مقارنة عملية بين محولات التيار المستخدمة في القياس والحماية

دقة التصوير المقطعي المحوسب للحمايةدقة حماية CT لا تتعلق بالدقة في الفوترة، بل بالأداء المتوقع أثناء حدوث عطل. تُعرّف دقتها بـ "خطأ مركب" عند مضاعف محدد لتيارها المقنن. فئة الحماية الشائعة هي5P10.ينقسم هذا التعيين على النحو التالي:

• 5:لن يتجاوز الخطأ المركب 5% عند حد الدقة.
• P:هذه الرسالة تشير إلى أنها من فئة الحماية CT.
• 10هذا هو عامل حد الدقة (ALF). هذا يعني أن جهاز CT سيحافظ على دقته المحددة حتى ١٠ أضعاف تياره الأساسي المُصنّف.

باختصار، يضمن 5P10 CT أنه عندما يكون التيار الأساسي 10 أضعاف تصنيفه الطبيعي، فإن الإشارة المرسلة إلى التتابع تظل ضمن 5% من القيمة المثالية، مما يضمن أن التتابع يتخذ قرار الرحلة الصحيح.

العبء وتقييم VA

حرجهو إجمالي الحمل الكهربائي المتصل بالأطراف الثانوية لجهاز القياس، ويُقاس بالفولت-أمبير (VA) أو الأوم (Ω). يساهم كل جهاز وسلك متصل بجهاز القياس في هذا الحمل. سيؤدي تجاوز الحمل المُصنّف لجهاز القياس إلى انخفاض دقته.

العبء الإجمالي هومجموع معاوقات جميع المكوناتفي الدائرة الثانوية:

• مقاومة اللف الثانوي للـ CT.
• مقاومة الأسلاك الكهربائية التي تربط جهاز التصوير المقطعي المحوسب بالجهاز.
• المقاومة الداخلية للجهاز المتصل (العداد أو التتابع).

حساب العبء الإجمالي:يمكن للمهندس حساب العبء الإجمالي باستخدام الصيغة:إجمالي العبء (Ω) = لف CT R (Ω) + السلك R (Ω) + الجهاز Z (Ω)على سبيل المثال، إذا كانت مقاومة اللف الثانوي لمحول التيار (CT) 0.08 أوم، ومقاومة أسلاك التوصيل 0.3 أوم، ومقاومة المرحل 0.02 أوم، فإن الحمل الكلي للدائرة هو 0.4 أوم. يجب أن تكون هذه القيمة أقل من الحمل المُصنّف لمحول التيار (CT) ليعمل بشكل صحيح.

عادةً ما تكون تصنيفات جهد فولت أمبير لمحولات القياس منخفضة (مثل 2.5 فولت أمبير، 5 فولت أمبير) نظرًا لاتصالها بأجهزة قياس عالية المقاومة ومنخفضة الاستهلاك عبر مسافات قصيرة. تتطلب محولات الحماية تصنيفات جهد فولت أمبير أعلى بكثير (مثل 15 فولت أمبير، 30 فولت أمبير) لأنها يجب أن توفر طاقة كافية لتشغيل ملفات مرحل الحماية ذات المقاومة المنخفضة والاستهلاك العالي، وغالبًا ما يكون ذلك على مسافات أطول بكثير. يُعد عدم مطابقة تصنيف حمل محول الحماية مع حمل الدائرة الفعلي بشكل صحيح مصدرًا شائعًا للخطأ في كل من أنظمة القياس والحماية.

فهم جهد نقطة الركبة

جهد نقطة الركبة (KPV) هو معيار أساسي حصري لمحولات التيار الكهربي الواقية. فهو يحدد الحد الأقصى لنطاق التشغيل المفيد لمحول التيار الكهربي قبل أن يبدأ قلبه بالتشبع. تُعد هذه القيمة أساسية لضمان استقبال مرحل الحماية إشارة موثوقة أثناء حدوث عطل في التيار العالي.

يحدد المهندسون قيمة جهد الإثارة الثانوي (KPV) من منحنى إثارة CT، الذي يرسم جهد الإثارة الثانوي مقابل تيار الإثارة الثانوي. نقطة "الركبة" على هذا المنحنى هي النقطة التي تتغير فيها الخصائص المغناطيسية للنواة بشكل كبير.

المعيار IEEE C57.13يُقدِّم تعريفًا دقيقًا لهذه النقطة. في التصوير المقطعي المحوسب المركزي غير المُفرَّغ، تكون نقطة الركبة هي المكان الذي يُشكِّل فيه مماس المنحنى زاويةً مقدارها 45 درجة مع المحور الأفقي. أما في التصوير المقطعي المحوسب المركزي المُفرَّغ، فتبلغ هذه الزاوية 30 درجة. تُشير هذه النقطة تحديدًا إلى بداية التشبع.

عندما يعمل محول التيار المتردد (CT) بجهد أقل من نقطة ركوده، يكون قلبه في حالة مغناطيسية خطية. هذا يسمح له بإعادة إنتاج تيار العطل بدقة للمرحل المتصل. ومع ذلك، بمجرد أن يتجاوز الجهد الثانوي قيمة KPV، يدخل القلب في حالة تشبع. التشبع، الذي غالبًا ما يكون مدفوعًا بتيارات تيار متردد كبيرة وإزاحات تيار مستمر أثناء حدوث عطل، يتسبب في تلف محول التيار المتردد.انخفاض معاوقة المغناطيسية بشكل كبيرلم يعد المحول قادرًا على عكس التيار الأساسي إلى جانبه الثانوي بأمانة.

العلاقة بين KPV وموثوقية الحماية مباشرة وحاسمة:

• نقطة أسفل الركبة:يعمل قلب CT خطيًا، ويوفر تمثيلًا دقيقًا لتيار العطل إلى مرحل الحماية.
• نقطة فوق الركبة:يُشبع القلب. يؤدي هذا إلى زيادة كبيرة في تيار المغناطيس وعدم انتظام التشغيل، مما يعني أن محوِّل التيار لم يعد يعكس بدقة تيار العطل الحقيقي.
• عملية التتابع:تحتاج مرحلات الحماية إلى إشارة دقيقة للعمل بشكل صحيح. إذا تشبعت دائرة التحكم قبل أن تتمكن من اتخاذ قرار، فقد تفشل في اكتشاف حجم العطل الحقيقي، مما يؤدي إلى تأخر فصلها أو توقفها عن العمل تمامًا.
• سلامة النظام:لذلك، يجب أن يكون جهد نقطة ركبة المحول أعلى بما يكفي من أقصى جهد ثانوي متوقع عند حدوث عطل. هذا يضمن استقبال المرحل إشارة موثوقة لحماية المعدات باهظة الثمن.

يحسب المهندسون قيمة KPV المطلوبة لضمان بقاء CT غير مشبع في أسوأ ظروف الأعطال. الصيغة المبسطة لهذا الحساب هي:

مطلوب KPV ≥ إذا × (Rct + Rb)

أين:

• If= أقصى تيار خطأ ثانوي (أمبير)
• تجربة سريرية عشوائية= مقاومة الملف الثانوي CT (أوم)
• Rb= إجمالي الحمل على مرحل التوصيلات والتوصيلات (أوم)

في نهاية المطاف، يعمل جهد نقطة الركبة كمؤشر أساسي لقدرة جهاز الحماية المقطعي على أداء وظيفة السلامة الخاصة به تحت الضغط الكهربائي الشديد.

فك رموز تسميات لوحة محولات التيار

تحتوي لوحة اسم محول التيار على رمز مُدمج يُحدد إمكانيات أدائه. يُعد هذا الرمز الأبجدي الرقمي اختصارًا للمهندسين، حيث يُحدد دقة المكون وتطبيقاته وحدود تشغيله. يُعد فهم هذه الرموز أمرًا أساسيًا لاختيار الجهاز المناسب.

تفسير فئات قياس CT (على سبيل المثال، 0.2، 0.5S، 1)

تُعرَّف فئات قياس محوِّل التيار (CT) برقم يُمثِّل أقصى نسبة خطأ مسموح بها عند التيار المُصنَّف. يشير الرقم الأصغر إلى درجة دقة أعلى.

• الصف الأول:مناسب لقياس اللوحة العامة حيث لا تكون الدقة العالية أمرًا بالغ الأهمية.
• الصف 0.5:يستخدم لتطبيقات الفوترة التجارية والصناعية.
• الصف 0.2:مطلوب لقياس الإيرادات بدقة عالية.

تتضمن بعض الفئات الحرف "S". يشير رمز "S" في فئات قياس IEC CT، مثل 0.2S و0.5S، إلى دقة عالية. يُستخدم هذا التصنيف تحديدًا في تطبيقات قياس التعرفة حيث تكون القياسات الدقيقة بالغة الأهمية، خاصةً في الحد الأدنى من نطاق التيار.

تفسير فئات الحماية CT (على سبيل المثال، 5P10، 10P20)

تستخدم فئات الحماية CT رمزًا من ثلاثة أجزاء يصف سلوكها أثناء حدوث عطل. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك:5P10.

تحليل رمز 5P10:

• 5:هذا الرقم الأول هو الحد الأقصى للخطأ المركب كنسبة مئوية (5%) عند حد الدقة.
• Pيشير الحرف "P" في تصنيف مثل 5P10 إلى "فئة الحماية". هذا يشير إلى أن جهاز CT مصمم أساسًا لتطبيقات الترحيل الوقائية، وليس للقياس الدقيق.
• 10هذا الرقم الأخير هو عامل حد الدقة (ALF). ويعني أن جهاز القياس سيحافظ على دقته المحددة حتى يصل تيار العطل إلى عشرة أضعاف قيمته الاسمية.

وبالمثل، أ10P20تحتوي فئة التصوير المقطعي المحوسب على حد خطأ مركب بنسبة 10% وعامل حد دقة بنسبة20في تسمية مثل 10P20، يشير الرقم "20" إلى عامل حد الدقة. يشير هذا العامل إلى أن خطأ المحول سيبقى ضمن الحدود المقبولة عندما يكون التيار 20 ضعف قيمته الاسمية. تُعد هذه الخاصية أساسية لضمان عمل مرحلات الحماية بشكل صحيح في حالات قصر الدائرة الشديد.

دليل التطبيق: مطابقة CT للمهمة

اختيار محول التيار المناسب ليس مسألة تفضيل، بل متطلب يفرضه التطبيق. يوفر محول التيار القياسي الدقة اللازمة للمعاملات المالية، بينما يوفر محول التيار الوقائي الموثوقية اللازمة لسلامة الأصول. إن فهم مكان استخدام كل نوع أمر أساسي لتصميم وتشغيل نظام كهربائي سليم.

متى تستخدم التصوير المقطعي المحوسب للقياس

ينبغي على المهندسين استخدام أجهزة قياس المقطعية في أي تطبيق يكون فيه التتبع الدقيق لاستهلاك الكهرباء هو الهدف الأساسي. تُعدّ هذه الأجهزة أساسًا للفوترة الدقيقة وإدارة الطاقة. يُولي تصميمها الأولوية للدقة العالية في ظروف الأحمال العادية.

تتضمن التطبيقات الرئيسية لأجهزة القياس المقطعية ما يلي:

• قياس الإيرادات والتعرفةتستخدم شركات المرافق العامة محوِّلات كهربية عالية الدقة (مثل فئتي 0.2S و0.5S) لفوترة العملاء السكنيين والتجاريين والصناعيين. تضمن هذه الدقة معاملات مالية عادلة وصحيحة.
• أنظمة إدارة الطاقة (EMS)تستخدم المنشآت هذه الأجهزة لمراقبة استهلاك الطاقة في مختلف الأقسام أو المعدات. تساعد هذه البيانات في تحديد أوجه القصور وتحسين استخدام الطاقة.
• تحليل جودة الطاقةتتطلب أجهزة تحليل جودة الطاقة مدخلات دقيقة لتشخيص مشاكل مثل التوافقيات وانخفاض الجهد. في هذه القياسات، وخاصةً في أنظمة الجهد المتوسط، تُعد استجابة التردد لمحول الجهاز أمرًا بالغ الأهمية. قد تحتاج أجهزة التحليل الحديثة إلى بيانات موثوقة.حتى 9 كيلو هرتز، مما يتطلب محولات ذات تردد محسن لالتقاط الطيف التوافقي الكامل.

ملاحظة حول الاختيار:عند اختيار CT لجهاز قياس الطاقة أو المحلل، هناك عدة عوامل مهمة.

• توافق الإخراج:يجب أن يتطابق خرج CT (على سبيل المثال، 333 مللي فولت، 5 أمبير) مع متطلبات إدخال العداد.
• حجم الحمل:يجب أن يتوافق نطاق الأمبير في CT مع الحمل المتوقع للحفاظ على الدقة.
• اللياقة البدنيةيجب أن يتناسب محول التيار الكهربائي (CT) مع الموصل. تُعد ملفات روجوفسكي المرنة حلاً عمليًا لقضبان التوصيل الكبيرة أو المساحات الضيقة.
• دقةبالنسبة للفوترة، الدقة القياسية هي ٠٫٥٪ أو أكثر. أما بالنسبة للمراقبة العامة، فقد تكون ١٪ كافية.

متى تستخدم جهاز الحماية المقطعي

يجب على المهندسين استخدام محولات كهربائية وقائية عندما يكون الهدف الرئيسي هو حماية الأفراد والمعدات من التيارات الزائدة والأعطال. صُممت هذه المحولات لتظل عاملة أثناء الحوادث الكهربائية الشديدة، موفرةً إشارة موثوقة لمرحل الحماية.

تتضمن التطبيقات الشائعة لأجهزة حماية CT ما يلي:

• حماية التيار الزائد والخطأ الأرضي: تُغذي هذه المحولات الكهربائية (CTs) إشارات إلى مرحلات (مثل جهاز ANSI 50/51) التي تكتشف أعطال الطور أو التأريض. ثم يُفعّل المرحل قاطع دائرة لعزل العطل. في معدات توزيع الجهد المتوسط، باستخدام قاطع دائرة مُخصصالتصوير المقطعي المحوسب ذو التسلسل الصفريغالبًا ما يوصى باستخدام الحماية من الأعطال الأرضية عبر اتصال متبقي منأجهزة التصوير المقطعي ثلاثية الطوريمكن أن يؤدي الاتصال المتبقي إلى رحلات خاطئة بسبب عدم تساوي التشبع أثناء بدء تشغيل المحرك أو أعطال الطور.
• الحماية التفاضليةيحمي هذا النظام الأصول الرئيسية، مثل المحولات والمولدات، بمقارنة التيارات الداخلة والخارجة من المنطقة المحمية. ويتطلب مجموعات متطابقة من محولات الحماية.مرحلات رقمية حديثةيمكن التعويض عن اتصالات CT المختلفة (Wye أو Delta) وتحولات الطور من خلال إعدادات البرنامج، مما يوفر مرونة كبيرة في هذه المخططات المعقدة.
• حماية المسافةيُستخدم هذا النظام في خطوط النقل، ويعتمد على محولات التيار الكهربية الواقية لقياس معاوقة العطل. قد يُشوّه تشبع محول التيار هذا القياس، مما يُؤدي إلى خطأ في تقدير موقع العطل بواسطة المُرحّل. لذلك، يجب تصميم محول التيار الكهربي لتجنب التشبع طوال مدة القياس.

وفقًا لـ ANSI C57.13، يجب أن يتحمل جهاز CT الواقي القياسي ما يصل إلى20 مرةتياره المقدر أثناء العطل. هذا يضمن قدرته على توصيل إشارة صالحة للاستخدام إلى المُرحِّل عند الحاجة.

التكلفة العالية للاختيار الخاطئ

يُعدّ استخدام نوع خاطئ من أجهزة التصوير المقطعي المحوسب خطأً فادحًا ذا عواقب وخيمة. فالاختلافات الوظيفية بين أجهزة القياس والحماية غير قابلة للتبادل، وقد يؤدي عدم التطابق إلى نتائج خطيرة ومكلفة.

• استخدام جهاز قياس الأشعة المقطعية للحمايةهذا هو الخطأ الأخطر. صُمم عداد التيار المتردد (CT) للقياس ليُشبع عند تيارات زائدة منخفضة لحماية العداد. في حالة حدوث عطل كبير، سيُشبع على الفور تقريبًا. سيفشل عداد التيار المتردد المُشبع في إعادة إنتاج تيار العطل العالي، ولن يُدرك مُرحِّل الحماية الحجم الحقيقي للحدث. قد يؤدي هذا إلى تأخر في التشغيل أو تعطل تام، مما يُؤدي إلى تلف كارثي في ​​المعدات، ونشوب حريق، وخطر على الأفراد. على سبيل المثال، قد يُسبب تشبع عداد التيار المتردد (CT) تلف مُرحِّل الحماية التفاضلية للمحول.سوء التصرف، مما يؤدي إلى رحلة غير مرغوب فيها أثناء حدوث خطأ خارجي.
• استخدام جهاز التصوير المقطعي المحوسب للحماية للقياسيؤدي هذا الاختيار إلى عدم دقة مالية. محول الطاقة الوقائي غير مصمم للدقة عند تيارات التشغيل العادية. تضمن فئة دقته (مثل 5P10) الأداء عند مضاعفات عالية من تصنيفه، وليس عند الحد الأدنى من المقياس الذي تعمل به معظم الأنظمة. استخدام هذا المحول في الفوترة أشبه بقياس حبة رمل بمسطرة. ستكون فواتير الطاقة الناتجة غير دقيقة، مما يؤدي إلى خسارة في الإيرادات لشركة المرافق أو زيادة في أسعار الكهرباء على المستهلك.

سيناريو الفشل الحرج:في مخططات حماية المسافة، يتسبب تشبع CT في قيام التتابع بقياسمقاومة أعلىمن القيمة الفعلية. هذا يُقصّر فعليًا مدى الحماية للمُرحّل. العطل الذي يجب إصلاحه فورًا قد يُنظر إليه على أنه عطل أبعد، مما يُسبب تأخرًا في التوصيل. هذا التأخير يُطيل الضغط على النظام الكهربائي ويزيد من احتمالية حدوث أضرار واسعة النطاق.

في نهاية المطاف، تتجاوز تكلفة اختيار جهاز تصوير مقطعي محوسب غير صحيح سعر القطعة نفسها بكثير. ويتجلى ذلك في تدمير المعدات، وتوقف التشغيل، وعدم دقة السجلات المالية، وتقويض السلامة.

هل يمكن لجهاز CT واحد أن يخدم كل من القياس والحماية؟

على الرغم من اختلاف تصميم محولات القياس والحماية، إلا أن المهندسين يحتاجون أحيانًا إلى جهاز واحد لأداء الوظيفتين. وقد أدت هذه الحاجة إلى تطوير محولات ثنائية الغرض متخصصة، إلا أنها تأتي بمزايا خاصة.

التصوير المقطعي ثنائي الغرض (الفئة X)

فئة خاصة، تُعرف باسممحول التيار من الفئة X أو الفئة PSيمكن استخدام هذه الأجهزة لأغراض القياس والحماية. لا تُعرّف هذه الأجهزة بفئات دقة قياسية مثل 5P10، بل يُحدَّد أداؤها بمجموعة من المعايير الرئيسية التي يستخدمها المهندس للتحقق من ملاءمتها لنظام حماية محدد.

وفقا لمعايير IECيتم تحديد أداء CT من الفئة X من خلال:

• التيار الأساسي المقدر
• نسبة الدورات
• جهد نقطة الركبة (KPV)
• تيار المغناطيسية عند الجهد المحدد
• مقاومة اللف الثانوي عند 75 درجة مئوية

تتيح هذه الخصائص للجهاز توفير دقة عالية للقياس في الظروف العادية، مع توفير جهد ركبة متوقع لضمان تشغيل موثوق للمرحل عند حدوث أعطال. تُستخدم هذه الخصائص غالبًا في أنظمة الحماية التفاضلية عالية المقاومة، حيث يجب معرفة الأداء بدقة.

القيود العملية والمقايضات

على الرغم من وجود أجهزة قياس التيار من الفئة X، إلا أنه غالبًا ما يتم تجنب استخدام جهاز واحد للقياس والحماية. فلكلٍّ من الوظيفتين متطلبات متعارضة جوهريًا.

تم تصميم جهاز قياس المقطع المقطعي المحوسب للتشبع مبكرًا لحماية العدادات الحساسة.تم تصميم CT للحمايةلمقاومة التشبع لضمان قدرة المُرحّل على اكتشاف العطل. يجب أن يجمع مُحوّل التيار ثنائي الغرض بين هذين الهدفين المتعارضين.

هذا التنازل يعني أن جهاز التصوير المقطعي ثنائي الغرض قد لا يؤدي أيًا من المهمتين بكفاءة وحدة مخصصة. يصبح التصميم أكثر تعقيدًا وتكلفة. في معظم التطبيقات، يُعد تركيب جهازي تصوير مقطعي منفصلين ومتخصصين - أحدهما للقياس والآخر للحماية - الحل الأكثر موثوقية وفعالية من حيث التكلفة. يضمن هذا النهج أن كلا الجهازين...نظام الفوترةويعمل نظام السلامة دون أي تنازل.

---

الاختيار بينمحولات القياس والحمايةقرارٌ حاسمٌ قائمٌ على أولوية التشغيل. أحدهما يوفر دقةً في الفوترة، بينما يضمن الآخر الموثوقية عند حدوث عطل. اختيار النوع المناسب أمرٌ أساسيٌّ لضمان سلامة النظام، والدقة المالية، وطول عمر المعدات. يجب على المهندسين دائمًا مقارنة مواصفات جهاز CT باحتياجات الجهاز المتصل.

أقائمة التحقق النهائيةيتضمن:

1. تحديد التيار الأساسي:قم بمطابقة نسبة CT مع الحد الأقصى للحمل.
2. حساب العبء:جمع حمل جميع المكونات المتصلة.
3. التحقق من دقة الفئة:حدد الفئة الصحيحة للقياس أو الحماية.

التعليمات

ماذا يحدث إذا تم ترك الدائرة الثانوية للـ CT مفتوحة؟

تُولّد الدائرة الثانوية المفتوحة جهدًا كهربائيًا عاليًا خطيرًا. يُصبح التيار الأساسي تيارًا مغناطيسيًا، مُشبعًا القلب. قد تُدمّر هذه الحالة جهاز CT وتُشكّل خطرًا كبيرًا للتعرض لصدمة كهربائية.

السلامة أولاً:قم دائمًا بتقصير الدائرة الكهربائية للمحطات الثانوية قبل فصل أي جهاز عن الدائرة.

كيف يقوم المهندسون باختيار نسبة CT الصحيحة؟

يختار المهندسون نسبة يكون فيها الحد الأقصى الطبيعي لتيار النظام قريبًا من التصنيف الأساسي لمحول التيار. يضمن هذا الاختيار عمل محول التيار ضمن نطاقه الأكثر دقة. على سبيل المثال، يعمل حمل 90 أمبير بشكل جيد مع محول تيار 100:5 أمبير.

لماذا يعد التصوير المقطعي المحوسب غير آمن للحماية؟

يتشبع جهاز قياس التيار المقطعي بسرعة أثناء حدوث عطل. ولا يمكنه إرسال تيار العطل الحقيقي إلى مرحل الحماية. عندها، يفشل المرحل في فصل القاطع، مما يؤدي إلى تلف الجهاز ومخاطر سلامة جسيمة.

هل يمكن لجهاز CT واحد أن يخدم القياس والحماية في نفس الوقت؟

يمكن لأجهزة قياس التيار من الفئة X الخاصة أداء كلا الدورين، ولكن تصميمها يتطلب حلاً وسطًا. لتحقيق أقصى درجات السلامة والدقة، عادةً ما يُركّب المهندسون جهازي قياس تيار منفصلين ومخصصين - أحدهما للقياس والآخر للحماية.