كيفية اختيار المحولات ذات الدقة العالية للقياس؟

فهم فئات دقة المحولات والمعايير ذات الصلة

فك رموز فئات دقة محولات التيار: 0.1 و0.2 و0.5 وفق المعيار IEC 61869-2

تأتي محولات التيار مع درجات دقة قياسية محددة في إرشادات المعيار الدولي IEC 61869-2. وهذه الدرجات عبارة عن أرقام مثل ٠٫١ و٠٫٢ و٠٫٥، وتُشير إلى مدى الخطأ المسموح به عند قياس التيار عند أحمال مختلفة. فعلى سبيل المثال، يظل محول التيار من الفئة ٠٫١ ضمن هامش خطأ نسبي قدره زائد أو ناقص ٠٫١٪ تقريبًا، بينما قد تصل نسبة الانحراف في محول التيار من الفئة ٠٫٥ إلى نصف بالمئة في أي اتجاه. وبشكل عام، كلما انخفض الرقم كانت الدقة أفضل. وتُستخدم وحدات الفئة ٠٫١ عادةً في التطبيقات التي تكون فيها الدقة المالية بالغة الأهمية، لأن حتى الأخطاء الصغيرة تؤثر مباشرةً على حسابات الفوترة. أما الفئة ٠٫٢ فتوفر دقة كافية للأنظمة الحرجة الخاصة بالحماية دون أن تُثقل كاهل الميزانية، بينما تكفي الفئة ٠٫٥ لمهام المراقبة اليومية العادية. ووفقًا للمعايير، يجب على المصنّعين اختبار هذه الأجهزة عبر نطاق يتراوح بين ٥٪ و١٢٠٪ من سعتها المُعلَّنة لضمان أداءٍ سليمٍ في الظروف الواقعية. كما يجب عليهم التحقق ليس فقط من دقة القياس، بل أيضًا من عوامل أخرى، ومنها كفاءتها في التعامل مع زوايا الطور واستجابتها للتغيرات في ظروف الحمل.

كيف تُعرِّف فئة الدقة الحد الأقصى المسموح به للخطأ في الظروف المُصنَّفة

فئة الدقة تُخبرنا أساسًا بأقصى خطأ ممكن (وهو مجموع أخطاء النسبة والطور) عندما تكون الظروف مثالية تمامًا في بيئة المختبر. ونقصد بذلك القياسات التي تُؤخذ عند التردد المُصنَّف، وعند درجة الحرارة القياسية البالغة حوالي ٢٠ درجة مئوية، وعندما يتطابق الحمل الثانوي بدقة مع القيمة المحددة له. فعلى سبيل المثال، فإن محول التيار من الفئة ٠٫٢ سيبقى ضمن هامش الخطأ المسموح به والبالغ ٠٫٢٪ فقط إذا شُغِّل عند التيار المُصنَّف الكامل، وبقي ضمن حدود زائد أو ناقص ٢٥٪ من مستوى الحمْل المحدد له. ومع ذلك، فإن الأداء يبدأ بالانحراف سريعًا بمجرد دخول العوامل الواقعية حيز التنفيذ. فعند حدوث تغيُّرات في الحمل أو إعدادات الحمْل أو درجات حرارة البيئة المحيطة، فإن حتى أصغر الانحرافات عن الظروف المثالية قد تؤدي إلى أداء غير مطابق لمواصفات الفئة المُعلَّنة للمعدات. وإذا تجاوز الحمْل الحدود المسموح بها من حيث التحمل، فإن التصنيف ككل يصبح غير ساري المفعول، وقد نلاحظ ارتفاع أخطاء القياس لتتجاوز ٠٫٥٪ أثناء العمليات الميدانية الفعلية.

المعلمات الكهربائية الرئيسية التي تحدد دقة المحول في الاستخدام الفعلي

مطابقة الحمل والمقاومة الثانوية: منع انخفاض الدقة

إن ضبط الحمل بشكلٍ صحيح يكتسب أهميةً كبيرةً عند الحديث عن المحولات. وعادةً ما يكون الحمل الواقع على اللفّة الثانوية هو السبب في تلك المشكلات المزعجة المتعلقة بدقة القياس التي نراها في التطبيقات العملية. فإذا تجاوز الحمل الفعلي القيمة المُحددة له بالفولت-أمبير (VA)، فإن الأداء يبدأ في التدهور بسرعةٍ ملحوظة. فتحدث التشبع في القلب الحديدي للمحولة، مما يؤثر سلبًا على دقة قياس كلٍ من النسبة والزاوية الطورية. فعلى سبيل المثال، إذا أخضعت محولة تيار من الفئة 0.5 لحملٍ زائد يتجاوز 40% من حملها المُصنّف، فإنها تبدأ فجأةً في التصرف كمحولة من الفئة 0.8. ولا ينبغي إغفال تأثير المعاوقة الثانوية أيضًا. إذ إن ارتفاع قيمة المعاوقة يؤدي إلى هبوط جهدي أكبر في أسلاك التوصيل وفي ملفات التتابعات، ما يشوّش جودة الإشارة. ولقد رأينا حالاتٍ كان فيها اختلافٌ بنسبة 20% فقط في قيمة المعاوقة كافيًا لإضافة خطأٍ نسبته حوالي 0.4% في عدادات الفواتير وحدها. وهذه الدرجة من الانحراف تؤدي إلى فقدان الامتثال الكامل للفئة 0.2. أما بالنسبة لأي شخص يحتاج إلى دقةٍ عاليةٍ جدًّا، فإن تحقيق التطابق الأمثل للحمل لم يعد مجرّد ممارسةٍ جيدةٍ فحسب، بل أصبح ضرورةً قصوى إذا أراد أن يظل معدّاته ضمن المواصفات المحددة في معيار IEC 61869-2 أثناء ظروف التشغيل العادية.

النطاق المُصنَّف مقابل النطاق الفعلي للتيار: الخطية وخطأ التحميل المنخفض في محولات القياس

تُصبح المحولات عادةً غير خطية عندما تعمل خارج نطاق التيار المثالي لها. فعند التيارات الأقل من حوالي ٥٪ من التيار المُصنَّف لها، لا تحدث إثارة كافية في القلب الحديدي، ما يؤدي إلى أخطاء كبيرة. بل حتى تلك المحولات المتطورة من الفئة ٠٫٥ قد تتجاوز أحيانًا نسبة الخطأ ١٪ عند التشغيل تحت أحمال خفيفة. أما على الطرف العلوي من النطاق، فإن الأمور تزداد سوءًا أيضًا. فبمجرد تجاوز ١٢٠٪ من السعة المُصنَّفة، تبدأ ظاهرة التشبع المغناطيسي بالظهور وتُفسد الخطية تمامًا، ما يؤدي عادةً إلى قفز الانحرافات فوق ٢٪. فعلى سبيل المثال، خذ محول تيار نموذجي مُصنَّف بسعة ١٠٠ أمبير: فهو يعمل بكفاءة عالية في نطاق يتراوح من حوالي ١٠ أمبير وحتى ١٢٠ أمبير، لكن بمجرد خفض التيار إلى نحو ٥ أمبير، ترتفع نسبة الخطأ فجأةً لتتجاوز ٢٪. ولضمان الدقة، يجب على المهندسين اختيار المحولات بحيث يقع تيار التشغيل الفعلي في العالم الحقيقي ضمن الجزء الأوسط من النطاق المُصنَّف، بدلًا من أن يكون في أي مكان بين القيمتين الدنيا والعليا فقط. ويُساعد هذا النهج في تجنُّب أخطاء التشغيل تحت الأحمال الخفيفة المزعجة، ويمنع مشكلات التشبع من الإضرار بسلامة الإشارة.

العوامل البيئية ومستوى النظام المؤثرة في أداء المحولات

درجة الحرارة، التردد، والتوافقيات: قياس الانحرافات عن الدقة المثالية

غالبًا ما تفقد المحولات دقتها عند التعرض لضغوط بيئية ونظامية تفوق بكثير ما هو محدد في الاختبارات المعملية. فعند تغير درجات الحرارة، فإن ذلك يؤثر على نفاذية القلب الحديدي ومقاومة اللفات معًا. فعلى سبيل المثال، إذا ارتفعت درجة الحرارة بمقدار ٨ درجات مئوية فقط فوق نطاق التشغيل الطبيعي، فإن ذلك يُسرّع من معدل تقدم عمر العزل ويؤدي إلى تغيّرات ملحوظة في نسب القياس وفقًا للمعيار الدولي IEC 60076-7 لعام ٢٠٢٣. وتنشأ مشكلة أخرى عن عدم استقرار تردد الشبكة، وهي ظاهرة شائعة جدًّا في الشبكات الضعيفة أو الأنظمة المعزولة. وهذا يؤدي إلى أخطاء تشبع في القلب الحديدي، وبخاصة عندما ينخفض التردد دون مستوياته الطبيعية. أما التشوهات التوافقيّة فهي تخلق مشكلة معقّدة تمامًا. فالتوافقيات من الرتبة الثالثة والخامسة التي تتجاوز نسبة ١٠٪ من إجمالي التشوه التوافقي تشوّه شكل الموجة بطرق لا تأخذها تصنيفات الدقة القياسية في الحسبان إطلاقًا. كما أن التيارات ذات الإزاحة المستمرة (DC offset currents) تفاقم الأمور سوءًا من خلال إحداث مغناطيسية متبقية في القلب الحديدي، مما يخلّ بالقدرة على كشف لحظات عبور الموجة لنقطة الصفر بدقة. ويُظهر الاختبار في الظروف الواقعية أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا: فالمحولات التي تحقّق معيار الفئة ٠٫٥ في البيئات المخبرية الخاضعة للرقابة تصل عادةً إلى دقة تبلغ نحو المستوى ١٫٠ فقط عند التعامل مع كل هذه الضغوط المتراكمة معًا، ومنها الحرارة والتشوهات التوافقيّة وتقلبات التردد. وللمواجهة الفعّالة لهذه المشكلات، يجب على المهندسين التخطيط المسبق عبر خفض السعة التحميلية بنسبة تتراوح بين ١٥ و٢٠٪ في التثبيتات التي تشهد درجات حرارة مرتفعة، وتثبيت مرشحات التوافقيات كلما تجاوز إجمالي التشوه التوافقي نسبة ٨٪.

التحقق من صحة وتحديد محولات الدقة العالية للتطبيقات الحرجة

دراسة حالة: لماذا قدَّمت محولة تيار من الفئة 0.2 دقةً على مستوى 0.5 في قياس الطاقة في المحطات الفرعية

واجه مشروع قياس الطاقة في محطة فرعية مشاكل جسيمة تتعلق بالدقة، حيث أدى محول التيار من الفئة ٠٫٢ (CT) إلى أداءٍ لا يتجاوز دقة المستوى ٠٫٥. وبعد إجراء التحريات، اتضح أن هناك في الواقع ثلاث مشاكل مختلفة في الموقع لم تُؤخذ بعين الاعتبار أثناء المعايرة بالمصنع. أولاً، تجاوزت مستويات التشويه التوافقي نسبة ١٥٪ من مجموع التشويه التوافقي (THD) بشكل كبير بسبب وجود العديد من الأحمال غير الخطية في المحيط، ما تسبب في أخطاء زاوية الطور التي غفلت عنها اختبارات خطأ النسبة الاعتيادية تماماً. وثانياً، كانت هناك مشكلة في درجة الحرارة أيضاً؛ إذ اضطر المعدّات إلى العمل ضمن نطاق يتراوح بين -١٠ درجات مئوية و٥٠ درجة مئوية، مما أدّى إلى تغيّرات في نفاذية القلب الحديدي (core permeability) وأضاف خطأً إضافياً في النسبة بلغ ٠٫١٪ فوق الخطأ المحدَّد أصلاً. وأخيراً، بلغ الحمل الثانوي ٤٫٥ فولت أمبير (VA)، أي بنسبة تزيد ٤٠٪ عن تصنيف محول التيار البالغ ٣٫٢ فولت أمبير (VA). وتسبّب هذا التباين في زيادة انزياح الطور بمقدار ٠٫٣ درجة، ما أثّر سلباً على الدقة الكلية. وبمجملها، أدّت هذه العوامل مجتمعةً إلى تجاوز الخطأ الإجمالي للحد المسموح به والبالغ ٠٫٢٪. وما يعلّمنا إياه هذه الحالة أمرٌ بالغ الأهمية: فاجتياز الاختبارات المخبرية لا يعني بالضرورة أن المعدّات ستؤدي أداءً مثالياً في الظروف الواقعية الفعلية. ولذلك، عند التعامل مع القياسات الحرجة للطاقة الكهربائية، يجب أن تراعي المواصفات ملفات التشويه التوافقي الفعلية، والمدى الحراري الواقعي، ونتائج قياسات الحمل الفعلية، بدل الاعتماد فقط على البيانات المطبوعة على الملصق الخاص بالمعدّات.

الأسئلة الشائعة

ما هي فئات دقة المحولات الحالية (CT)؟
تشير فئات دقة المحولات الحالية (CT)، مثل ٠٫١ و٠٫٢ و٠٫٥، إلى أقصى خطأ مسموح به في المحولات الحالية وفقًا لمعايير IEC 61869-2. وكلما انخفض الرقم، زادت دقة القياس.

لماذا تُعد مطابقة الحمل (Burden Matching) مهمةً للمحولات؟
تكفل مطابقة الحمل أن يتوافق حمل اللفّة الثانوية للمحول مع سعته المُصنَّفة، مما يمنع تشبع القلب ويحافظ على الدقة.

كيف تؤثر العوامل البيئية في دقة المحولات؟
يمكن أن تؤدي عوامل مثل تغيرات درجة الحرارة وعدم استقرار التردد والتشوهات التوافقيّة إلى انخفاض دقة المحولات من خلال تغيير نفاذية القلب والممانعة الكهربائية لللفّات.