النوعان الرئيسيان للمحولات القياسية في نظام الكهرباء.

I. محول الجهد (VT)

محول الجهد (محول الجهد المحتمل، اختصاراً PT؛ محول الجهد، اختصاراً VT) هو جهاز كهربائي يستخدم لتحويل مستويات الجهد في الدوائر الكهربائية.

1. مبدأ العمل

يعمل محول الجهد على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي وله بنية مشابهة لمحول التيار التقليدي، يتكون أساساً من ملف أولي، وملف ثانوي، ونواة. يتم توصيل الملف الأولي بالتوازي مع الدائرة ذات الجهد العالي التي يتم قياسها ويحتوي على عدد كبير من اللفات.

يتم توصيل الملف الثانوي، الذي يحتوي على عدد أقل من اللفات، بأجهزة القياس، وأجهزة الحماية، والأحمال الأخرى. تحت ظروف التشغيل العادية، يكون الجانب الثانوي تقريباً في حالة دائرة مفتوحة. وفقاً لقانون الحث الكهرومغناطيسي، نسبة الجهد الأولي إلى الجهد الثانوي تساوي نسبة اللفات (U₁/U₂ = N₁/N₂). هذا يسمح بتخفيض الجهد العالي بشكل تناسبي إلى جهد منخفض قياسي (عادة 100V أو 100/√3 V)، مما يجعله آمن ومناسب لأجهزة القياس والحماية.

رمزه الكهربائي كالتالي:

2. الوظائف

• قياس الجهد: تخفيض الجهد العالي للأنظمة إلى جهد منخفض قياسي (مثل 100V أو 100/√3 V) لاستخدامه بواسطة أجهزة قياس الجهد، وأجهزة قياس الطاقة، وغيرها من أجهزة القياس، مما يمكّن من مراقبة الجهد في النظام الكهربائي بوقت حقيقي.
• حماية الأجهزة: توفير إشارات جهد موثوقة لأجهزة الحماية للحماية من زيادة الجهد، ونقص الجهد، وغيرها من وظائف الحماية. عند حدوث ظروف جهد غير طبيعية، تستجيب نظام الحماية بسرعة، وتطلق أمر فصل لتقطيع الدائرة المعيبة وضمان سلامة النظام والمعدات.
• قياس الطاقة والفواتير: يعمل بالتعاون مع أجهزة قياس الطاقة لقياس استهلاك الطاقة بدقة في الدوائر ذات الجهد العالي. يشكل أساساً هاماً للفواتير والتسويات الطاقوية.

3. الخصائص

• دقة عالية: محولات الجهد القياسية لديها درجات دقة عالية (مثل 0.2، 0.5) لضمان قياس الجهد والطاقة بدقة. محولات الجهد للحماية تعطي الأولوية للرد السريع ولديها درجات دقة نسبية أقل (مثل 3P، 6P).
• متطلبات عزل عالية: يجب أن تتحمل محولات الجهد العالي جهود تشغيل عالية وتستخدم عادة عازل مغمور بالزيت، أو غاز SF₆، أو راتنج صلب لتحقيق أداء مستقر وموثوق. محولات الجهد المنخفض هي في الغالب من النوع الجاف، ببنية بسيطة وسهولة الصيانة.
• لا يجب قصر الجانب الثانوي: يمكن أن يؤدي القصر على الجانب الثانوي إلى توليد تيارات عالية جداً، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة وتدمير اللفات. لذلك، يجب حماية الدائرة الثانوية بمفاتيح قاطعة أو مقاومات ذوبان.

4. سيناريوهات التطبيق

• تطبيقات الجهد العالي: مناسبة لخطوط النقل والمحطات الفرعية ذات جهد 1 كيلوفولت وما فوق (مثل 10 كيلوفولت، 35 كيلوفولت، 110 كيلوفولت). تستخدم لمراقبة جهد الشريط أو الخطوط وتزويد أنظمة الحماية بالإدخال، مما يضمن تشغيل الشبكة بأمان واستقرار.
• تطبيقات الجهد المنخفض: تنطبق على أنظمة التوزيع أقل من 1 كيلوفولت (مثل دوائر المنازل بـ 220V، وأنظمة الصناعة بـ 380V). غالبًا ما يتم تركيبها في لوحة التوزيع المنخفضة الجهد لمراقبة الجهد على جانب المستهلك أو التفاعل مع أجهزة قياس الطاقة لقياس الطاقة.

II. محول التيار (CT)

محول التيار (CT)، والمعروف أيضًا باسم محول التيار، هو محول أداة يعمل تحت ظروف التشغيل العادية لإنتاج تيار ثانوي متناسب بشكل كبير مع التيار الأولي، مع اختلاف الطور يقترب من الصفر عند التوصيل الصحيح.

1. مبدأ العمل

يعمل محول التيار على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي وله بنية مشابهة لمحول التيار التقليدي، يتكون من ملف أولي، وملف ثانوي، والنواة المغناطيسية. يتم توصيل الملف الأولي بالسلسلة مع الدائرة التي يتم قياسها ويحتوي على عدد قليل جدًا من اللفات (أحيانًا فقط لفة واحدة)، وهو يحمل التيار الأولي العالي.

يتم توصيل الملف الثانوي، الذي يحتوي على عدد أكبر بكثير من اللفات، بالسلسلة مع أجهزة القياس، وأجهزة الحماية، والأحمال الأخرى، ليشكل حلقة مغلقة. تحت ظروف التشغيل العادية، يكون الجانب الثانوي تقريباً في حالة دائرة قصيرة. وفقاً للحث الكهرومغناطيسي، نسبة التيار الأولي إلى التيار الثانوي تكون عكس نسبة اللفات (I₁/I₂ = N₂/N₁). هذا يسمح بتخفيض التيار العالي بشكل تناسبي إلى تيار ثانوي قياسي منخفض (عادة 5A أو 1A)، مما يسهل القياس والمراقبة والحماية.

رمزه الكهربائي كالتالي:

نسبة التيار الأولي إلى التيار الثانوي المحدد لمحول التيار تسمى نسبة تحويل التيار (Ke). يتم التعبير عن نسبة تحويل التيار كالتالي:

ملاحظة:

• W₁، W₂ هما عدد اللفات في الملف الأولي والثانوي للمحول على التوالي؛
• I₁ₑ، I₂ₑ هما التيار المحدد للملف الأولي والثانوي على التوالي؛
• I₁، I₂ هما التيار الفعلي في الملف الأولي والثانوي على التوالي.

2. الوظائف

• قياس التيار: تخفيض التيار الأولي العالي إلى تيار ثانوي قياسي منخفض (مثل 5A أو 1A)، مما يمكّن أجهزة قياس التيار، وأجهزة قياس الطاقة، وغيرها من الأجهزة من مراقبة تيار الحمل في الوقت الحقيقي.
• حماية الأجهزة: توفير إشارات التيار لأجهزة الحماية للحماية من زيادة التيار، والفرق، والمسافة. عند حدوث أعطال مثل القصر الكهربائي أو زيادة الحمل، تقوم نظام الحماية بإطلاق إشارة فصل لقطع التيار الكهربائي، مما يمنع تلف المعدات وعدم استقرار النظام.
• عزل كهربائي: توفير عزل جالفاني بين الدائرة الأولية ذات الجهد العالي والدوائر الثانوية ذات الجهد المنخفض المستخدمة للقياس، والتحكم، والحماية. وهذا يضمن سلامة الأفراد والمعدات الثانوية.

3. الخصائص

• موثوقية عالية: يجب أن تتحمل الضغوط الميكانيكية والحرارية العالية أثناء حالات القصر. يتم تصميم محولات التيار بثبات ديناميكي وحراري ممتاز لتبقى سليمة تحت ظروف الأعطال القصوى.
• تصميم متعدد اللفات: غالباً ما تحتوي محولات التيار ذات الجهد العالي على ملفات ثانوية متعددة - واحد لقياس الطاقة (دقة عالية، مثل الفئة 0.5) والآخر للحماية (نطاق واسع والاستجابة السريعة، مثل الفئة 5P أو 10P). محولات التيار ذات الجهد المنخفض عادة ما تحتوي على ملف واحد أو ملفين لتلبية الاحتياجات الأساسية للتطبيق.
• لا يجب فتح الجانب الثانوي: يمكن أن يؤدي فتح الدائرة على الجانب الثانوي إلى توليد جهود عالية جدًا (تصل إلى عدة كيلوفولت) عبر اللفات، مما يشكل مخاطر خطيرة على الانهيار العازل وتلف المعدات والصعق الكهربائي. لذلك، يجب أن تظل الدائرة الثانوية مغلقة أثناء التشغيل - ولا يجوز فتحها على الإطلاق.

4. سيناريوهات التطبيق

• تطبيقات الجهد العالي: تُستخدم في خطوط النقل والمحطات الفرعية ذات جهد 1 كيلوفولت وما فوق (مثل 10 كيلوفولت، 35 كيلوفولت، 110 كيلوفولت). تُستخدم على نطاق واسع في مراقبة التيار وحماية المعدات الهامة مثل محولات التيار، وأجهزة الفصل، والشرائط، مما يلعب دورًا حيويًا في ضمان موثوقية وسلامة الشبكة.
• تطبيقات الجهد المنخفض: تُطبق في أنظمة التوزيع أقل من 1 كيلوفولت (مثل ورش العمل الصناعية، والمباني التجارية، والمباني السكنية). غالبًا ما يتم تركيبها في لوحة التوزيع المنخفضة الجهد أو ألواح التوزيع لرصد الدوائر الفرعية، وقياس الطاقة، أو التكامل مع أجهزة التيار المتبقي (RCDs) وأجهزة العداد الذكية لتمكين إدارة استخدام الطاقة بأمان وكفاءة.