الحماية من أعطال الأرضي باستخدام محول التيار ذو التوازن القلبي (CBCT)

تمثل أعطال الأرضي (Earth Faults) خطراً جسيماً على أنظمة التوزيع الكهربائية، حيث يمكن أن تؤدي إلى تلف المعدات، انقطاع التيار الكهربائي، وحتى نشوب حرائق أو صدمات كهربائية. لذلك، من الضروري وجود أنظمة حماية سريعة وموثوقة للكشف عن هذه الأعطال وعزل القطاع المعطوب. واحدة من أكثر الطرق فعالية وانتشاراً لهذه المهمة هي استخدام محول التيار ذو التوازن القلبي (Core Balance Current Transformer)، والمعروف اختصاراً بـ CBCT.

ما هو محول التيار ذو التوازن القلبي (CBCT)؟

محول التيار ذو التوازن القلبي هو نوع خاص من محولات التيار (Current Transformer – CT) مصمم خصيصاً للكشف عن التيارات غير المتوازنة الناتجة عن أعطال الأرضي.

التصميم والتركيب:

• النواة (Core): يحتوي على نواة مغناطيسية حلقية واحدة.
• الملف الثانوي (Secondary Winding): ملف واحد يلف حول هذه النواة.
• الموصلات الأولية (Primary Conductors): لا يحتوي CBCT على ملف أولي تقليدي. بدلاً من ذلك، يتم تمرير جميع الموصلات الحاملة للتيار في الدائرة المراد حمايتها (الطور (Phase) والحيادي (Neutral)، إن وجد) عبر مركز النواة الحلقية.
• مبدأ العمل: يعمل CBCT كمحول تيار، لكن تياره الأولي هو المجموع المتجه لتيارات جميع الموصلات المارة بداخله.

مبدأ عمل الحماية من أرضي باستخدام CBCT

يعتمد المبدأ الأساسي على قانون كيرشوف للتيار (Kirchhoff’s Current Law – KCL)، الذي ينص على أن مجموع التيارات الداخلة إلى نقطة يجب أن يساوي مجموع التيارات الخارجة منها.

• في الحالة الطبيعية (السيناريو المتوازن):
  في نظام كهربائي سليم ومتوازن (خالٍ من أرضي)، يكون مجموع التيارات المتجهة في أطوار النظام (R, S, T) والتيار في الموصل الحيادي (إن وجد) مساوياً للصفر.
  IR + IS + IT + IN = 0
  نظراً لأن هذه التيارات متوازنة، فإن المجال المغناطيسي الناتج عنها داخل نواة الـ CBCT سيكون صفراً. وبالتالي، لا يتم حث أي جهد في الملف الثانوي للـ CBCT، ويكون خرجه صفراً.
• في حالة حدوث عطل أرضي (السيناريو غير المتوازن):
  عندما يحدث عطل أرضي (مثل ماس كهربائي بين الطور والأرض)، يجد التيار مساراً بديلاً للتسرب إلى الأرض عبر موصل الأرضي (Earth Wire)، بدلاً من العودة عبر الموصل الحيادي أو الأطوار الأخرى.
  هذا يعني أن مجموع التيارات في الموصلات المارة عبر الـ CBCT لم يعد صفراً. سيظهر فرق تيار (هذا الفرق هو تيار العطل الأرضي نفسه – I_EF) يتدفق إلى الأرض.
  هذا التيار غير المتوازن (I_EF) يخلق مجالاً مغناطيسياً داخل نواة الـ CBCT. نتيجة لذلك، يتم حث جهد في الملف الثانوي للـ CBCT يتناسب طردياً مع مقدار تيار العطل الأرضي.

كيفية توصيل دائرة الحماية (Relay)

يتم توصيل الملف الثانوي لـ CBCT مباشرة إلى مرحل حماية من أرضي (Earth Fault Relay) مخصص لهذا الغرض. يقوم هذا المرحل بما يلي:

1. المراقبة: يراقب الجهد/التيار القادم من الملف الثانوي للـ CBCT.
2. المقارنة: يقارن هذه القيمة بقيمة محددة مسبقاً تسمى إعداد الضبط (Setting).
3. التشغيل: إذا تجاوز تيار العقل الأرضي المُكتشَف قيمة الضبط ولمدة زمنية محددة (Time Delay)، يقوم المرحل بإرسال إشارة إلى قاطع الدائرة (Circuit Breaker) ليفتح الدائرة ويعزل القطاع المعطوب.

يمكن ضبط حساسية المرحل (قيمة تيار التشغيل) وزمن التأخير لضمان انتقائية النظام (Selectivity)، بحيث يعزل فقط القطاع الذي حدث فيه العطل دون التأثير على الأجزاء السليمة من الشبكة.

مميزات استخدام نظام CBCT

1. حساسية عالية: يمكنه اكتشاف تيارات أرضية صغيرة جداً (حتى بضعة أمبيرات)، مما يجعله مثالياً للحماية من أرضي في الأنظمة ذات المعاوقة العالية.
2. السرعة: يستجيب بسرعة كبيرة لأعطال الأرضي.
3. الموثوقية: تصميمه البسيط يجعله متيناً وموثوقاً به.
4. الانتقائية (Selectivity): يسهل تحقيق الانتقالية عند استخدامه في أنظمة حماية متعددة المستويات.
5. الحماية من الصدمات الكهربائية: يستخدم على نطاق واسع في أجهزة التيار المتبقي (RCDs) أو قواطع التسرب الأرضي (ELCBs) لحماية الأشخاص من الصدمات الكهربائية.

تطبيقات CBCT الشائعة

• حماية المحركات الكهربائية: حماية ملفات المحركات من أعطال الأرضي.
• حماية كابلات الطاقة: مراقبة أعطال الأرضي في أنظمة الكابلات الطويلة.
• أنظمة التيار المتردد المنقولة (HVAC): حماية محطات التوليد والنقل.
• أنظمة التيار المستمر (DC): مثل حماية أنظمة الطاقة الشمسية (PV Arrays) من أعطال الأرضي.
• الحماية من الصدمات (Human Protection): في الدوائر النهائية (Final Circuits) في المنشآت السكنية والتجارية.

اعتبارات التثبيت الهامة

1. تجنب التداخل: يجب أن يكون الكابل المار عبر فتحة الـ CBCT خالياً من أي توصيلات أو توصيات أرضية أخرى، حيث أن أي موصل أرضي إضافي سيمر عبر الفتحة سيعطل التوازن ويسبب تشغيلاً خاطئاً للمرحل.
2. الموقع: يجب تركيب الـ CBCT في نقطة أقرب ما تكون إلى المصدر المحمي (مثل المحرك أو لوحة التوزيع) لضمان حماية كاملة للكابل.
3. نوع الكابل: يمكن استخدامه مع الكابلات أحادية النواة أو متعددة النوى.
4. الفجوة: يجب إغلاق الفجوة في النواة المغناطيسية بإحكام بعد تمرير الكابل لضمان كفاءة operatio.

يمثل محول التيار ذو التوازن القلبي (CBCT) تقنية أساسية وفعالة في أنظمة الحماية الكهربائية. بفضل تصميمه الذكي القائم على مبدأ التوازن الكهرومغناطيسي، يوفر وسيلة موثوقة وحساسة للغاية للكشف عن أعطال الأرضي التي قد تكون صغيرة جداً بحيث لا تستطيع محولات التيار التقليدية اكتشافها. يضمن فهم مبدأ عمله وتطبيقه الصحيح سلامة الأفراد، حماية المعدات من التلف، واستمرارية وموثوقية إمدادات الطاقة.