طرق الوقاية والحماية المستخدمة فى المحولات الكهربائية

طرق الوقاية والحماية المستخدمة فى المحول الكهربى:

1- وقايات كهربية : وهي مجموعة من الوقايات اهمها الوقاية التفاضلية

2- الوقايات الميكانيكية : ومن ضمنها البوخلز ريليه

وهو جهاز يكون متصل بجسم المحول بين التانك الرئيسي و تنك الزيت conservator عن طريق انبوبه معدنية متصلة بجسم المحول

· وظيفة هذا الريليه هي حماية المحول من القصر الداخلي بين ملفات المحول internal) short circuit between the coils (windings وليس لمستوي الزيت لان مستوي الزيت له قياس زجاجي اعلي المحول يبين مستوي الزيت

·

يعتمد البوخلز في عملة علي فكرة ان التيار الكهربي العالي يسخن الزيت الموجود داخل المحول مما ينشئ عنه تحلل للزيت وتحوله من الحالة السائلة الي الحالة الغازيه وكما تعرف ان الغازات اقل كثافة من السوائل لذلك يتصاعد الي اعلي مندفعا تجاه اعلي جسم المحول وهو تنك الزيت conservator وبذلك سيمر بالبوخلز و الذي يحتوي علي عوامتين موضوعتين بطريقة معينة احداهما متصلة بدائرة انذار والأخري بدائرة الفصل tripping

المتصلة بدائرة الإنذار تعمل في حالة ان يكون تيار القصر صغير مما نتج عنه كميه صغيرة من الغازات والتي بكونها لا تستطيع ان تحرك عوامة الفصل لانها تتطلب قوي اكبرمن الغازات حتي تتحرك لتلامس الlimit switch ليقفل دائرة الفصل

اذن في النهاية فان البوخلز هو جهاز يعمل علي وقاية المحول من تيارات القصرالداخلية معتمدا في عمله علي البخرة و الغازات الناتجة عن احتراق الزيت الموجود داخل المحول نتيجة التيارات العالية سواء قصر او حمل عالي علي المحول overloading

هل اى متمم يناسب اى محول؟

· والجواب لا لأن كل محول له متمم يتناسب مع ال rating الخاص به

لان المحولات ليست متساوية الحجم

فكل power ولها حجمها

وكذلك حسب الشركة المصنعة للمحول

فهناك ABB,siemens ,Alstom,schnider

وغيرها كثير

ولكن نفس فكرة العمل ثابتة للكل

· الطاقة المفقودة في المحول وكيفية الحد منها

· جزء من الطاقة الكهربية يتحول الى طاقة حرارية بسبب مقاومة الأسلاك

· للحد من الفقد بسبب المقاومة تصنع الملفات من النحاس الذي له مقاومة نوعية منخفضة

· جزء يفقد بسبب التيارات الدوامية المتولدة في القلب الحديدي

· يصنع القلب الحديدي من شرائح رقيقة من الحديد المطاوع السليكوني معزولة عن بعضها للحد من التيارات الدوامية

· تسرب جزء من خطوط الفيض خارج القلب الحديدي فلا تقطع الملف الثانوي

· يوضع الملف الابتدائي داخل الملف الثانوي ويعزل عنه

· جزء يفقد في صورة طاقة ميكانيكية تستنفذ في تحريك الجزيئات المغناطيسية للقلب الحديدي

· للحد من الفقد يصنع القلب من الحديد المطاوع لسهولة حركة جزيئاته المغناطيسية

كفاءة المحول

هي النسبة بين الطاقة الكهربائية في الملف الثانوي الى الطاقة الكهربائية في الملف الابتدائي أو هي النسبة بين قدرة الملف الثانوي وقدرة الملف الابتدائي

استخدام المحول في نقل القدرة الكهربية

لا يمكن تحقيق الاستعمال الفعال للطاقة الكهربائية الا بواسطة نقلها لمسافات بعيدة بأقل خسارة ممكنة ويجب لهذا نقل الطاقة تحت جهد عالي جدا حيث توجد محولات رافعة عند أماكن توليد الطاقة وتنقل الطاقة عبر الأسلاك والأبراج الهوائية الى أماكن الاستهلاك حيث توجد محولات لخفض القوة الدافعة

كفاءة النقلـ هي النسبة بين الطاقة الكهربائية التي تصل الى أماكن الاستهلاك والطاقة الكهربية الناتجة في محطات التوليد

ولنعرف عمل المحول من حيث كونه رافع او خافض للجهد ليس اعتمادا على جهد ي التغذية (الدخل والخرج) فهذا الأسلوب في التعريف لن يمكننا في معرفة نوع المحول الا بعد تطبيق جهد التغذية أما ان أردنا معرفة نوع المحول من خلال تصميمه ومعطياته الفنية فنستطيع القول :

إذا كان عدد لفات الملف الثانوي اكبر من عدد لفات الملف الابتدائي فان المحول سيقوم برفع الجهد وعندها يسمى محولا رافعا للجهد والعكس صحيح . أي إذا كان عدد لفات الملف الابتدائي اكبر من عدد لفات الملف الثانوي فان المحول سيقوم بخفض الجهد ويسمى عندها المحول خافضا للجهد

ولنأخذ مثالا عمليا على ذلك ولكن قبل المثال دعونا نعرف نسبة عدد اللفات :

تعرف مصطلح نسبة عدد اللفات بأنه نسبة عدد لفات الملف الثانوي (Ns) الى عدد لفات الملف الابتدائي (Np) ويكتب كما في الشكل التالي :

[...] 1فلو فرصنا ان عدد لفات الملف الثانوي هي (100 لفة ) وان عدد لفات الملف الابتدائي هي ( 10 لفات )فان نسبة اللفات واعتمادا على التعريف السابق ستكون :

: :

[...]

نعبر عن ذلك بقولنا : ان نسبة اللفات هي ( عشرة الى واحد ) وبالتالي فن جهد الملف الثانوي سيكون اكبر عشرة أضعاف الملف الابتدائي أي ان نسبة الجهد تساوي نسبة عدد الفات:

[...]

حيث (Es) هي جهد الملف الثانوي

(Ep) هي جهد الملف الأولي

ويمكننا الآن استخدام هذه العلاقة الرياضية في حساب جهد الملف الثانوي في حال تم معرفة نسبة عدد اللفات والجهد المطبق على الملف الابتدائي

نعود الآن الى طرح مثال عملي :

فلو فرضنا ولدينا محول كهربائي نسبة اللفات فيه هي نفس النسبة السابقة وطبقنا على ملفه الابتدائي جهد قدره (100 V ) فان الجهد المتولد عند الملف الثانوي يحسب على الشكل التالي :

[...]

]

أي أننا بإمكاننا وباختيار عدد اللفات المناسبة نستطيع رفع الجهد الى أي قيمة نرغب بها

**************************************************

تيار الملف الابتدائى * تيار الملف الثانوى = عدد لفات الملف الأبتدائى * عدد لفات الملف الثانوى

NS * NP = IS * IP

القدرة = قدرة الملف الابتدائى = قدرة الملف الثانوى

P = Pp = Ps

القدرة = جهد الأبتدائى * تيار الأبتدائى

IP * VP = P

القدرة = جهد الثانوى * تيار الثانوى

IS * VS = P

تيار الملف الابتدائى * تيار الملف الثانوى = عدد لفات الملف الأبتدائى * عدد لفات الملف الثانوى

NS * NP = IS * IP

NS نسبة التحويل = عدد ملفات الملف الثانوى =

NP عدد ملفات الملف الأبتدائى

جهد الملف الثانوى= عدد لفات الملف الثانوى

جهد الملف الأبتدائى عدد لفات الملف الأبتدائى

NS = VS

NP VP

عدد لفات الملف الثانوى 20 لفة

عددلفات الملف الابتدائى 80 لفة

نسبة التحويل = 20/80 = .25

جهد الملف الابتدائى = 400 فولت

20/80 = جهد الثانوى / 400

جهد الثانوى = 20/80 * 400 = 100 فولت

مواصفات محولات القدرة ( نعطي مثال ومنه نخرج ان شاء الله بالفائدة ) :

- محول قدرة 3 فاز / 500 ك.ف.أ / جهد ابتدائي 11000 ف / جهد ثانوي 380 - 220 ف / تبريد زيت

هذه المواصفات هي مواصفات محول قدرة عند شرائه والمواصفات كالتالي :

2- نحدد قدرة المحول ( القدرة الظاهرية 1- نحدد عدد الأوجه للمحول ( يوجد محولاات 3 فاز / ومحولاات 1 فاز او 2 فاز ) - المحول الموجود بالمثال 3 فازS = I x V /1000 KVA ) - وفي هذا المثال قدرة المحول = 500 ك.ف.أ

هل يمكن تحديد التيار الأبتدائي والتيار الثانوي ؟ نعم باستخدام معادلة القدرة الظاهرية كالتالي:

تيار الأبتدائي من تطبيق العلاقة على الملف الإبتدائي S = 1.7*I p
500*1000=1.7*IP*11000

نجد أن Ip= 26.7 A

تيار الثانوي من تطبيق العلاقة على الملف الثانوي=
Is=500*1000/380*1.7

نجد أن Is= 774 A



3- نحدد الجهد الإبتدائي للمحول ( 11000 ف كما ف المثال ) وكذلك الجهد الثانوي ( 380ف - 220 ف كما ف المثال )

ويتلاحظ لنا أن هذا المحول محول خفض ( وكل محولاات التوزيع هي محولات خفض للجهد )

ويتلاحظ لنا ايضا ان جهد الثانوي هو 380 ف ( جهد اللاين Phase To Phase ) و 220 ف ( جهد اللاين مع الطرف

المتعادل Phase To Neutral )

4- بعد ذلك نحدد نوع تبريد المحول ( بعض المحولاات تبريد زيت وهو الشائع استخدامه وبعضها تبريد هواء)

المحول الذاتى أوالمحول الالى

هو محول كهربائى عادى ولكن ذو ملف واحد فقط. الملف له ثلاث نقاط توصيل

كهربائيه على الاقل. يتم توصيل كل من المصدر الكهربائى إلى نقطة و الحمل إلى نقطه توصيل أخرى خاصه به.

[...]

وبنهاية الملف توجد نقطه توصيل مشتركه بين كل من المصدر والحمل .

كل نقطة توصيل يقابلها جهد كهربائى مختلف لكل من المصدر و الحمل.

و يلاحظ ان جزء من الملف يعمل كقاسم مشترك بين الملف الابتدائى والثانوى

أى يمكن القول أن المحول الذاتى هو عباره عن قلب من الحديد يلف عليه ملف واحد

يتصل بالتيار المتردد

ويكون الجهد الخارج من احد قطبيه مشترك مع تيار المصدر

والقطب الثانى مأخوذ من نقطه على الملف نفسه

أى ان الملف يعتبر ملف خانق للتيار كى نحصل منه على

الجهد المطلوب ويمكن للمحول الذاتى أن يكون رافعاً للجهد كما بالشكل السابق أو خافض للجهد مثل الشكل التالى

[...]

وبناء على ذلك فإن استخدم المحول كمحول رافع فجهد المصدر يكون جزء من جهد الحمل وعلى المحول أن يولد فقط فرق الجهد بين المنبع والحمل

و إن استخدم كمحول خافض ، فإن التيار من المصدر يعبر للحمل و عليه فالمحول عليه أن يولد فرق التيار بين الابتدائى والثانوى

وكما فى الشكل التالى فأن النقطة ج هى النقطة المشتركة بين الابتدائى و الثانوى ، النقطتان (ب.ج) هما دخول المصدر والملف الابتدائى ، النقطتان (ب.د) يمثلان الملف الثانوى أى أن الملف الثانوى هو عبارة عن جهد المنبع (ب.ج)+ الملف (ج.د) =100فولت + 10فولت =110فولت وجهد المنبع 100 فولت

P1=V1*I1= V2*I2=P2

النقطة ج تقسم الملف لجزأين الجزء(ب.ج) المشترك والجزء (ج.د) المكمل للملف الثانوى

نجد أن الملف المكمل به تيار يساوى الفرق بين تيار الحمل و تيار المنبع

وهذه نقطة هامة جدا عند حساب مقطع السلك حيث توفر كثيرا جدا فى قطر السلك و من ثم الكلفة

[...]

مثلا لنفترض أن لدينا محول 100وات

مساحةالمقطع تكون جذر القدرة = 10 سم2

فى حال استخدام محول ذاتى رافع للتحويل من فولت200 إلى فولت220 مثلا نجدنسبة الوفر = 220-200 ÷ 220

أى = 20 ÷220 = 0.09 أو تقريبا 0.1

أى نعملتصميم لمحول قدرته 100 × 0.1 = 10 وات فقط فتكون مساحة المقطع = جذر 10 وات = 3.2سم2

تيارالدخول = 100وات ÷ 220 = 0.45 أمبير

قطر السلك = 0.8 جذر التيار = 0.8 × 0.67=0.54 أو 5.5ديزيم

هذاالقطر للفات 20 فولت فقط أى الفرق بين 220 – 200

تيار الخرج = 100 ÷ 200 = 0.5أمبير

فرق التيارين = 0.5- 0.45 = 0.05 أمبير فقط

قطر السلك = 0.8 جذر 0.05 = 0.8 × 0.22 = 0.18و أقرب قيمة هى 2 ديزيم

وهذه للملف 200 فولت وواضح الفرق فى القطر والوزن و الثمن فى استخدام 2 ديزيم بدلا من 5.5 ديزيم وأيضا وزن وحجم الحديد

وفى هذه النقطة أجابة عن سؤال هام وهو لماذا يختلف سمك الملف الابتدائى عن الملف الثانوى مع العلم ان الملفين متجاورين وعلى قلب واحد ؟

ملاحظات هامة

أولاً : اى تلف بملفات المحول الذاتى او عازلها يمكن ان يؤدى إلى توصيل جهد المصدر بالكامل إلى الحمل وغالباً ما ينتج عن ذلك تلف الحمل خاصة عندما يكون المحول الذاتى المستخدم خافضاً للجهد لذلك يجب وضع ذلك فى الحسبان عند اتخاذ قرار أستخدام المحول الذاتى بالدائرة

ثانياً : بحسابات وتطبيقات الطاقه فان المحول الذاتى عادة يكون اقل وزنا و كلفه من المحول العادى ذو الملفين بسبب تكونه من عدد اقل من الملفات مع استخدام قلب للمحول اصغر حجما وذلك حتى نسبة تحويل الجهد الكهربائى من 3:1 اما خارج هذا النطاق فان المحول العادى ذو الملفين يكون عادة أكثر اقتصاديه.

أى أنه كلما زاد الفرق بين جهدالدخول و جهد الخروج قلت نسبة الوفر لذلك فهو جيد فى استخدامات التحويل حتى من 110إلى 220 والعكس

لكنهغير مجدى فى حالات أرتفاع نسبة التحويل مثل 220 : 12 فولت

وذلك لسببين

السبب الاول : نسبة الوفر = (220-12 ) ÷ 220 = 95, أى أن المحول 100 وات يعتبر 95 وات وهىنسبة لا تذكر

السبب الثانى : خطير جدا أن الجهد 220 له راجع أرضى إذا تملمس السلك "الحى" فقد يسعق لامسه لذلك يستخدم دوما محول يسمى محول عزل وهو 220 : 220 لتوفير العزل الكهربى عن الأرض للحماية فيكون لمس طرف واحد غير خطر و للأسف المحول الذاتى لا يوفر هذه الميزة

من هنا كان لابد من ذكر بعض مزايا وعيوب المحول الذاتى :-

مميزات المحولات الذاتية

1. جودته مرتفعة فى حدود التشغيل المسموح

2. الوفر فى حجم المحول وحجم النحاس المستخدم

3. المفاقيد النحاسية به قليلة جدًا إذا ما قورن بالمحولات الأخرى

عيوب المحولات الذاتية

1. خطر فى حالة استخدام دوائر الجهد العالي لأن دائرة الملف الثانوي جزء من الملف الابتدائي ذو الجهد العالي .

2. فى حالة استخدامه بنسبة تحويل مرتفعة تقل جودته جدًا ويكون غيراقتصادي فى التشغيل .

ويستخدم المحول الذاتى فى العديد من المجالات مثل :

[...]

كاوية اللحام ومحولات صهر المعادن

وماكينات اللحام وفى تنظيم سرعات محركات المراوح

جهاز بوخلز ريلية Buchholz Relay

ففى مجال الطاقة الكهربائية وتوزيعها ونقلها تستخدم المحولات الكهربائية والتى لابد من توفير وسائل الحماية اللازمة لها مثل :

1- Pressure Relief Valve

2- Buchholz Relay

3- Winding Temperature

4- Surge arrestors

5- Oil Temperature

6- Cooling flow switch

7- Oil Level switch

8- Oil Flow switch

9- Silica Gil

10- Pump Filter on Tap changer

[...]

ومن تلك الوسائل سنتحدث عن أحد أهم تلك الوسائل وهو

جهاز يسمى البوخلز ريلية ، كما يسمى ايضا ريلية الغاز أو ريلية ارتفاع الضغط المفاجئ بالمحول ، وهو وسيلة أمان لبعض محولات الكهرباء المملوءة بالزيت والمزودة بخزان خارجي للزيت فوق جسم المحول ويدعى conservator. فإن Buchholz ريلية يستخدم فى أربع وظائف أساسية وهى :

1 – يعمل كإنذار مبكر عن وجود غازات بالمحول حيث أنه مزود بعوامتين واحدة انذار والاخرى فصل

2 – أمكانية أخذ عينة من تلك الغازات لتحليلها واجراء الاختبارات عليها بجهاز يسمى جازاناليزر والذى يحدد نوعية الغاز وهل هو بسبب انهيار عزل الملفات أم أنهيار عزل الزيت أم حدوث قصر داخل المحول وما شابه ذلك من اسباب وجود تلك الغاذات

3 – عند انخفاض مستوى الزيت بالمحول فأنه يتم اضافة زيت بالتنك ونتيجة ذلك يدخل بعض الهواء داخل التنك ويختلط بالزيت مما يسبب ارتفاع بحرارة المحول وحيث ان كثافة الهواء أقل من كثافة الزيت فأن الهواء يرتفع لأعلى معلنا عن وجود غازات من خلال عوامة الانذار وبالتالى يمكن اخراج فقاقيع الهواء تلك عن طريق مرشح بوخلز ايضا

4 – من المعروف ان بوخلز ريلية مثبت اعلى المحول بزاوية ميل لاتزيد عن 35 درجة مما يعنى ان عوامتية مغمورتان فى الزيت اى انه عند حدوث نقص مفاجئ للزيت فان جهاز بوخلز سيقوم بأعطاء أنذار وفصل للمحول طبعا هذا بخلاف جهاز مستوى قياس الزيت الموجود على المحول