محول التيار

محول التيار ( CT ) هو نوع من المحولات التي تقلل أو تضاعف التيار المتردد (AC)، مما ينتج تيارًا في ملفه الثانوي يتناسب مع التيار في ملفه الابتدائي.

تُعدّ محولات التيار، إلى جانب محولات الجهد أو الجهد الكامن ، محولات قياس ، حيث تُحوّل القيم الكبيرة للجهد أو التيار إلى قيم صغيرة وموحدة يسهل التعامل معها في أجهزة القياس ومرحلات الحماية . تعزل محولات القياس دوائر القياس أو الحماية عن الجهد العالي للنظام الأساسي. ويُشكّل محول التيار حملاً ضئيلاً على الدائرة الأساسية. ^{[ 1 ]}

تُعد محولات التيار وحدات استشعار التيار في نظام الطاقة، وتُستخدم في محطات التوليد، والمحطات الفرعية الكهربائية، وفي توزيع الطاقة الكهربائية الصناعية والتجارية.

يتكون محول التيار من ملف ابتدائي، وقلب حديدي، وملف ثانوي، مع العلم أن بعض المحولات تستخدم قلبًا هوائيًا. ورغم تشابه المبادئ الفيزيائية، إلا أن تفاصيل محول التيار تختلف عن محول الجهد نظرًا لاختلاف متطلبات التطبيق. يُصمم محول التيار للحفاظ على نسبة دقيقة بين التيارات في دائرتيه الابتدائية والثانوية ضمن نطاق محدد.

يُنتج التيار المتردد في الملف الابتدائي مجالًا مغناطيسيًا مترددًا في القلب الحديدي، والذي بدوره يُحفز تيارًا مترددًا في الملف الثانوي. لا تتأثر الدائرة الابتدائية بشكل كبير بإدخال محول التيار. تتطلب محولات التيار الدقيقة اقترانًا وثيقًا بين الملفين الابتدائي والثانوي لضمان تناسب تيار الملف الثانوي مع تيار الملف الابتدائي ضمن نطاق واسع من التيارات. يُحسب تيار الملف الثانوي بقسمة تيار الملف الابتدائي (بافتراض لفة واحدة في الملف الابتدائي) على عدد لفات الملف الثانوي. في الرسم التوضيحي على اليمين، يُمثل الرمز "I" تيار الملف الابتدائي، و"B" المجال المغناطيسي، و"N" عدد لفات الملف الثانوي، و"A" مقياس التيار المتردد.

تتكون محولات التيار عادةً من قلب حلقي من الفولاذ السيليكوني ملفوف بعدة لفات من سلك نحاسي، كما هو موضح في الرسم التوضيحي على اليمين. يمر الموصل الذي يحمل التيار الابتدائي عبر الحلقة. وبالتالي، يتكون الملف الابتدائي لمحول التيار من لفة واحدة. قد يكون الملف الابتدائي جزءًا ثابتًا من محول التيار، أي قضيب نحاسي سميك لنقل التيار عبر القلب. كما تُعد محولات التيار من نوع النافذة ( الحلقية ) شائعة أيضًا، حيث يمكن أن تمر كابلات الدائرة عبر مركز القلب لتوفير ملف ابتدائي بلفة واحدة. ولضمان الدقة، يجب أن يكون الموصل الابتدائي متمركزًا في الفتحة.

تُحدد محولات التيار بنسبة التيار بين الملف الابتدائي والثانوي. عادةً ما يكون التيار الثانوي المقنن مُوحدًا عند 1 أو 5  أمبير. على سبيل المثال، يُنتج ملف ثانوي لمحول تيار بنسبة 4000:5 تيار خرج قدره 5  أمبير عندما يكون تيار الملف الابتدائي 4000 أمبير. يمكن أيضًا استخدام هذه النسبة لإيجاد المعاوقة أو الجهد على أحد جانبي المحول، بمعرفة القيمة المناسبة على الجانب الآخر. بالنسبة لمحول التيار بنسبة 4000:5، يمكن إيجاد المعاوقة الثانوية كالتالي: Z S = NZ P  = 800Z P  ، ويمكن إيجاد الجهد الثانوي كالتالي: V S = NV P = 800V P . في بعض الحالات، تُنسب المعاوقة الثانوية إلى الجانب الابتدائي، وتُحسب كالتالي: Z S ′ = N 2 Z  P . يتم حساب المعاوقة ببساطة عن طريق ضرب قيمة المعاوقة الثانوية الابتدائية بنسبة التيار. يمكن أن يحتوي الملف الثانوي لمحول التيار على نقاط توصيل لتوفير نطاق من النسب، وخمس نقاط توصيل هي الأكثر شيوعاً. [ 1 ]

تختلف أشكال وأحجام محولات التيار الكهربائي باختلاف المستخدم النهائي أو الشركة المصنعة لمفاتيح التبديل. وتكون محولات التيار الكهربائي ذات النسبة الواحدة منخفضة الجهد إما من النوع الحلقي أو من النوع ذي الغلاف البلاستيكي المصبوب.

تتكون محولات التيار ذات القلب المنفصل إما من قلب ثنائي الأجزاء أو قلب ذي جزء قابل للإزالة. يسمح هذا بوضع المحول حول الموصل دون فصله أولاً. تُستخدم محولات التيار ذات القلب المنفصل عادةً في أجهزة قياس التيار المنخفض، والتي غالباً ما تكون محمولة، تعمل بالبطارية، ويمكن حملها باليد (انظر الرسم التوضيحي أسفل اليمين).

تُستخدم محولات التيار على نطاق واسع لقياس التيار ومراقبة تشغيل شبكة الطاقة . إلى جانب أسلاك الجهد، تُشغّل محولات التيار ذات الجودة العالية عدادات الطاقة الكهربائية في العديد من المنشآت التجارية والصناعية الكبيرة.

تُركّب محولات التيار ذات الجهد العالي على عوازل من الخزف أو البوليمر لعزلها عن الأرض. وتنزلق بعض تكوينات محولات التيار حول جلبة محول الجهد العالي أو قاطع الدائرة ، مما يؤدي إلى توسيط الموصل تلقائيًا داخل نافذة محول التيار.

يمكن تركيب محولات التيار على أسلاك الجهد المنخفض أو العالي لمحول الطاقة. وفي بعض الأحيان، يمكن إزالة جزء من قضيب التوصيل لاستبدال محول التيار.

في كثير من الأحيان، يتم تركيب محولات تيار متعددة على شكل "مجموعة" لأغراض مختلفة. على سبيل المثال، قد تستخدم أجهزة الحماية وعدادات الإيرادات محولات تيار منفصلة لتوفير العزل بين دوائر القياس والحماية، مما يسمح باستخدام محولات تيار ذات خصائص مختلفة (الدقة، وأداء التحميل الزائد) لهذه الأجهزة.

في الولايات المتحدة، يشترط قانون الكهرباء الوطني (NEC) تركيب أجهزة حماية من التيار المتبقي في الأنظمة الكهربائية التجارية والسكنية لحماية المقابس الكهربائية المثبتة في الأماكن الرطبة كالمطابخ والحمامات، بالإضافة إلى المقابس المقاومة للعوامل الجوية المثبتة في الهواء الطلق. وتقوم هذه الأجهزة، وأكثرها شيوعاً قواطع دوائر الأعطال الأرضية (GFCIs)، عادةً بتمرير كل من الموصل النشط بجهد 120 فولت وموصل العودة المحايد عبر محول تيار، مع توصيل الملف الثانوي بجهاز فصل التيار.

في الظروف العادية، يتساوى التيار في سلكي الدائرة ويتدفق في اتجاهين متعاكسين، مما ينتج عنه تيار صافٍ صفري عبر محول التيار، وبالتالي لا يوجد تيار في الملف الثانوي. إذا أُعيد توجيه تيار التغذية إلى الموصل الثالث (الأرضي) للدائرة (على سبيل المثال، إذا لامس الغلاف المعدني المؤرض لأداة كهربائية موصلًا بجهد 120 فولت)، أو إلى الأرض (على سبيل المثال، إذا لامس شخص موصلًا بجهد 120 فولت)، فسيكون تيار العودة المحايد أقل من تيار التغذية، مما ينتج عنه تيار صافٍ موجب يتدفق عبر محول التيار. سيؤدي هذا التيار الصافي إلى توليد تيار في الملف الثانوي، مما سيؤدي إلى تشغيل جهاز الفصل وفصل التيار عن الدائرة - عادةً في غضون 0.2 ثانية. ^{[ 2 ]}

يجب ألا تتجاوز معاوقة الحمل القيمة القصوى المحددة لتجنب تجاوز جهد الملف الثانوي حدود محول التيار. كما يجب عدم تجاوز التيار المقنن للملف الابتدائي لمحول التيار، وإلا فقد يدخل القلب الحديدي في منطقة اللاخطية ويصل في النهاية إلى حالة التشبع . يحدث هذا قرب نهاية النصف الأول من كل نصف (موجب وسالب) من موجة التيار المتردد الجيبية في الملف الابتدائي، مما يؤثر سلبًا على الدقة. ^{[ 1 ]}

تُستخدم محولات التيار عادةً لمراقبة التيارات العالية أو التيارات ذات الفولتية العالية. وتُستخدم المعايير الفنية وممارسات التصميم لضمان سلامة المنشآت التي تستخدم محولات التيار.

لا ينبغي فصل الملف الثانوي لمحول التيار عن الحمل أثناء وجود التيار في الملف الابتدائي، إذ سيحاول الملف الثانوي الاستمرار في تمرير التيار إلى مقاومة لا نهائية فعّالة ، مما قد يُولّد جهودًا عالية ويُعرّض سلامة المُشغّل للخطر. في بعض محولات التيار، قد يصل هذا الجهد إلى عدة كيلوفولتات، وقد يُسبب حدوث شرارة كهربائية . كما أن تجاوز جهد الملف الثانوي قد يُقلّل من دقة المحول أو يُتلفه. يُحدَّد جهد الخرج بتشبّع القلب الحديدي، لأن التدفق المغناطيسي في الملف الابتدائي لا يُلغى بالتدفق المغناطيسي في الملف الثانوي عند تشبّع القلب. لهذا السبب، قد لا تُسبّب محولات التيار الصغيرة جهودًا خطيرة عند التشغيل العادي. مع ذلك، يُمكن أن تُؤدّي التغيرات السريعة في التيار الناتجة عن تشغيل الأحمال، وما إلى ذلك، إلى مستويات جهد خطيرة بسبب ميل التيار العالي. ^{[ 1 ]}

تتأثر دقة التصوير المقطعي المحوسب بعدد من العوامل، بما في ذلك:

• حرج
• فئة العبء / فئة التشبع
• عامل التصنيف
• حمولة
• المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية
• درجة حرارة
• التكوين المادي
• الصنبور المحدد، لأجهزة التصوير المقطعي المحوسب متعددة النسب
• تغير الطور
• الاقتران السعوي بين الابتدائي والثانوي
• مقاومة أولية وثانوية
• تيار مغنطة القلب

تُحدد معايير الدقة في معيار IEC 61869-1 فئات الدقة لأنواع القياس المختلفة عند الأحمال القياسية في الدائرة الثانوية (الأحمال) كالتالي: 0.1، 0.2 ثانية، 0.2، 0.5، 0.5 ثانية، 1، و3. ويُعدّ تصنيف الفئة مقياسًا تقريبيًا لدقة محول التيار. تبلغ نسبة الخطأ (التيار الابتدائي إلى التيار الثانوي) لمحول  تيار من الفئة 1 نسبة 1% عند التيار المقنن؛ بينما تبلغ نسبة الخطأ لمحول  تيار من الفئة 0.5 نسبة 0.5% أو أقل. كما تُعدّ أخطاء الطور مهمة أيضًا، لا سيما في دوائر قياس الطاقة. ولكل فئة حد أقصى مسموح به لخطأ الطور عند مقاومة حمل محددة. ^{[ 1 ]}

تتطلب محولات التيار المستخدمة في أنظمة الحماية من التيار الزائد دقة عالية عند تجاوز تيارات الحمل الزائد التيار المقنن لضمان الأداء الدقيق للمرحلات أثناء أعطال النظام. فعلى سبيل المثال، محول تيار بتصنيف 2.5L400، عند خرج ملف ثانوي يساوي عشرين ضعف تياره الثانوي المقنن (عادةً 5  أمبير × 20 = 100  أمبير ) وجهد 400  فولت (انخفاض الجهد بين الطبقة المتوسطة والثانوية)، تكون دقة خرجه في حدود 2.5%.

تحتوي محولات التيار من النوع القضيب على أطراف لتوصيلات المصدر والحمل للدائرة الأولية، ويوفر جسم محول التيار عزلاً بين الدائرة الأولية والأرض. وباستخدام العزل الزيتي وجلبات الخزف، يمكن استخدام هذه المحولات عند أعلى جهود النقل. ^{[ 1 ]}

تُركّب محولات التيار الحلقية فوق قضيب توصيل أو كابل معزول، وتتميز بعزل منخفض المستوى على الملف الثانوي. وللحصول على نسب غير قياسية أو لأغراض خاصة أخرى، يمكن تمرير أكثر من لفة واحدة من الكابل الابتدائي عبر الحلقة. وفي حال وجود غلاف معدني في غلاف الكابل، يجب إنهاء هذا الغلاف بحيث لا يمر تيار الغلاف الصافي عبر الحلقة، لضمان الدقة. أما محولات التيار المستخدمة لاستشعار تيارات الأعطال الأرضية (التسلسل الصفري)، كما هو الحال في التركيبات ثلاثية الأطوار، فقد تحتوي على ثلاثة موصلات ابتدائية تمر عبر الحلقة. وينتج عن التيار الثانوي فقط التيار الصافي غير المتوازن، والذي يُستخدم للكشف عن عطل من موصل مُشحون إلى الأرض. وتستخدم محولات التيار الحلقية عادةً أنظمة عزل جافة، مع غلاف من المطاط الصلب أو البلاستيك فوق الملفات الثانوية.

للتوصيلات المؤقتة، يمكن تركيب محول تيار من نوع الحلقة المنقسمة فوق الكابل دون فصله. يتميز هذا النوع بقلب حديدي رقائقي، مع جزء مفصلي يسمح بتركيبه فوق الكابل؛ حيث يربط القلب التدفق المغناطيسي الناتج عن الملف الابتدائي ذي اللفة الواحدة بملف ثانوي ذي لفات متعددة. ونظرًا لأن الفجوات في الجزء المفصلي تُسبب عدم دقة، فإن هذه الأجهزة لا تُستخدم عادةً لقياس الإيرادات.

قد تحتوي محولات التيار، وخاصة تلك المُخصصة لخدمة محطات التحويل ذات الجهد العالي، على عدة نقاط توصيل في ملفاتها الثانوية، مما يوفر نسبًا متعددة في الجهاز نفسه. يُمكن تحقيق ذلك لتقليل مخزون الوحدات الاحتياطية، أو لمواكبة زيادة الأحمال في المنشأة. قد يحتوي محول التيار ذو الجهد العالي على عدة ملفات ثانوية لها نفس الملف الابتدائي، وذلك للسماح بوجود دوائر قياس وحماية منفصلة، ​​أو للتوصيل بأنواع مختلفة من أجهزة الحماية. على سبيل المثال، يُمكن استخدام أحد الملفات الثانوية لحماية الفروع من التيار الزائد، بينما يُستخدم ملف ثانٍ في نظام حماية تفاضلي للحافلات، ويُستخدم ملف ثالث لقياس القدرة والتيار. ^{[ 1 ]}

تُستخدم محولات التيار ذات النطاق العريض المصممة خصيصًا (عادةً مع راسم الإشارة ) لقياس أشكال موجات التيارات عالية التردد أو النبضية ضمن أنظمة الطاقة النبضية . وعلى عكس محولات التيار المستخدمة في دوائر الطاقة، تُقاس قدرة محولات التيار ذات النطاق العريض بفولت الخرج لكل أمبير من التيار الابتدائي.

إذا كانت مقاومة الحمل أقل بكثير من المعاوقة الحثية للملف الثانوي عند تردد القياس، فإن التيار في الملف الثانوي يتبع التيار في الملف الابتدائي، ويُنتج المحول تيارًا خرجًا يتناسب مع التيار المقاس. أما إذا لم يتحقق هذا الشرط، فإن المحول يكون حثيًا ويُنتج خرجًا تفاضليًا. يستغل ملف روغوفسكي هذه الخاصية، ويتطلب مُكاملًا خارجيًا لتوفير جهد خرج يتناسب مع التيار المقاس.

في نهاية المطاف، وبناءً على متطلبات العميل، يُصمَّم محول التيار الكهربائي وفق معيارين رئيسيين: IEC  61869-1 (الذي كان يُعرف سابقًا باسم IEC  60044-1) وIEEE  C57.13 (ANSI)، مع العلم أن المعايير الكندية والأسترالية معترف بها أيضًا. ^{[ 1 ] [ 6 ]}

تُستخدم محولات التيار للحماية والقياس والتحكم في المحطات الفرعية الكهربائية ذات الجهد العالي وشبكة الكهرباء . يمكن تركيب محولات التيار داخل لوحات التوزيع أو في جلبات الأجهزة، ولكن غالبًا ما تُستخدم محولات التيار الخارجية القائمة بذاتها. في ساحة التوزيع، يكون جزء كبير من غلاف محولات التيار ذات الخزان الحي مُفعّلًا بجهد الخط، ويجب تركيبها على عوازل. أما محولات التيار ذات الخزان الميت فتعزل الدائرة المقاسة عن الغلاف. تُعد محولات التيار ذات الخزان الحي مفيدة لأن الموصل الابتدائي قصير، مما يُحسّن الاستقرار ويزيد من قدرة تحمل تيار القصر. يمكن توزيع الملف الابتدائي بالتساوي حول القلب المغناطيسي، مما يُحسّن الأداء في حالات الأحمال الزائدة والظواهر العابرة. ولأن العازل الرئيسي لمحولات التيار ذات الخزان الحي لا يتعرض لحرارة الموصلات الابتدائية، فإن عمر العزل والاستقرار الحراري يتحسنان. ^{[ 1 ]}

قد يحتوي محول التيار عالي الجهد على عدة نوى، لكل منها ملف ثانوي، لأغراض مختلفة (مثل دوائر القياس، أو التحكم، أو الحماية). ^{[ 7 ]} يُستخدم محول تيار التعادل كحماية من أعطال التأريض لقياس أي تيار عطل يتدفق عبر خط التعادل من نقطة التعادل النجمية للمحول.

• الأجهزة
• أنواع المحولات
• تقنيات الاستشعار الحالية

• جايل، أ.؛ باترسون، و. (1977). أنظمة الطاقة الكهربائية، المجلد الأول . بيرغامون. ص  331. ISBN 0-08-021729-X.