ويوضح شكل رقم7 رسم تخطيطي لأحد هذه المحولات


التركيب Construction

أ) النوع الكهرومغناطيسي Electromagnetic types

يعتمد بصورة رئيسية على الجهد فالمحولات أقل من 3.3 كيلو فولت يمكن أن تكون محولات جافة وبالنسبة للجهود الأعلى يغمر القلب والملفات في الزيت للعزل ومع التطور واستخدام غاز سادس أكسيد الكبريت في العزل لأجهزة القطع تم استخدامه أيضًا لمحولات الجهد .


ب) النوع التعاقبي Cascade type

شكل رقم (8) يبين محول جهد ذو ست مراحل وغالبًا يستخدم هذا المحول في الجهود أكثر من 145 كيلو فولت ويلاحظ أن الملف الابتدائي تم تقسيمه على عدة قلوب مغناطيسية بينما الملف الثانوي موجود فقط على قلب واحد -  المرحلة الأخيرة.

 

ب) النوع التعاقبي Cascade type

شكل (8)


استخدام المكثفات Capacitor

تركيب هذا النوع يعتمد أساسا على فكرة مجزئ الجهد باستخدام المكثفات .


 محول جهد لأجهزة القطع المعزولة بغاز سادس أكسيد الكبريت 

وتعتمد فكرة هذه المحولات على مجزئ  الجهد باستخدام المكثفات. 


الخصائص الميكانيكية والحرارية 

حيث أن محولات الجهد تصل بين خط والأرض أو بين خطين فهي سوف لا تتعرض لتأثيرات حرارية وميكانيكية مماثلة لما يحدث في محولات التيار ولكن هناك احتمال بتعرضها لقصر في الملف الثانوي وإذا استخدمت المصهرات في الدائرة الثانوية لحمايتها سوف يزيد ذلك التحميل فيها لذلك تستخدم المصهرات في الملف الابتدائي وسوف يكون لذلك تأثير طفيف على الدقة .


تحميل محولات الجهد Voltage transformer burden 

الحمل على المحول هو ما يتصل بالملف الثانوي ويعبر عنه فولت أمبير وجدول رقم (2) يبين التحميل ومعامل القدرة لبعض الحالات.


جدول 2: ANSI Standard Burdens for voltage transformer 


Burden P.F

Voltamp. at 120 V

Burden 

0.1

0.7

0.85

0.85

0.85

0.2

12.5

25

75

200

400

35

W

X

Y

Z

Z2

M

 

كذلك يحدد للمحول حمل حراري thermal burden  وهو يساوي فولت أمبير الذي يمر خلال المحول من غير تعدي درجة الحرارة المدى المسموح به .


الدقة Accuracy 

بسبب مقاومة الملفات فهناك فقد في القدرة الكهربية بها والتى تسبب ارتفاع في درجة الحرارة للملفات كذلك نسبة الجهد للملف الابتدائي والثانوي لا تكون مماثلة تمامًا لنسبة عدد لفات الملف الابتدائي إلى الثانوي . وهذا يعرف بخطأ النسبة ratio error  هذا بالإضافة أيضًا إلى أن جزئ من التيار يستخدم في مغنطة القلب وهناك أيضًا الفقد في القدرة في القلب الحديدي لذلك فالزاوية بين الجهدان للملف الابتدائي والملف الثانوي ليست 180 تمامًا أي أن هناك خطأ في الزاوية Phase angle error  ويقاس ذلك بالدقائق . وهذا الخطأ الأخير لا يهم في الدوائر ذات معامل قدرة يساوي الواحد أو التي تغذي أجهزة قياس أو تحكم .