אלקטרודת הארקה בודדת: האם הדרישות בתקנות החשמל באמת מספקות בטיחות?

מה אנו לומדים ומכירים מתקנות החשמל בישראל? שני כללי ברזל מוכרים היטב:

1. לא ישתמש אדם באיפוס במבנה שבו ההתנגדות בין האלקטרודה המקומית לבין המסה הכללית של האדמה עולה על 20 אוהם.

2. ההתנגדות החשמלית בין האלקטרודה המקומית המיועדת להארקת הגנה (TT) לבין המסה הכללית של האדמה לא תעלה על 5 אוהם.

בארגונים גדולים צוותי חשמלאים עובדים יום-יום כדי להבטיח את הערכים האלה בהתקנות חדשות ובאחזקה תקופתית. כנראה טוב שכך, כי ברוב המבנים והמתקנים בארץ עדיין אין מספיק מודעות ומעקב. ועדיין, עולות אצלי שאלות הנדסיות מהותיות – והדרישות הללו רחוקות מלהיראות מושלמות.

התקנות מדברות על "אלקטרודת הארקה", כלומר רכיב בודד. אלקטרודה בודדת באדמה, כשהיא עומדת בפני עצמה, רחוקה מלהיות פתרון בטיחותי מושלם במערכות חשמל מודרניות, ויש לכך סיבות הנדסיות ברורות:

פרסום

מדוע אלקטרודה בודדת היא רק חלק קטן מהפאזל?

• התנגדות האדמה פשוט גבוהה מדי: גם אם הגענו לערך מצוין של 5 אוהם באלקטרודה בודדת, בחישוב קצר מלא של פאזה (230V) לאדמה לפי חוק אוהם מתקבל זרם תקלה של כ-46A בלבד ($230 / 5 = 46$). אם המפסק הראשי הוא 40A או 63A, זרם של 46A לא יפיל אותו מיידית (למנגנון התרמי ייקח דקות ארוכות או שעות). המשמעות: גוף המכשיר יישאר מחושמל ומסוכן במשך זמן רב.

• היעדר השוואת פוטנציאלים (מתח מגע): אם אדם ייגע במכשיר מחושמל בזמן שהזרם זורם דרך האלקטרודה, הוא עדיין עלול לספוג מתח מגע קטלני. מוט בודד באדמה אינו מסוגל להשוות את המתחים סביב המבנה.

מה באמת מייצר את הבטיחות?

הבטיחות המודרנית נשענת על שילוב של שלושה נדבכים, שבהם האלקטרודה היא לכל היותר תשתית בסיסית:

1. הארקת יסוד והשוואת פוטנציאלים (הגורם המכריע): במבנים מודרניים לא מסתמכים על מוט באדמה. כל ברזלי הזיון של הבטון מרותכים ומחוברים יחד לפס השוואת פוטנציאלים (פה"פ), שאליו מחוברים גם צנרת המים והקונסטרוקציות. כאשר הכול מושווה, בזמן תקלה כל המבנה והרצפה עולים בדיוק לאותו פוטנציאל. בהיעדר הפרש מתחים בין הידיים לרגליים – האדם לא יתחשמל (בדיוק כמו ציפור על כבל מתח גבוה).

2. שיטת האיפוס (TN-C-S): חיבור מתכתי ישיר בין מוליך ה-PEN של הרשת למערכת ההארקה המקומית. בזמן קצר, מסלול התקלה אינו עובר דרך האדמה בעלת ההתנגדות הגבוהה, אלא נסגר דרך מוליך נחושת עד לשנאי. ההתנגדות הופכת לשברירי אוהם, זרם הקצר מזנק למאות ולאלפי אמפרים, והמפסק קופץ תוך פחות מ-0.1 שניות.

3. מפסק מגן (פחת): בהארקת הגנה (TT), שבה זרם הקצר אינו מספיק להפלת מא"ז רגיל, מפסק הפחת מציל חיים. הוא אינו ממתין ל-40 אמפר – הוא רגיש ביותר ומגיב כבר לזליגה קטנה של 0.03 אמפר (30mA) תוך אלפיות השנייה.

לכן, אלקטרודה בודדת בפני עצמה היא הגנה חלשה. היא משמשת בעיקר כעוגן פוטנציאל לאדמה, כנתיב פריקה למתחי יתר וכגיבוי.

רכיב אחד בתוך מעגל לא נשלט

בשיטת TT, לולאת התקלה (Fault Loop) מורכבת מחיבור בטור: מוליכי הפאזה ברשת, התנגדות הארקת המתקן המקומי, מסת האדמה, הארקת השיטה של השנאי ומוליכי השנאי עצמו.

למעט האלקטרודה המקומית, לצרכן אין שום שליטה או ידיעה בזמן אמת מהי התנגדות הארקת השנאי או קווי הרשת. מדוע אם כן התקנות מתעקשות דווקא על 5 או 20 אוהם באלקטרודה המקומית?

• שליטה על הרכיב שנמצא באחריותך: חברת החשמל מחויבת להחזיק הארקת שיטה נמוכה מאוד בשנאי (בדרך כלל סביב 1 אוהם או אומים בודדים). מכיוון שאינך שולט בשנאי, התקן דורש לוודא שהחלק שלך בלולאה קטן מספיק כדי לשמור על עכבה כוללת סבירה.

• הגבלת מתח המגע (עקרון מחלק המתח): בזמן תקלה, 230V מתחלקים בין ההתנגדויות בלולאה. אם ההתנגדות המקומית תהיה גבוהה מאוד (למשל 100 אוהם) והארקת השנאי מעולה (1 אוהם), כמעט כל המתח ייפול על גוף המכשיר שבתוך המבנה. ככל שההתנגדות המקומית תהיה נמוכה יותר, המתח שיישאר על גוף המכשיר ביחס לסביבתו יהיה נמוך ובטוח יותר.

• רשת ביטחון לפעולת מפסק המגן: כדי שהפחת יפעל לפני שאדם נוגע במכשיר, זרם הזליגה שדולף לגוף המתכת חייב למצוא נתיב פריקה לאדמה של לפחות 30mA. התנגדות נמוכה (כמו 5 אוהם) מבטיחה שגם אם הארקת השנאי עלתה מעט, יתפתח זרם של כמה אמפרים שיקפיץ את הפחת מיד עם הופעת הזליגה.

מדוע לא מוצאים דו"חות חקירה שמצביעים רק על "התנגדות מעל המותר"?

חיפוש בספרות המקצועית לא יעלה מקרה אסון שבו הסיבה הרשומה היא "התנגדות של 25 אוהם במקום 20 אוהם". הסיבה פשוטה: במערכת תקינה, חריגה בהתנגדות האלקטרודה לבדה אינה גורמת לאסון קטלני. דרוש כאן "כשל כפול" (Double Fault) – למשל, התנגדות הארקה גבוהה לצד מפסק פחת תקול, מבוטל או חסר.

דוגמה קלאסית המתועדת בספרות ההנדסית (פורסמה בין היתר ב-ResearchGate) ממחישה זאת: כבל מתח של רשת הפצה נגע בכבל מתיחה (עוגן) של עמוד חשמל שהיה תקוע בקרקע סלעית ויבשה. התנגדות ההארקה המקומית נמדדה בדיעבד סביב 910 אוהם. עקב ההתנגדות הגבוהה זרם הקצר היה נמוך מאוד, הגנות הקו "חשבו" שמדובר בצריכה רגילה ולא ניתקו את המתח, ועובר אורח שנגע בכבל המתיחה המחושמל נהרג במקום. לו הייתה שם הארקה תקינה בעלת התנגדות נמוכה, המבטח היה מנתק את הקו בשבריר שנייה.

חוקרי תאונות אינם מגדירים "התנגדות מעל המותר" כגורם ישיר מכיוון שהאשמה הראשית תופנה תמיד לכשל בהגנה (היעדר פחת תקין או כשל במבטח). בנוסף, מבחינת מא"ז רגיל, התנגדות של 40 אוהם שקולה כמעט לנתק מלא – ובדו"חות ייכתב פשוט "הגנת הארקה בלתי יעילה". הערכים 5 ו-20 אוהם הם למעשה מקדמי בטיחות הנדסיים.

פרסום

השורה התחתונה: מה חסר בניסוח התקנות?

הדרישה של חוק החשמל להגביל את ההתנגדות ל-20 אוהם באיפוס או ל-5 אוהם בהארקת הגנה אינה שלמה, משום שאלקטרודת הארקה בודדת – ללא תלות בערך ההתנגדות שנמדד בה – לעולם לא תיצור השוואת פוטנציאלים מושלמת במבנה ומסביבו.

במצב של אלקטרודה בודדת נוצר שיפוע פוטנציאלים בקרקע בהתאם למרחק ממנה. מתקבל מעין "מחלק מתח" (נדנדה) שבו המתח מתחלק בין הצרכן למקור, ולא ניתן להגיע למתחי מגע בטוחים אך ורק על ידי הפחתת התנגדות האלקטרודה.

אם מתכננים איפוס, חייבים להתחיל כבר בשלב התכנון והיציקה: הארקת יסוד שלמה וטבעת הארקה היקפית באדמה מסביב למבנה (במרחק של עד מטר), שמשווה את פוטנציאל הקרקע הצמודה לבית. תוספת של מוט בפינה אחת או שתיים אינה פותרת את בעיית מתחי הצעד והמגע.

לו הייתי מנסח מחדש את הסעיף בחוק, הוא היה נשמע כך:

"לא ישתמש אדם באיפוס במבנה שבו האלקטרודה המקומית היא אלקטרודה בודדת – גם אם התנגדותה כלפי המסה הכללית של האדמה נמוכה מ-20 אוהם."