במסגרת סיורים מקצועיים באתרים תעשייתיים, בסיסים צבאיים, מתקני תשתית ומבני ציבור, מתעוררת תדיר סוגיית ביצוע הארקה תקנית עבור מתקנים חשמליים המותקנים על גבי משטחי בטון. דוגמאות טיפוסיות כוללות לוחות חשמל ראשיים, גנרטורים נייחים ותחנות ביניים. המורכבות נובעת מהיעדר מגע ישיר בין המתקן לקרקע הטבעית, דבר המחייב שיקולים הנדסיים מעמיקים בעת תכנון פתרונות ההארקה.
מאפייני הארקה על בטון – הבחנה מהותית מהארקת יסוד רגילה
במקרים רבים, תוכניות הביצוע מציינות התקנת יסוד בטון בעובי 20 ס"מ תחת מפלס פני הקרקע. אולם בפועל, אין מדובר בקרקע טבעית אלא בשכבת מילוי או תשתית פיתוח (כגון פסולת בנייה). מצב זה מונע את האפשרות ליישם הארקת יסוד קלאסית. בהתאם לדרישות התקן, בטון מזוין מסוגל לשמש כאלקטרודת הארקה רק כאשר הקרקע שמסביבו שומרת על רמת לחות מינימלית של 3%. בטון יבש או מבודד מוביל להתנגדות חשמלית גבוהה, וכתוצאה מכך יעילות הארקה פוחתת משמעותית.
בנסיבות שבהן קיים בידוד ייעודי בין היסוד לבין הקרקע (למשל באמצעות יריעות איטום למניעת חדירת רטיבות), נדרש לעיתים תכנון של טבעת הארקה נפרדת בתוך שכבת הבטון או במקביל לה. פתרונות אלה דורשים עבודות הנדסיות מדויקות ואינם תמיד ברי-יישום בשטח מצומצם או בתנאי שטח מורכבים.
פרסום
סוגיות ליבה: חשיבות הארקת שיטה והפוטנציאל להתחשמלות
- הארקת שיטה (System Earthing): כאשר מקור האנרגיה הוא לוח ראשי או גנרטור, נדרשת הארקה שיטתית – כלומר, יצירת נקודת ייחוס פוטנציאלית לכלל המערכת. תקינות הארקת השיטה קריטית, שכן היא משפיעה על אופי זרימת הזרמים הבלתי מבוקרים במצבי תקלה, ועלולה להשפיע על כל צרכני המשנה במערכת.
- סיכון התחשמלות: אם מתקיים הבדל פוטנציאלים בין גוף מתכתי או בטוני לבין הקרקע, ייווצר נתיב זרם דרך גוף האדם שנוגע באותו מתקן, במיוחד כאשר אין מערכת מאוזנת להשוואת פוטנציאלים.
הבחנה בין מושגי מפתח: מתח תקלה, מתח מגע ומתח צעד
- מתח תקלה (Fault Voltage): מתח שמופיע על גוף חשמלי כתוצאה מכשל בידוד או קצר. אינו בהכרח משקף את המתח שהאדם ייחשף אליו.
- מתח צעד (Step Voltage): הפרש פוטנציאלים בין שתי נקודות על הקרקע בהן דורכים רגלי אדם – נפוץ בעיקר במתקני מתח גבוה.
- מתח מגע (Touch Voltage): הפער הפוטנציאלי בין נקודת מגע של אדם בגוף מחושמל לבין הקרקע בסביבת עמידתו. זהו הפרמטר המרכזי להערכת סיכון חשמלי בסביבה של הארקת בטון.
במקרה של תקלה, נניח שהפוטנציאל על גוף הבטון עולה ל-230 וולט. אדם שעומד על הקרקע ונוגע במשטח עלול להיות חשוף לזרם חשמלי חוצה-גוף, כתלות בהתנגדות הכוללת של נתיב הזרם – שכוללת את התנגדות הקרקע, הבטון והגוף האנושי.
ניתוח שרטוטים והשלכות הנדסיות
[מקום לתמונה: תרשים סכמטי של מתח מגע בין נקודות "a" ו-"d"]
מבחינה תיאורטית, יש להבחין בין הפוטנציאל החשמלי בנקודת המגע לבין נקודת הדריכה. ההתנגדות הכוללת כוללת גם את רכיב הארקת השיטה – ולכן המתח האפקטיבי עשוי להיות נמוך ממה שנצפה, אך עדיין גבוה דיו לגרום להתחשמלות. במקרים של מגע דו-נקודתי (כמו ידיים ורגליים), סכנת הזרם האלקטרי אף גוברת.
בטון כמוליך יוני – מגבלות והשלכות
- הזרם בבטון מתבצע דרך יונים, ולא אלקטרונים – מה שמוביל לרמות התנגדות גבוהות יותר בהשוואה למתכות.
- מוליכות הבטון תלויה בתנאי סביבה משתנים (לחות, טמפרטורה, עונות שנה).
- רשת הזיון (ברזל הבטון) יוצרת איזון פוטנציאלים פנימי, אך אינה משווה אותו לקרקע שמחוץ למשטח.
התפתחות פוטנציאל סביב אלקטרודת הארקה
[מקום לתמונה: עקומת פוטנציאל סביב אלקטרודת הארקה לפי φ=Iρ/2πx]
לפי המודל המתמטי, הפוטנציאל סביב נקודת הארקה יורד לוגריתמית עם המרחק ממנה. לאחר מרחק של כ-20 מטר, השפעת אלקטרודת ההארקה דועכת משמעותית. לכן, כאשר גוף בטון מחושמל ממוקם בסביבה כזו, ייתכן מצב שבו אדם שעומד סמוך אך מחוץ לשטח המושווה, ייחשף להפרשי פוטנציאלים משמעותיים (למשל 200 וולט לעומת 100).
פתרון הנדסי מיטבי: מעגל הארקה היקפי אופקי
פתרון יעיל הוא יישום של מעגל הארקה אופקי סגור סביב המשטח הבטוני:
- חפירת תעלה היקפית בעומק של כ-0.5 מ' לפחות.
- הנחת מוליך הארקה מסוג פס נחושת או כבל גידים עבים, עדיף ללא חיבורים.
- התקנת מוטות הארקה אנכיים בכל אחת מהפינות, המחוברים באופן אחיד למעגל.
תצורה זו מאפשרת השוואת פוטנציאלים בכל נקודה סביב המשטח, מפחיתה את פוטנציאל מתח המגע ומספקת יציבות חשמלית ברמה גבוהה.
פרסום
יתרונות השיטה:
- מתאימה לביצוע בשלבי הקמה מוקדמים – משתלבת בעבודות פיתוח קיימות.
- מבטיחה השוואת פוטנציאלים בין מבנה לקרקע.
- מספקת פתרון מערכת סגור ואמין עבור הארקת שיטה.
יישום בישראל – חסמים ואתגרים
בפועל, מרבית מתקני התשתית בישראל עושים שימוש באלקטרודות מודולריות – לרוב עקב נוחות, עלות וזמינות. עם זאת, כאשר קיימת אפשרות תכנונית בשלב מוקדם – עדיף ליישם מעגל הארקה מלא, במיוחד באתרים שבהם מותקנים לוחות ראשיים או מקורות מתח עיקריים.
הגדרות ותקינה
- Ground Ring (מעגל הארקה): לולאת מוליך מתכתי סביב היקף מתקן, בתוך הקרקע.
- תקני הגנה מפני ברקים: ממליצים על שימוש בלולאות הארקה להפחתת מתח מגע ושיפור בטיחות מבנית.
סיכום מקצועי והמלצה
בעת תכנון או הקמת מתקני חשמל על גבי בטון – במיוחד כאלה המהווים נקודת הזנה עיקרית – יש להעניק עדיפות לפתרון הארקה אופקי היקפי. תצורה זו מפחיתה משמעותית את הסיכון לפגיעה מחשמל, מייצבת את הפוטנציאל המקומי, ותואמת תקינה בינלאומית מתקדמת.
[מקום לתמונה: תצלום של תעלת הארקה סביב משטח בטון בשלב בנייה]
MASTAQ
