יש לנו חשמלאים מצוינים ומוסמכים ביותר במדינה שלנו, ובתעשייה בפרט. אבל רק חלק קטן מהם מבין ועובד באמת עם רשתות מתח גבוה. העובדה היא שזה בעיקר תחום העיסוק והאחריות של חברת החשמל; רק מספר מצומצם של חברות מתחזקות באופן עצמאי רשתות מתח גבוה.
לי היה המזל והכבוד לעבוד בצוות מתח גבוה בחברת "מקורות" וגם שנים רבות בצבא. כך שאם הייתי מסכם ומציין מה ההתמחות העיקרית שלי בחיים בתחום החשמל – זה ללא ספק מתח גבוה.
בשנאי המותקן על עמוד מתח גבוה מותקנים שלושה נתיכי זכוכית או חרסינה של 20 אמפר, או בערך נקוב אחר בהתאם לתכנון. תפקידם להגן על הרשת מפני קצרים פנימיים בשנאי. מהשנאי יורד כבל מתח נמוך אל ארון החלוקה.
פרסום
אם יתרחש קצר מלא בכבל המתח הנמוך הזה – האם נתיכי הזכוכית בצד המתח הגבוה יישרפו?
זו אולי נשמעת שאלה פשוטה, אבל היא מעסיקה לא מעט סקרנים.
כן. נתיכי המתח הגבוה יישרפו, או "ייפתחו", במקרה של קצר מלא בכבל המתח הנמוך היורד מהשנאי, בתנאי שהקצר חזק מספיק ולא נותק קודם לכן על ידי הגנה במורד הרשת.
כדי להבין מדוע זה קורה, חשוב להכיר את הקשר הפיזיקלי בין הזרמים בשנאי ואת עקרון הדירוג והסלקטיביות.
1. השתקפות הזרם ויחס ההשנאה
שנאי עמוד מוריד את המתח, לדוגמה מ־22,000 וולט ברשת המתח הגבוה ל־400 וולט ברשת המתח הנמוך. על פי עקרון שימור האנרגיה, כאשר המתח יורד – הזרם עולה בהתאם ליחס ההשנאה, ולהפך.
בצד המתח הנמוך, בעת קצר מלא בכבל היורד מהשנאי, עלול לזרום זרם קצר גבוה מאוד שיכול להגיע לאלפי אמפרים – למשל 4,000 אמפר ואף יותר, בהתאם להספק השנאי, למתח הקצר שלו ולעכבת המעגל.
בצד המתח הגבוה, זרם הקצר הזה "משתקף" אל הצד הראשוני דרך השנאי בהתאם ליחס ההשנאה. זרם התקלה בצד המתח הגבוה עלול לעבור משמעותית את הזרם הנקוב של נתיכי המתח הגבוה, למשל אותם 20 אמפר שהוזכרו קודם, ובכך לגרום לפעולתם ולהתכת אלמנט הנתיך.
2. תפקיד נתיכי המתח הגבוה
נתיכי מתח גבוה מיועדים בעיקר להגן על מערכת ההזנה ועל השנאי מפני תקלות וזרמי קצר משמעותיים.
עם זאת, הם יכולים לשמש גם כהגנת גיבוי לקצרים קשים בצד המתח הנמוך.
אם מתרחש קצר לפני המפסק הראשי של המתח הנמוך – למשל ישירות בכבל היורד מהשנאי אל לוח החלוקה – ייתכן שלא קיימת הגנת מתח נמוך אחרת שתנתק את התקלה. במקרה כזה נתיכי המתח הגבוה עשויים להיות אמצעי ההגנה שיפסיק את זרם התקלה.
3. סלקטיביות – מי צריך להגיב קודם?
במערכת חשמל המתוכננת כהלכה שואפים תמיד לסלקטיביות, או בררנות בין ההגנות.
אם הקצר מתרחש במערכת החלוקה של המתח הנמוך, בלוח החלוקה או אצל צרכן קצה, המפסק או הנתיכים בצד המתח הנמוך אמורים לפעול ראשונים ולבודד את התקלה באופן מקומי.
לעומת זאת, אם הקצר מתרחש בכבל הראשי המחבר בין השנאי ללוח, לפני הגנות המתח הנמוך, נתיכי המתח הגבוה עשויים להיות קו ההגנה היחיד שנותר.
וכאן אנו מגיעים לעיקר העניין.
הסכמנו שנתיכי המתח הגבוה עשויים להגיב גם לקצרים חזקים בצד המתח הנמוך. בצד המתח הנמוך מותקנים מפסקי זרם אוטומטיים. כאשר מתרחש קצר חזק במתקן המתח הנמוך – כיצד מבטיחים שתתקיים סלקטיביות?
הרי נתיך, מטבעו, עשוי להגיב במהירות רבה מאוד לזרמי קצר גבוהים, ולעיתים אף לפני שמפסק מכני יספיק להשלים את פעולת הפתיחה.
כדי להיות בטוחים שקיימת סלקטיביות בין מפסק הזרם בצד המתח הנמוך לבין נתיך המתח הגבוה בזמן קצר חזק, נדרש תיאום הגנות קפדני המבוסס על השוואת אופייני זמן־זרם, המוכרים כעקומות I-t.
החשש בהחלט מוצדק: קצר חזק במתח הנמוך עלול להביא להפעלת נתיך המתח הגבוה לפני שמפסק המתח הנמוך יספיק לפתוח את מגעיו.
התוצאה במקרה כזה עלולה להיות השבתה מלאה של השנאי ושל כלל הצרכנים המחוברים אליו, במקום ניתוק מקומי בלבד של הקו התקול.
כיצד מבטיחים סלקטיביות?
1. מעבר לבסיס זרם משותף
נתיך המתח הגבוה ומפסק המתח הנמוך פועלים ברמות זרם שונות לחלוטין בשל יחס ההשנאה.
כדי להשוות ביניהם יש להמיר את ערכי הזרם לבסיס משותף – בדרך כלל מתרגמים את ערכי הזרם בצד המתח הגבוה לצד המתח הנמוך בהתאם ליחס ההשנאה, או להפך.
כך ניתן להציג את עקומות ההגנה על אותו בסיס ולהשוות ביניהן בצורה נכונה.
2. בדיקת אופייני זמן־זרם
מציבים את שני האופיינים על גבי גרף לוגריתמי משותף ובוחנים את ההתנהגות שלהם לאורך תחום זרמי התקלה האפשריים.
פרסום
בזרמי עבודה רגילים ובזרמי יתר מתונים יש לוודא שההגנה בצד המתח הנמוך תפעל לפני נתיך המתח הגבוה.
בזרם הקצר המקסימלי יש לבדוק שזמן הניתוק הכולל של מפסק המתח הנמוך – כולל זמן הפעלת מנגנון ההגנה, פתיחת המגעים וכיבוי הקשת – יהיה קצר מספיק ביחס לזמן הפעולה של נתיך המתח הגבוה עבור אותו זרם, לאחר ביצוע ההמרה בהתאם ליחס ההשנאה.
כיצד פותרים את הבעיה אם אין סלקטיביות?
אם בחישוב מתברר שנתיך המתח הגבוה מהיר מדי ועלול להגיב לקצר בצד המתח הנמוך לפני המפסק, ניתן לבחון מספר פתרונות.
התאמת סוג הנתיך:
ניתן לבחור נתיך מתח גבוה בעל אופיין המתאים יותר להגנת שנאים ולתיאום עם ההגנות בצד המתח הנמוך. הבחירה צריכה להיעשות בהתאם לנתוני היצרן ולעקומות הזמן־זרם של הנתיך.
כיוונון מפסק המתח הנמוך:
במפסקים אלקטרוניים הניתנים לכיוונון ניתן להתאים את ערכי ההגנה המיידית ואת ההשהיות, כך שהמפסק ינתק את הקצר בתחום הנדרש לפני פעולת נתיך המתח הגבוה.
בחירת הזרם הנקוב של נתיך המתח הגבוה:
בכפוף לדרישות הגנת השנאי, זרמי המגנוט בעת חיבור השנאי ויכולת העמידה בעומסי יתר, ניתן לבחור נתיך בעל זרם נקוב ואופיין שיאפשרו תיאום טוב יותר מול הגנות המתח הנמוך.
יש לזכור כי זרם המגנוט של השנאי בעת החיבור, המכונה Inrush Current, עשוי להיות גבוה פי כמה מהזרם הנקוב למשך זמן קצר. לכן אין לבחור או להגדיל נתיך רק לצורך השגת סלקטיביות מבלי לבדוק את כלל תנאי ההגנה של השנאי.
ומה קורה בפועל בשטח?
ייתכן שכל מתכנן מביא את נושא הסלקטיביות בחשבון על הנייר, אך בפועל בשטח לא תמיד מתבצע תיאום מלא בין כל מערכות ההגנה.
הבעיה מורכבת אף יותר כאשר הגוף שאחראי על רשת המתח הגבוה אינו אותו גוף שמתכנן או מתחזק את לוח המתח הנמוך.
במקרים כאלה עלול להיווצר מצב שבו כל צד תוכנן לכאורה בצורה תקינה בפני עצמו, אך התיאום בין שתי מערכות ההגנה אינו מיטבי.
וזו בדיוק הסיבה לכך שבמערכות מתח גבוה ומתח נמוך המחוברות באמצעות שנאי, לא מספיק לבחור כל הגנה בפני עצמה. יש לבחון את המערכת כולה, את זרמי הקצר הצפויים ואת עקומות הזמן־זרם של כל רכיבי ההגנה – ורק כך ניתן לדעת שהתקלה תנותק במקום הנכון ובזמן הנכון.
נעים להכיר.