المقدمة
محولات التيار (CTs) هي مكونات أساسية في مراقبة وحماية أنظمة الطاقة الكهربائية. تم تصميم هذه المحولات القياسية خصيصًا لتحويل التيارات الأولية العالية إلى تيارات ثانوية منخفضة، مما يتيح استخدامها مع العدادات، والمرحلات، ومعدات التحكم، ومجموعة متنوعة من الأدوات الأخرى. من خلال تحويل وقياس التيارات بدقة، تسهل محولات التيار المراقبة الدقيقة والحماية الموثوقة لأنظمة الطاقة.
غالبًا ما يتم التغاضي عن أهمية اختبارات المحولات القياسية. تتطلب محولات التيار المستخدمة لأغراض القياس درجة عالية من الدقة لضمان الفوترة الدقيقة، في حين يجب أن تستجيب تلك المستخدمة للحماية بسرعة ودقة في حالة حدوث خطأ.
يمكن تقليل المخاطر، مثل الالتباس المحتمل بين المحولات المستخدمة للقياس والحماية أو احتمال اختلاط التوصيلات، بشكل كبير من خلال الاختبار قبل التشغيل. في الوقت نفسه، يمكن اكتشاف التغيرات الكهربائية في محول التيار الناتجة عن عوامل مثل عزل الشيخوخة ومعالجتها بشكل استباقي.
لهذه الأسباب وأكثر، من المهم إجراء فحوصات ومعايرة دورية لمحولات التيار والأدوات المرتبطة بها. هناك ستة اختبارات كهربائية يجب إجراؤها على محولات التيار لضمان الدقة والحفاظ على موثوقية الخدمة المثلى:
1. اختبار النسبة
يُعرَّف نسبة محول التيار بأنها العلاقة بين تيار الإدخال الأولي و تيار الخرج الثانوي عند الحمل الكامل. على سبيل المثال، سينتج محول تيار بنسبة 300:5 أمبيرًا ثانويًا قدره 5 أمبير عندما يتدفق 300 أمبير عبر الجانب الأولي.
(300:5 = 60:1)
إذا تغير التيار الأولي، فإن خرج التيار الثانوي سيتغير وفقًا لذلك. على سبيل المثال، إذا تدفق 150 أمبير عبر جانب أولي مصنّع لـ 300 أمبير، فإن خرج التيار الثانوي سيكون 2.5 أمبير.
(150:300 = 2.5:5)
على عكس محول الجهد أو محول الطاقة، يتكون محول التيار من لفة واحدة فقط أو عدد قليل جدًا من اللفات كملف أولي. يمكن أن يكون هذا الملف الأولي إما لفة واحدة مسطحة، أو ملف من سلك سميك ملفوف حول القلب، أو مجرد موصل أو قضيب توصيل يوضع عبر فتحة مركزية. يتم إجراء اختبار النسبة لتأكيد أن نسبة محول التيار تتوافق مع القيم المحددة وللتحقق من أن النسبة تظل دقيقة عبر النقاط المختلفة (taps) في محول التيار متعدد النقاط. نسبة اللفات تعادل نسبة الجهد في محولات الجهد ويمكن التعبير عنها كما يلي:
N2/N1 = V2/V1
حيث:
- N2 و N1 هما عدد لفات الملفات الثانوية والأولية.
- V2 و V1 هما قراءتا الجهد في الجانب الثانوي والأولي.
يتم إجراء اختبارات النسبة عن طريق تطبيق جهد مناسب (أقل من التشبع) على الجانب الثانوي لمحول التيار قيد الاختبار بينما يتم قياس الجهد على الجانب الأولي لحساب نسبة اللفات من التعبير أعلاه.
تحذير: كن حذرًا عند إجراء اختبار نسبة محول التيار ولا تطبق جهدًا عاليًا بما يكفي للتسبب في تشبع المحول. سيؤدي تطبيق جهد التشبع إلى قراءات غير دقيقة.
2. اختبار القطبية
تحدد قطبية محول التيار من خلال اتجاه لف الملفات حول قلب المحول (باتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة) وكيفية تكوين الأسلاك داخل غلاف محول التيار. جميع محولات التيار عادة ما تكون ذات قطبية طرحية (subtractive polarity) ويجب أن تحمل التعيينات التالية للتعريف البصري الواضح لاتجاه تدفق التيار:
- H1 – التيار الأولي، باتجاه المصدر (الخط).
- H2 – التيار الأولي، باتجاه الحمل.
- X1 – التيار الثانوي.
تشير علامات القطبية على محول التيار إلى الاتجاهات اللحظية النسبية للتيارات. يؤكد اختبار القطبية أن الاتجاه المتوقع للتيار الثانوي لمحول التيار (الصادر) متوافق مع اتجاه التيار الأولي المعطى (الوارد). إن الاهتمام بمراعاة القطبية الصحيحة أمر مهم عند تركيب وتوصيل محول التيار بمقياس الطاقة والمرحلات الوقائية. في نفس اللحظة الزمنية التي يدخل فيها التيار الأولي الطرف الأولي، يجب أن يغادر التيار الثانوي المقابل الطرف الثانوي المماثل في العلامة. يُفترض أن يكون لمحول التيار قيد الاختبار قطبية صحيحة إذا كان اتجاه التيار اللحظي للتيارين الأولي والثانوي متعاكسين. تعتبر قطبية محول التيار حاسمة عندما تُستخدم محولات التيار معًا في تطبيقات أحادية الطور أو ثلاثية الطور. معظم أجهزة اختبار محولات التيار الحديثة قادرة على إجراء اختبار النسبة تلقائيًا باستخدام إعداد مبسط لأسلاك الاختبار وستعرض القطبية كصحيحة أو غير صحيحة. يمكن التحقق من قطبية محول التيار يدويًا باستخدام بطارية 9 فولت وفولتميتر تماثلي وفقًا لإجراء الاختبار التالي:
إجراء اختبار القطبية
- قبل إجراء الاختبار، من الضروري فصل جميع مصادر الطاقة.
- قم بتوصيل الفولتميتر التماثلي بالطرف الثانوي لمحول التيار المراد اختباره. يجب ربط الطرف الموجب للفولتميتر بالطرف X1 لمحول التيار، بينما يتم توصيل الطرف السالب بـ X2.
- مرر قطعة سلك عبر الجانب العالي من نافذة (فتحة) محول التيار وقم بتوصيل الطرف الموجب لبطارية 9 فولت مؤقتًا (لحظة زمنية قصيرة) بالطرف H1 (غالبًا ما يُشار إليه بنقطة) والطرف السالب بالطرف H2. من المهم تجنب التلامس المستمر، لأن ذلك قد يؤدي إلى حدوث قصر في دائرة البطارية.
- عندما تكون القطبية صحيحة، سيؤدي التلامس اللحظي إلى انحراف بسيط لعقربة الفولتميتر التماثلي في الاتجاه الموجب. إذا كان الانحراف سالبًا، فهذا يشير إلى أن قطبية محول التيار معكوسة. في هذه الحالة، يجب تبديل الطرفين X1 و X2، ويمكن بعد ذلك إجراء الاختبار.
ملاحظة: تصبح القطبية بلا أهمية عند توصيل محولات التيار بقياسات الأمبير والفولت. تكون القطبية مهمة فقط عند توصيل محولات التيار بأجهزة مثل واطمترات ومقياس الواط-ساعة ومقياس الفار ومرحلات الحث. للحفاظ على القطبية الصحيحة، يجب أن يواجه الجانب H1 من محول التيار مصدر الطاقة، مع استخدام الطرف الثانوي X1 كطرف القطبية.
3. اختبار التشبع
عندما يكون محول التيار في حالة “تشبع”، فإن المسار المغناطيسي داخل المحول يتصرف مثل قصر في خط النقل. هذا يتسبب في تحويل معظم الطاقة المقدمة من الملف الأولي بعيدًا عن الملف الثانوي واستخدامها لتوليد مجال مغناطيسي داخل محول التيار. يحدد اختبار التشبع لمحول التيار نقطة الركبة المقننة وفقًا لمعايير IEEE أو IEC. تشير نقطة الركبة هذه إلى النقطة التي لا يمكن عندها للمحول أن ينتج تيارًا يتناسب مع نسبته المحددة بعد الآن. تتضمن اختبارات الإثارة تطبيق جهد متردد على الملف الثانوي لمحول التيار وزيادة الجهد على مراحل حتى يصل محول التيار إلى التشبع. يتم تحديد نقطة “الركبة” من خلال ملاحظة زيادة طفيفة في الجهد تؤدي إلى ارتفاع كبير في التيار. يتم تقليل جهد الاختبار تدريجيًا إلى الصفر لإزالة المغنطة من محول التيار. يتم رسم نتائج الاختبار على مقياس لوغاريتمي (log-log) وتقييمها من خلال فحص فترة الانتقال بين التشغيل الطبيعي والتشبع.
إن منحنى الإثارة حول النقاط التي يقفز فيها التيار لأعلى مقابل زيادة صغيرة في الجهد؛ مهم جدًا لمقارنة المنحنيات مع المنحنيات المنشورة أو منحنيات محولات تيار مماثلة. يجب مقارنة نتائج اختبار الإثارة مع بيانات الشركة المصنعة المنشورة أو التسجيلات السابقة لتحديد أي انحرافات عن المنحنيات التي تم الحصول عليها مسبقًا.
تعرف IEEE التشبع على أنه “النقطة التي يكون عندها المماس بزاوية 45 درجة للتيار المحفز الثانوي”. وتُعرف أيضًا باسم نقطة “الركبة”. يتحقق هذا الاختبار من أن محول التيار له تصنيف دقة صحيح، وليس له لفات قصر في المحول ولا توجد دوائر قصر في الملفات الأولية أو الثانوية لمحول التيار قيد الاختبار.
4. اختبار مقاومة العزل
خلال اختبار محول التيار الشامل، من الضروري تقييم العزل بين ملفات محول التيار والأرض من حيث قوة العزل الكهربائي. يتم إجراء ثلاثة اختبارات لتقييم حالة العزل لمحول التيار قيد الاختبار:
- الأولي إلى الثانوي: يتحقق من حالة العزل بين الجهد العالي والمنخفض.
- الأولي إلى الأرض: يتحقق من حالة العزل بين الجهد العالي والأرض.
- الثانوي إلى الأرض: يتحقق من حالة العزل بين الجهد المنخفض والأرض.
يجب أن تظل قراءات مقاومة العزل ثابتة إلى حد ما مع مرور الوقت. يشير الانخفاض الحاد في اتجاه قيم مقاومة العزل نحو تدهور العزل، وهناك حاجة إلى مزيد من التحقيق لتشخيص المشكلة.
يتم إجراء اختبارات العزل عادةً على محولات التيار ذات تصنيفات 600 فولت أو أقل عند جهد 1000 فولت تيار مستمر. قبل إجراء الاختبار، من المهم قصر الملف الأولي لمحول التيار قيد الفحص عن طريق توصيل H1 و H2، ثم قصر الملف الثانوي عن طريق توصيل X1 و X2-X5. قم بإزالة التأريض المحايد وعزل محول التيار عن أي حمل مرتبط به. بعد قصْر اللفائف، سيكون محول التيار عينة ذات ثلاثة أطراف. يجب مقارنة قيم اختبار مقاومة العزل لمحولات التيار مع القراءات التي تم الحصول عليها في الاختبارات السابقة. الانحرافات الكبيرة عن القراءات التاريخية تستدعي مزيدًا من التحقيق.
يحدد ANSI/NETA MTS-2023 الجدول 100.5 الحد الأدنى لمقاومة العزل بـ 500 ميجا أوم عند 1000 فولت تيار مستمر لملفات المحولات الجافة المصنفة بـ 600 فولت أو أقل. راجع القسم 7.10.1 لمزيد من المعلومات.
الحد الأدنى لمقاومة العزل المقبول عمومًا هو 1 ميجا أوم. تعتبر أي قراءة بالميجا أوم عزلًا جيدًا، ومع ذلك، فإن تتبع اتجاه نتائج اختبار العزل هو الذي يعطي الحالة الحقيقية لعزل محول التيار.
تتأثر قراءات العزل بشدة بدرجة حرارة العينة. إذا تمت مقارنة القراءة بقراءات سابقة، يجب تطبيق عوامل التصحيح المناسبة، إذا تم أخذها في ظل ظروف حرارة مختلفة، قبل استخلاص أي نتيجة.
5. اختبار مقاومة اللفائف
يعتبر قياس مقاومة اللفائف بتيار مستمر قياسًا مهمًا في تقييم الحالة الحقيقية والحالة والدقة لمحول التيار. ستتغير مقاومة اللفائف في محول التيار مع مرور الوقت اعتمادًا على عمر العينة، والاستخدام، والظروف الخارجية، وتأثير الحمل. يوصى بقياس مقاومة اللفائف بتيار مستمر بشكل دوري على محول تيار بنقطة واحدة أو متعدد النقاط وتتبع القيم. هناك حاجة إلى دائرة قياس مقاومة منخفضة عالية الدقة للحصول على مقاومة اللفائف الصغيرة هذه. يمكن إيجاد مقاومة اللفائف لمحول التيار عن طريق قسمة انخفاض الجهد عبر اللفيفة (المقاسة بواسطة مقياس ملي فولت تيار مستمر) على تيار التيار المستمر المطبق عبر اللفيفة. يجب إزالة المغنطة من محول التيار بعد اكتمال اختبار مقاومة اللفائف.
نصيحة: قم بإجراء اختبار تشبع لإزالة المغنطة من محول التيار عند الانتهاء من جميع اختبارات مقاومة اللفائف.
6. اختبار الحمل
يمكن وصف حمل محول التيار بأنه المعاوقة الإجمالية بالأوم عبر أطراف الخرج الثانوية. يشمل هذا الحمل الإجمالي المعاوقة المقدمة من ملفات عداد الواط-ساعة، وملفات تيار المرحلات، ومقاومة التلامس، وكتل الأطراف، ومقاومة الأسلاك، ومفاتيح الاختبار المستخدمة في الدائرة الثانوية. يوجد حمل ثانوي لكل محول تيار عند توصيله في دائرة مرحل أو قياس. من المتوقع أن توفر محولات التيار تيار الخرج الثانوي بناءً على فئة دقتها. إذا لم يكن محول التيار مُقاسًا بشكل مناسب وفقًا لحمل الدائرة الثانوية، فقد يؤدي ذلك إلى انخفاض في التيار الثانوي لمحول التيار. يعد اختبار الحمل مهمًا للتأكد من أن محول التيار يقدم التيار إلى دائرة ضمن حدود تصنيف حمله. اختبار الحمل مفيد أيضًا في التأكد من أن محولات التيار:
- لا يتم تنشيطها أثناء تركيب أجهزة القصر (إذا تم استخدامها للقياس أو الحماية).
- لا تترك مع دائرة مفتوحة عند عدم استخدامها.
- موصولة بنقطة تأريض واحدة.
- آمنة، وجميع التوصيلات محكمة.
لقياس الحمل، قم بحقن التيار الثانوي المقنن لمحول التيار من أطرافه نحو جانب الحمل، مع عزل الجانب الثانوي لمحول التيار مع جميع الأحمال المتصلة. ثم راقب انخفاض الجهد عبر نقاط الحقن وكذلك في نقاط مختلفة عبر الدائرة، بما في ذلك تلك المتصلة بالأرض. هذه الطريقة تستغرق وقتًا طويلاً، ولكنها تتطلب فقط مصدر جهد، ومقاومة، وفولتميتر. قياس انخفاض الجهد عند المصدر مقترنًا بقانون أوم سيعطينا معاوقة الحمل. تحليل أنماط انخفاض الجهد عبر الدائرة يؤكد أن الأسلاك صحيحة. يتم تحديد أحمال محول التيار عادةً بـ VA (فولت-أمبير). يتم إجراء اختبار الحمل للتأكد من أن محول التيار يمكنه توصيل تيار محدد إلى حمل معروف مع الحفاظ على دقته المعلنة. عادةً ما يتم إجراء اختبار الحمل عند قيمة التيار الثانوي المقننة الكاملة، مثل 5 أمبير أو 1 أمبير.
كيفية حساب حمل محول التيار
اعتمادًا على فئة دقتها، تنقسم محولات التيار إلى مجموعتين: محولات القياس و محولات الحماية (المرحل). يمكن أن يكون لمحول التيار تصنيفات حمل لكلتا المجموعتين.
محولات القياس يُحدد تصنيفها عادةً كالتالي: 0.2 أو 0.5
الرقم الأخير يحدد الحمل بالأوم. بالنسبة لمحول تيار بتيار ثانوي 5 أمبير، يمكن حساب تصنيف الحمل بـ VA كالتالي:
VA = الجهد * التيار = (التيار)^2 * الحمل = (5)^2 * 0.5 = 12.5 VA
محولات الحماية (المرحلات) يُحدد تصنيفها عادةً كالتالي: 10 حتى 400
الرقم الأخير يحدد أقصى جهد ثانوي عند 20 ضعف التيار الثانوي المقنن دون تجاوز خطأ النسبة 10٪. بالنسبة لمحول تيار بتيار ثانوي مقنن 5 أمبير، فإن 20 ضعف التيار الثانوي المقنن سيعطي حملًا قدره 4 أوم.
الحمل = 400 / (20 * 5) = 4 أوم
يمكن تحديد الحمل بـ VA على النحو التالي:
VA = الجهد * التيار = (التيار)^2 * الحمل
