مكونات المحول الكهربائي – 10 عناصر أساسية

تعتبر مكونات المحول الكهربائي الركائز الأساسية لعمله السليم. كل عنصر يساهم بشكل فريد في الأداء العام للمحول. يعد معرفة وفهم وظيفة كل مكون أمرًا ضروريًا لضمان موثوقية المحولات وكفاءة الطاقة وعمرها الافتراضي. سيوفر هذا الاستكشاف المتعمق للمكونات رؤية واضحة لدورها وترابطها، مما يوفر أساسًا متينًا للصيانة والتصميم والابتكار المستمر في مجال المحولات الكهربائية.

ما هو المحول الكهربائي؟

المحول الكهربائي (بالإنجليزية: Transformer Electrical) هو جهاز كهرومغناطيسي يستخدم لنقل الطاقة الكهربائية  الناتجة عن مصدر جهد كهربائي متردد أو من دائرة إلى أخرى. بمعنى آخر، يسمح بتغيير الجهد دون تغيير التردد الحالي، وبالتالي يسهل نقل الطاقة عبر الأبراج الكهربائية لمسافات طويلة بأقل الخسائر، ويتكون المحول من عدة أجزاء مختلفة.

• مبدأ عمل المحول الكهربائي:
  يعمل المحول الكهربائي على مبدأ قانون فرداي للحث الكهرومغناطيسي. عندما يتدفق تيار متردد عبر الملف الابتدائي، فإنه يخلق مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا والذي بدوره يحفز تيارًا في الملف الثانوي. إن نسبة التحويل بين عدد اللفات في الملفين تجعل من الممكن تعديل جهد التيار المتردد. وبالتالي، يساعد المحول على تنظيم جهد الكهرباء من أجل توزيع ونقل فعال عبر الشبكات الكهربائية.

مكونات المحول الكهربائي

يتكون المحول الكهربائي من مجموعة منسقة بعناية من عناصر مختلفة، يؤدي كل منها وظيفة محددة في عملية التحويل، تابع الفقرات التالية لفهم أهميتها الفردية وترابطها:

الملفات الأولية والثانوية

– ما هو دور الملفات الأولية؟
الملفات الأولية هي أحد مكونات المحول الكهربائي الأساسية. وهي متصلة بمصدر الطاقة الكهربائية، وبالتالي تستقبل التيار المتردد الأولي (AC)، عندما يمر عبر الملف الابتدائي يخلق مجالا مغناطيسيا متغيرا حوله. إن تباين هذا المجال المغناطيسي هو أساس عملية الحث الكهرومغناطيسي في المحول.

– أهمية الملفات الثانوية في نقل الطاقة:
للملفات الثانوية ارتباط مع نظام الشحن أو استهلاك الكهرباء. وهي مصممة لاستقبال التيار الناجم عن المجال المغناطيسي المتغير الناتج عن الملف الأولي.

كما يعمل الحث الكهرومغناطيسي في الملف الثانوي على تحويل الطاقة المغناطيسية إلى تيار متناوب ذي جهد معدل. وبالتالي، تلعب الملفات الثانوية دورًا حاسمًا في النقل الفعال للطاقة الكهربائية من المحول إلى الشبكة أو الأجهزة الكهربائية.

– مكونات الملفات:
تصنع الملفات من أسلاك ملفوفة معًا معزولة من النحاس الأحمر النقي بسبب قابليته العالية للتوصيل الكهربي، وتكون أسلاك الموصلات غالبا على شكل أسلاك مجدولة أو شرائح مستطيلة عازلة لمنع حدوث دوائر قصيرة وتحسين كفاءة المحول.

مغير الجهد

للقيام بتغيرات قيمة الجهد الكهربائي داخل المحول، يتم استخدام مغير الجهد (يسمى Tap Changer بالانجليزية)، وهو الجهاز المسئول عن تغيير النسبة بين عدد اللفات فى الملف الاولي إلى عدد اللفات فى الملف الثانوى، وهناك نوعان منه، نوع يقوم بتغيير نسبة التحويل أثناء تشغيل المحول الذى يتعذر فصله عن الشبكة مثل الموجود فى محولات القدرة، ونوع آخر يعمل عند فصل المحول مثل الموجود فى محولات التوزيع.

النواة المغناطيسية

– وظيفة النواة (قلب حديدي – Core):
النواة تمثل القلب الحديدي للمحول، ويقع في وسط ملفين من الأسلاك المنفصلة. وتتمثل مهمتها الرئيسية في توفير مسار مقاومة منخفضة للمجال المغناطيسي الناتج عن التيار المتردد في الملفات الأولية. فمن خلال تركيز وتوجيه التدفق المغناطيسي، يعمل القلب المغناطيسي على زيادة كفاءة نقل الطاقة بين الملفات، وبالتالي تعزيز الحث الكهرومغناطيسي.

تُصنع النوى المغناطيسية عادةً من عناصر مغناطيسية فولاذية، تتمتع هذه المواد بنفاذية مغناطيسية عالية، مما يسهل تركيز المجال المغناطيسي. كما تستخدم صفائح السيليكون غالبًا لتقليل خسائر التيار الدوامي، لأنها تقلل من تدفق التيارات المستحثة في القلب.

الزيت العازل

يعتبر الزيت العازل عنصرًا أساسيًا في المحولات الكهربائية، حيث يؤدي العديد من الوظائف الحيوية. ويتمثل دورها الرئيسي في توفير العزل الكهربائي بين المكونات الداخلية للمحول، مثل الملفات والقلب المغناطيسي. يمنع الزيت التفريغ الكهربائي غير المرغوب فيه والدوائر القصيرة وفقدان الطاقة. كما أنه يساعد على تبريد المحول عن طريق تبديد الحرارة المتولدة أثناء التشغيل.

– أنواع الزيوت العازلة:
يتم استخدام عدة أنواع من الزيوت العازلة وبألوان مختلفة منها الزيوت المعدنية وزيت السيليكون والزيت النباتي. ولكل نوع خصائصه ومزاياه.

الخزان الاحتياطي

أو خزان التمدد، هو عبارة عن أسطوانة معدنية محكمة الغلق يتم تركيبها فوق المحول والتي تحافظ على زيت المحولات، ويمتلئ نصفه فقط بالزيت للسماح بالتمدد والانكماش لزيت الخزان الرئيسى أثناء تغيرات درجات الحرارة نتيجة لاختلاف نسبة تحميل المحول، كما أنه يقوم بتعويض أي نقص يحدث فى زيت الخزان الرئيسى، ويزود صندوق التمدد بأنبوبة بيان مستوى الزيت.

أنبوب تصريف الزيت

فى المحولات كبيرة القدرة يزود خزان الزيت الرئيسى بأنبوبة تغلق فتحتها بواسطة شريحة زجاجية، وعند حدوث عطل داخل المحول تزداد قوة الضغط بالخزان الرئيسي فتضغط على الشريحة الزجاجية فتكسرها وتخرج الغازات إلى الجو الخارجي، ويتم طرد الزيت الساخن المغلي من المحول من خلال فتحة التصريف لتجنب انفجار المحول.

وحدة التنفيس

عند انخفاض مستوى الزيت فى الخزان الرئيسى يتم تعويضه كما ذكرنا من أنبوب تصريف الزيت الذي ينخفض مستوى الزيت فيه بدوره ويزداد حجم فراغ الهواء الموجود به فيسحب هواء من الخارج من خلال وحدة التنفيس، ووحدة التنفيس الجاف عبارة عن حاوية أسطوانية مملوءة بحبيبات السيليكا جل (Silicone gel)، والتي تستخدم لتنقية الهواء الذي يدخل الخزان الإحتياطى من الرطوبة أثناء عبوره خلالها، لأنه إذا دخلت رطوبة داخل زيت الخزان الإحتياطى فإنها تقلل من عازليته ويسبب أعطالاً داخلية، ولهذا السبب يجب الحفاظ على الهواء خالياً من الرطوبة.

جهاز Buchholz Relay

يتم وضعه فوق أنبوب التوصيل الذي يمتد من الخزان الرئيسي إلى الخزان الإحتياطي، حيث يستشعر الأعطال التي تحدث داخل المحول، ويعمل بالغازات والأبخرة المنبعثة نتيجة تحلل زيت المحولات وغليانه بسبب الأعطال الداخلية، وتتجمع هذه الأبخرة أعلى الجهاز وتضغط على عوامة علوية التى بدورها تتحرك إلى أسفل مسببة توصيل دائرة فصل المحول.

• مقالات مهمة:
  مكونات الشبكة الكهربائية المنزلية.
  مكونات المولد الكهربائي.
  مكونات بطاريات السيارات الكهربائية.

أنظمة التبريد

أثناء تشغيل المحول الكهربائي، يحدث فقدان للطاقة على شكل حرارة، لذلك من الضروري وجود نظام تبريد فعال لمنع ارتفاع درجة الحرارة، والحفاظ على درجات حرارة التشغيل الكافية وضمان استقرار مجموعة من المكونات الداخلية مثل الملفات والقلب المغناطيسي.

– كيف يتم تبريد المحول الكهربائي؟
يستخدم هذا النظام عنصرين أساسيين، أولا، الزيت العازل الخاص بالمحولات لامتصاص الحرارة المتولدة. يدور الزيت من خلال مبادل حراري وينقل الحرارة خارج المحول. كما يتم استخدام المشعاعات لتبديد الحرارة مباشرة إلى الهواء المحيط. يستخدم عادة في المحولات المتوسطة والصغيرة الحجم.

• ملاحظات
  – طاقة المحولات: غالبًا ما تتطلب محولات الطاقة الأعلى أنظمة تبريد أكثر كفاءة، مثل تبريد الزيت.
  – المساحة المتوفرة: قد يؤدي التصميم والمساحة المتوفرة في موقع تركيب المحولات إلى تقييد اختيار نظام التبريد.

العوازل

من أهم العناصر البارزة فى أى محول وجود ما يعرف بعوازل الاختراق، والتى وظيفتها توصيل أطراف ثلاثة ملفات ابتدائية داخلية بالشبكة الكهربية الخارجية أى بجهد الدخول، وكذلك توصيل أطراف الملفات الثانوية الثلاثة الداخلية بأطراف الحمل الخارجية، وبما أننا نتعامل مع جهود عالية فلابد من عزل هذه الأسلاك وهذا هو دور ال Bushings الذي يعزل هذه الأطراف عن جسم المحول.

تستخدم العوازل بشكل أساسي لمنع التيارات الكهربائية من التدفق بشكل غير مرغوب فيه إلى الأرض، وتساعد في الحفاظ على العزل الكهربائي الضروري. في المحولات، غالبًا ما تكون موجودة في نقاط اتصال خطوط النقل والكابلات وأطراف الأجهزة. توفر العوازل المصنوعة من مواد عازلة مثل البورسلين أو الزجاج أو السيراميك، مقاومة كهربائية عالية مع قدرتها على تحمل الأحمال الميكانيكية. إنها تلعب دورًا حاسمًا في موثوقية وسلامة التركيبات الكهربائية عن طريق منع الاضطرابات الكهربائية غير المرغوب فيها.

علبة الحماية

تلعب علبة المحول الكهربائي دورًا حاسمًا في توفير الحماية الميكانيكية للمكونات الداخلية ضد الأضرار المادية والاهتزاز والضغط الخارجي. إنه بمثابة حاجز قوي مصنوع من حديد غير مغناطيسي، يحافظ على السلامة الهيكلية للمحول أثناء النقل والتركيب والتشغيل. بالإضافة إلى وظيفة الحماية هذه، يساهم الغلاف في العزل الكهربائي، مما يقلل من خطر التعرض لصدمة كهربائية ويضمن التشغيل الآمن. بالإضافة إلى ذلك، فهو يوفر بيئة مغلقة لاحتواء الزيت العازل، مما يساعد على تبريد المحول بشكل فعال ومنع التسرب. بشكل عام، تعتبر العلبة عنصرًا أساسيًا يضمن المتانة والسلامة والأداء الأمثل للمحولات الكهربائية.

خاتمة

تشكل مكونات المحول الكهربائي، مثل اللفات والنواة المغناطيسية والزيت العازل وأنظمة التبريد، تكاملا يتيح التحويل الفعال للطاقة الكهربائية. ويساهم كل عنصر بطريقة محددة في استقرار وكفاءة واستدامة هذا العنصر الأساسي من شبكات الكهرباء. يعد فهم هذه المكونات أمرًا ضروريًا لضمان التشغيل الأمثل للمحولات والحفاظ على موثوقية أنظمة توزيع الكهرباء على مستوى العالم.