מערכות החלפה 3 או 4 קטבים – כיצד בחירה לא מתאימה עלולה ליצור טבעות אפס וזרמים תועים
מאת: משה כהן גדול- מנכל ESP
במתקני חשמל הכוללים מספר מקורות הזנה – חברת חשמל, שנאים, גנרטורים ומערכות אל־פסק – בחירת מערכת ההחלפה היא הרבה יותר משאלה של עלות או נוחות התקנה.
אחת הסוגיות החשובות בתכנון היא ההחלטה אם להשתמש במערכת החלפה תלת־קוטבית או ארבע־קוטבית, כלומר האם בזמן ההחלפה בין מקורות ההזנה מנתקים גם את מוליך האפס.
בחירה שאינה מתחשבת במבנה הכולל של המתקן, בנקודות הארקת השיטה ובמסלולי מוליך האפס עלולה ליצור מסלולים מקבילים לזרמי האפס – תופעה שאנו פוגשים לא מעט במתקנים מורכבים.
התוצאה עלולה להיות טבעות אפס, זרמים תועים, חוסר איזון בזרמים העוברים בכבלי ההזנה ושדות מגנטיים מיותרים.
כדי להבין כיצד התופעה נוצרת, צריך להתחיל מעיקרון חשמלי פשוט.
לאן אמור לחזור זרם האפס?
ניקח לדוגמה לוח חשמל המוזן משנאי.
מוליך האפס היוצא מנקודת הכוכב של השנאי מגיע לפס האפסים בלוח. זרם הזורם דרך צרכן חד־פאזי חוזר דרך מוליך האפס של אותו מעגל אל פס האפסים, ומשם דרך מוליך האפס של כבל ההזנה בחזרה לנקודת הכוכב של השנאי.
במצב תקין, הזרם שהגיע לצרכנים דרך כבל ההזנה חוזר דרך המוליכים של אותו כבל.
אבל מה קורה כאשר פסי האפס של מספר לוחות ומקורות מחוברים ביניהם במספר מסלולים?
במצב כזה, זרם האפס עלול למצוא יותר מדרך אחת לחזור למקור.
חלק מהזרם יכול לחזור דרך מוליך האפס של כבל ההזנה המתוכנן, וחלק אחר דרך פסי אפס, לוחות ומוליכים השייכים למסלול אחר.
כך נוצרת למעשה טבעת אפס.
הזרם מתחלק בין המסלולים האפשריים בהתאם לעכבות שלהם, ולכן ברגע שנוצר מסלול מקביל, אין סיבה שכל זרם החזרה יעבור דווקא במסלול שתוכנן עבורו.
כיצד מערכות ההחלפה נכנסות לתמונה?
הנושא הופך מורכב במיוחד במתקנים הכוללים מספר מקורות הזנה.
מערכות החלפה מאפשרות להעביר את העומס ממקור אחד לאחר, אולם מבחינת מוליך האפס חשוב להבחין בין שני מצבים שונים.
מערכת החלפה בין שני מקורות הזנה
המקרה הראשון הוא מערכת החלפה בין שני מקורות, לדוגמה בין חברת החשמל לבין גנרטור.
במערכת כזו קיימות תצורות שבהן ניתן להשתמש במערכת החלפה תלת־קוטבית – 3P – שבה שלוש הפאזות ממותגות בעוד שמוליך האפס נשאר רציף.
קיימת גם האפשרות להשתמש במערכת 4P, שבה גם מוליך האפס משתתף בהחלפה.
למערכת 3P יש יתרונות במצבים מסוימים, ולכן עצם השימוש בה אינו בהכרח בעיה.
הבעיה מתחילה כאשר כל מערכת החלפה נבחנת בפני עצמה, בלי לבחון כיצד מוליכי האפס של כל המקורות והלוחות מתחברים יחד במתקן כולו.
במתקן הכולל מספר מערכות החלפה, חיבורי אפס רציפים במספר נקודות עלולים ליצור בהדרגה רשת של מסלולי חזרה מקבילים.
שדה החלפה אחרי מוצא מערכת אל־פסק
מצב שונה מתקבל כאשר מערכת ההחלפה נמצאת אחרי מוצא מערכת האל־פסק .
כאן לא מדובר בעוד מערכת החלפה רגילה בין חברת החשמל לגנרטור.
בשדה החלפה הנמצא אחרי מוצא ה־UPS יש צורך בהפרדה בין מוליכי האפס של המקורות, ולכן מערכת ההחלפה צריכה להיות ארבע־קוטבית , כלומר להחליף גם את מוליך האפס.
שימוש במערכת 3P בנקודה כזו עלול להשאיר חיבור בין פסי האפס של מקורות שונים וליצור מסלולים מקבילים לזרם האפס.
כאשר במתקן קיימים מספר UPS, גנרטורים ושדות החלפה, חיבור כזה עלול להפוך לחלק מרשת שלמה של מסלולי אפס מקבילים.
לכן חשוב לעשות את ההבחנה:
האפשרות להשתמש ב־3P במערכת החלפה בין מקורות אינה אומרת שניתן להשתמש ב־3P גם בשדה החלפה אחרי מוצא UPS
אלה שני מצבים חשמליים שונים, ויש לתכנן אותם בהתאם.
כאשר האפס מקבל כמה מסלולי חזרה
נחזור למתקן שבו נוצרו חיבורים מקבילים בין פסי האפס.
צרכן המחובר ללוח מסוים מזרים את זרם האפס שלו אל פס האפסים בלוח.
במקום שכל הזרם יחזור ישירות דרך מוליך האפס של כבל ההזנה, חלק ממנו יכול לעבור דרך לוח אחר, משם ללוח חלוקת גנרטור, דרך מערכת נוספת ולבסוף בחזרה לכיוון נקודת הכוכב של השנאי.
אם קיימת גם מערכת UPS היוצרת מסלול נוסף, מספר דרכי החזרה גדל עוד יותר.
כך נוצרת טבעת אפס, ובמתקן מורכב יכולות להתקיים מספר טבעות כאלה במקביל.
ומה קורה לכבל ההזנה?
במצב תקין, סכום הזרמים הווקטורי במוליכי כבל ההזנה אמור להיות קרוב לאפס.
כאשר חלק מזרם האפס חוזר במסלול אחר, האיזון הזה נפגע.
אם נקיף את כל מוליכי כבל ההזנה באמצעות אמפרמטר צבת, במקום למדוד ערך הקרוב לאפס ניתן למדוד זרם שיורי משמעותי.
מניסיון וממדידות שביצענו במתקנים בפועל, זרמים אלה יכולים להגיע במקרים מסוימים לעשרות אמפרים.
מעבר לכך שמדובר בסימן ברור לכך שהזרם אינו חוזר במסלול המתוכנן, לתופעה יש תוצאה נוספת – יצירת שדות מגנטיים.
זרמים תועים ושדות מגנטיים
כאשר זרמי ההלוך והחזור עוברים יחד באותו כבל, השדות המגנטיים שהם יוצרים מקזזים זה את זה במידה רבה.
כאשר חלק מזרם החזרה עובר במסלול אחר, הקיזוז כבר אינו מלא.
כתוצאה מכך ניתן למדוד סביב כבלי ההזנה שדות מגנטיים משמעותיים יותר מאלה שהיינו מצפים לקבל במערכת מאוזנת.
כבלי הזנה ראשיים עוברים לעיתים לאורך מרחקים גדולים – בחדרי חשמל, בפירים, בתקרות ובסמוך לאזורי עבודה – ולכן לתופעה עשויה להיות משמעות גם מעבר לחדר החשמל עצמו.
שדות מגנטיים – גם ההיבט האנושי חשוב
כאשר עולה נושא השדות המגנטיים בתדר רשת החשמל, יש מי שיטען שהשפעתם הבריאותית ברמות החשיפה המקובלות אינה חד־משמעית.
זהו דיון לגיטימי, וחשוב שלא לייחס לשדות מגנטיים השפעות בריאותיות שלא הוכחו.
עם זאת, מניסיוני בשטח למדתי שיש לנושא גם היבט נוסף שאסור להתעלם ממנו.
במספר מבנים תעשייתיים שבהם נתקלתי בשדות מגנטיים חריגים כתוצאה מזרמים תועים, החשש בקרב העובדים הפך בעצמו לבעיה משמעותית.
בחלק מהמקרים עובדים לא הסכימו להגיע לאזורי העבודה או לחזור לעבודתם עד שהנושא ייבדק ויטופל.
במצב כזה, גם כאשר מתקיים דיון מקצועי לגבי המשמעות הבריאותית המדויקת של רמת החשיפה שנמדדה, למפעל כבר קיימת בעיה אמיתית – העובדים מודאגים וחוששים להימצא במקום העבודה.
לחשש הזה יש משמעות אנושית, ניהולית ותפעולית.
לכן מבחינתי השאלה אינה רק:
האם הוכח ששדה מגנטי ברמה מסוימת מזיק?
אלא גם:
האם אפשרתי לעובדי החברה מרחב בטוח המאפשר להם להיות מרוכזים בעבודה ולא בדאגות וחרדות
וגם, האם השדה המגנטי הזה הוא סימפטום לבעיה חמורה יותר
זהו מקום שבו נכון לפעול בהתאם לעקרון הזהירות המונעת ולצמצם ככל האפשר שדות מגנטיים מיותרים שמקורם בתשתית החשמל.
טבעות אפס מקשות גם על בדיקות החשמל
לטבעות אפס קיימת משמעות נוספת שאינה קשורה לשדות מגנטיים.
הן עלולות להקשות על ביצוע בדיקות חשמל ועל הבנת המבנה האמיתי של המתקן.
כאשר חשמלאי מגיע ללוח ומנתק את מוליך האפס הראשי לצורך ביצוע בדיקת בידוד, הוא מצפה לבודד את פס האפס מהמקור.
אבל אם לפס האפס קיימים מסלולים נוספים דרך לוחות אחרים, גנרטורים, מערכות החלפה או מערכות UPS, ניתוק מוליך האפס הראשי אינו בהכרח מנתק את האפס בפועל.
במתקן גדול ומורכב, איתור כל המסלולים האלה יכול להפוך למשימה מורכבת מאוד.
התוצאה עלולה להיות קושי ממשי לבצע בדיקות בידוד בצורה מסודרת – דווקא אחת הבדיקות החשובות לבטיחות מתקן החשמל.
הבעיה האמיתית היא לא 3P או 4P
קל מאוד לסכם את הדיון בשאלה:
מה עדיף – 3P או 4P ?
אבל זו אינה השאלה הנכונה.
מערכת תלת־קוטבית יכולה להיות פתרון מתאים במערכת מסוימת, ומערכת ארבע־קוטבית נדרשת במצבים אחרים, ובפרט בתצורות שבהן יש צורך בהפרדה בין האפסים של המקורות.
השאלה האמיתית היא:
מה קורה לכל מסלולי הזרם בכל אחד ממצבי העבודה האפשריים של המתקן?
כאשר מתכננים מתקן הכולל שנאים, גנרטורים, UPS ומערכות החלפה, צריך להסתכל על המתקן כמערכת אחת.
היכן נמצאות נקודות הכוכב?
היכן נמצאות הארקות השיטה?
מה קורה למוליך האפס בזמן מעבר בין מקורות?
האם קיימים מסלולי אפס מקבילים?
ומה קורה בכל אחד ממצבי העבודה – הזנה רגילה, גנרטור, UPS, מעקף ותחזוקה?
כמה פעמים באותו מתקן מחובר מוליך האפס להארקה (אסור יותר מפעם אחת)
רק כאשר ממפים את התמונה המלאה ניתן להבין אם התכנון אכן מונע מסלולי זרם לא רצויים.
איך מזהים טבעות אפס במתקן שכבר עובד?
במתקן חדש ניתן לבחון את התכנון מראש.
האתגר הגדול יותר הוא במתקנים קיימים.
במבנים גדולים הכוללים עשרות לוחות, מספר UPS, גנרטורים ומערכות החלפה, לא תמיד ניתן להבין את מסלולי הזרם רק מתוך השרטוטים.
מתקנים משתנים לאורך השנים. נוספים לוחות, מתבצעות הרחבות ושינויים, מוחלפים מקורות ומערכות, ולעיתים המצב בפועל כבר אינו זהה לחלוטין לתכנון המקורי.
אחת הדרכים לזהות חשד לבעיה היא למדוד את סכום הזרמים בכבלי ההזנה.
כאשר נמדד באופן עקבי זרם שיורי במקום שבו סכום הזרמים אמור להיות קרוב לאפס, יש לבדוק האם חלק מהזרם חוזר במסלול אחר.
כאשר מבצעים מדידות במספר נקודות במתקן ומצליבים ביניהן, ניתן להתחיל למפות את התנהגות הזרם ולזהות את מקור התופעה.
GES-AI ממדידה להבנת מסלול הזרם
מערכת GES-AI מאפשרת לבצע מדידות רציפות במספר נקודות במערכת החשמל ולנתח את הקשרים ביניהן.
במקום להסתמך רק על מדידה נקודתית של חשמלאי בזמן הבדיקה, ניתן לעקוב אחר הזרמים לאורך זמן ולראות כיצד הם משתנים בהתאם להפעלה ולניתוק של עומסים, מקורות ומערכות שונות.
כאן נכנסות גם יכולות הניתוח וה־AI.
כאשר נאספת כמות גדולה של נתונים ממספר לוחות ומקורות, ניתן לחפש קשרים ודפוסים בין האירועים.
לדוגמה:
עומס מסוים נכנס לפעולה – ובאותו זמן מופיע זרם במקום שבו הוא אינו אמור להופיע.
מקור הזנה מתחלף – ומסלול הזרם השיורי משתנה.
מערכת UPS משנה את מצב עבודתה – ובמקביל מופיע שינוי בזרמים הנמדדים בנקודות אחרות במתקן.
השלב הבא בעולם הניטור אינו רק לזהות:
"יש כאן זרם של 18 אמפר."
אלא לנסות להבין:
מאיפה הזרם מגיע?
מתי הוא מופיע?
לאיזה צרכן או אירוע הוא קשור?
ומהו המסלול הסביר שבו הוא חוזר?
זהו המקום שבו שילוב בין מדידות ברזולוציה גבוהה, אלגוריתמים ו־AI יכול להפוך את הניטור החשמלי מכלי שמציג נתונים לכלי המסייע להבין את ההתנהגות האמיתית של המתקן.
לסיכום
במתקן חשמל פשוט קל יחסית להבין את מסלול הזרם.
במתקן הכולל מספר שנאים, גנרטורים, מערכות UPS ומערכות החלפה – התמונה מורכבת הרבה יותר.
בחירת מערכת החלפה אינה יכולה להתבצע רק על בסיס עלות, נוחות התקנה או הסתכלות על לוח בודד.
צריך להסתכל על כל המתקן כמערכת אחת.
יש לבחון את מסלולי הפאזות, מסלולי האפס, נקודות הארקת השיטה וכל מצבי העבודה האפשריים.
ובעיקר צריך לזכור עיקרון פשוט:
הזרם תמיד יחפש את כל המסלולים החשמליים הזמינים לו.
התפקיד שלנו כמתכננים וכאנשי תחזוקה הוא לוודא שהמסלולים הזמינים לו הם גם המסלולים שאליהם התכוונו בתכנון.
וכאשר המתקן כבר קיים, מדידה רציפה, ניתוח הנתונים ו־AI יכולים לעזור לנו לראות גם את מה שלא תמיד ניתן לראות בשרטוט.
GES-AI – Beyond Monitoring.
