הגנה על מעגלים חשמליים – שיקול חיוני של בונה המכונות

כיצד הגנה על מעגלים חשמליים מבטיחה את בטיחות המפעיל, פעולת מכונות רצופה ללא השבתה ואת רווחיות הייצור של משווקי OEM
בשוק הגלובלי של ימינו, בוני מכונות נדרשים לגלות מודעות לעדיפויות של לקוחותיהם בנושא רכישת יתרון תחרותי – והעדיפויות הללו מתמקדות בהגדלה מרבית של זמן פעולה ללא השבתה (uptime) והפרודוקטיביות של המכונה, תוך הגנה על בטיחות העובדים והציוד.
השגת יעדים אלה מותנית במידה רבה מאוד באסטרטגיה יעילה של הגנת מעגלים חשמליים, אולם תהליך הבחירה והרכישה של רכיבי הגנה הולמים ויצירת איזון הדדי ביניהם בכל חלקי רשת חלוקת החשמל הוא מורכב ומאתגר. מאמר זה מציג סקירה של בעיות שעלולות לקרות ותוצאותיהן האפשריות, כמו כן מתאר כיצד ניתן, בעזרת ספק הרכיבים, לממש פתרונות מוצלחים לשני הצדדים – לבוני המכונות וללקוחות שמשתמשים במוצרים שלהם.
יצרנים בכל ענפי התעשייה דורשים מכונות בעלות תפוקה גבוהה, ביצועים אמינים, הוצאות מופחתות ובטיחות גבוהה למפעילים. נוכח חתירתם למילוי הדרישות הנ”ל, בוני המכונות עומדים בפני אתגרים עצומים שמציב להם השוק הגלובלי המתרחב ללא הרף. לא ניתן להבטיח בכל מקום הספקת חשמל באיכות אחידה, התאמה של אתרי ההתקנה וזמינות של טכנאים מיומנים. כדי לספק ביצועים אופטימליים, מכונה זקוקה להגנת מעגלים נאותה מפני ארבעה מצבי תקלה אפשריים.
באופן כללי, מצבי התקלה מתחלקים כך: זרמי יתר (over-current), זרמים שיוריים (residual) או זרמי זליגה (leakage), תקלות קשת חשמלית (arcing) ונחשולי מתח (surge) המושרים על ידי ברקים או ציוד חשמלי אחר. כל ארבעת המצבים מסכנים את בטיחות המפעיל ועלולים לגרום נזק לציוד, ובסופו של דבר להוביל להשבתה מקיפה של המערכת.

זרמי יתר (עקב עומס יתר או קצר)
זרמי יתר נגרמים עקב סביבות קיצוניות, הידרדרות המצב הכללי, נזק עקב תאונות, גורמי טבע, או עומס יתר במערכת החשמל. זרמים אלה יכולים להופיע כעומס יתר או קצרים חשמליים. זרם עומס יתר הוא זרם שחורג ממאפייני הפעולה הנקובים של המוליכים, אך מוגבל למערכת חלוקת החשמל, בעוד שזרם קצר מתרחש מחוץ למסלולי ההולכה הרגילים הללו.
עומס יתר זמני, לעתים קרובות עד פי שישה מעוצמת הזרם הנקובה, מתרחש בדרך כלל עקב נחשול מתח תמים שנוצר בעת הפעלת מנועים או ציוד חשמלי אחר. עקב משך זמן הקצר המאפיין אותו, עליית הטמפרטורה של מוליך כלשהו היא זניחה, לא נגרם שום נזק, וחיוני שהתקני ההגנה לא יגיבו למצב זה. לעומת זאת, עומס יתר ממושך עשוי להיגרם על ידי מנועים לא תקינים, מסבים שחוקים, ציוד הפועל מחוץ למעטפת הביצועים שלו או ריבוי צרכנים המחוברים למעגל משותף. מצבי עומס היתר הללו הרסניים ויש לנטרלם ללא דיחוי באמצעות ציוד מגן כדי למנוע נזק.
בניגוד לזרמי עומס יתר, זרם קצר יכול לעלות מאות מונים על זרם העבודה הנקוב ולעלות מעל 50,000 אמפר. אם לא מנטרלים אותו תוך מספר מילי-שניות, עלול להיגרם נזק כבד בלתי הפיך המתבטא בנזק חמור לבידוד, התכת מוליכים, התאדות חלקי מתכת, קשת חשמלית ושריפות.
הגנה מפני זרם יתר מושגת באמצעות מפסקים אוטומטיים ונתיכים. אף שהמפסק האוטומטי נחשב כתחליף לנתיך, כל אחד מהם מתאים ליישום שלו. היתרון העיקרי של הנתיך הוא זמן התגובה המהיר, 4 עד 5 מילי-שניות, לעומת זמן התגובה של מפסק אוטומטי. באופן זה נמנעים זרמים גבוהים שעלולים לגרום נזק למעגלי החשמל של המכונה. כדי לספק הגנה נאותה, יש לבחור בקפדנות את ערכי המתח והזרם הנקובים של הנתיך, הן בפעולה רצופה והן בעת עלייה פתאומית של הזרם. לעתים קרובות, עזרה בבחירה של נתיך עשויה להועיל ואפילו הכרחית, נוכח המגוון הרב של יישומים שבהם ניתן לשלב נתיכים וההיצע העצום של נתיכים. הקטלוג של איטון, למשל, כולל 8,500 סוגי נתיכים.
מפסקים אוטומטיים, לעומת זאת, ניתן לאפס – במקרים מסוימים אפילו מרחוק – לאחר שהופעלו עקב תקלה. ביישומים מסוימים, היכולת לאפס מפסק אוטומטי מאתר מרוחק במקום לשלוח טכנאי לצורך כך, עשויה לקצר את זמן ההשבתה. מפסקים אוטומטיים מתפקדים טוב יותר מנתיכים במעגלים בעלי עומסים השראתיים, כגון מנועים ושנאים שמושכים זרמי נחשול גבוהים בעת הפעלתם. קל יותר להגדיר אותם להיפתח במצב של תקלה אמיתית, ולמנוע הפעלת שווא מטרידה במקרה של נחשולי מתח השראתיים.
בנוסף, למפסקים אוטומטיים יש מאפייני הגנה מתכווננים שניתן להתאימם ליישומים רבים, בעוד שנתיך בעל מאפיינים קבועים מדויקים מחייב בחירה לכל יישום בנפרד. מפסקים אוטומטיים יכולים למלא תפקידים נוספים, כגון מפסקי חירום ומיתוג רשת באמצעות מבחר אביזרים מודולריים.

זרמים שיוריים או זרמי זליגה
זרמים שיוריים או זרמי זליגה אינם גבוהים או אנרגטיים כמו זרמי קצר, אך מעבר של זרם זליגה שאינו עולה על 30 מיליאמפר דרך גוף האדם במשך חלקיק שנייה, עלול לגרום לדום לב או לנזק חמור אחר. בהתאם לכך, מערכות חלוקת חשמל חייבות לכלול התקנים המופעלים באמצעות זרם שיורי (או התקני RCD‏,residual current devices) שנפתחים בעת גילוי חוסר איזון בין הזרמים בקו שנמצא תחת מתח לבין מוליך האפס. כל חוסר איזון כזה מצביע בדרך כלל על קצר או על תופעה חשמלית חריגה אחרת. נוסף לסכנת התחשמלות, בזרמים שיוריים גבוהים קיימת גם סכנת שריפה.
עם זאת, מערכות מכניות כוללות לעתים קרובות ווסתי מהירות שבמהלך פעולתם גורמים לזרמי זליגה לאדמה. לפיכך, חשוב שהתקן RCD יגיב באופן הולם לזרמים מסוכנים באופן ממשי, מבלי לגרום להפעלות שווא מטרידות בתגובה למצבים שבהם זרם זליגה הוא תופעה נורמלית, וכמובן, שלא יאפשר חשיפה של המפעיל לסכנת התחשמלות.
בוני מכונות צריכים להקפיד במיוחד כשמודבר בהתקני RCD מסוג B כדי לעמוד בדרישות ההגנה של ציוד מכני. האתגר הוא לשמור על זמן פעולה ממושך בכל מקום שבו המכונה נמצאת ללא השבתות תוך כדי שמירה על רמת הגנה גבוהה על הציוד ועל המפעיל,. הדבר מחייב התייחסות לעמידה בתקנים ובתקנות.
כיום יש בשוק התקני RCD דיגיטליים שמציעים מספר יתרונות למשתמשי המכונות. מאחר שהם מודדים את זרם הזליגה בזמן אמת, הם יכולים לספק התראה הן ברמה המקומית באמצעות נוריות ביקורת והן מרחוק באמצעות מגעים יבשים. ניתן לזהות תקלות לפני שמתרחש ניתוק הספקת החשמל, ועל ידי כך להפחית את הצורך בתחזוקה לא מתוכננת, ובסופו של דבר, להגדיל את זמן הפעולה ללא השבתות.

תקלות קשת חשמלית
תקלות קשת חשמלית עשויות להתרחש עקב פגמים בבידוד של מוליכים או במגעי חיווט רופפים. הן הסיבה העיקרית לנזק במתקנים חשמליים. כמו כל נזק אחר בבידוד החשמלי, גם תקלות קשת חשמלית עלולות לגרום בנקל לדליקות שבסופו של דבר פוגעות קשות במפעילים, במכונות ובתשתית. אחת הסיבות הטיפוסיות להיווצרות קשת חשמלית היא פגיעה של מגבה מכני בבידוד של אחד מכבלי החשמל של המכונה. חברות הביטוח מעריכות כי 25% מהדליקות הנגרמות על ידי תקלות חשמל, הכוללות קשת חשמלית באחד משלבי התהליך. התקני גילוי תקלת קשת חשמלית (Arc Fault Detection Devices, ובקיצור התקני AFDD+) תוכננו מלכתחילה כדי להגן על בני אדם מפני שריפות בבנייני מגורים, אך מאז שהטכנולוגיה הוכיחה אמינות ומחירה הגיע לרמה סבירה, רמת האטרקטיביות שלהם עולה בהתמדה אצל בוני המכונות.
גילוי הקשת החשמלית מתבצע באמצעות מעגלים אלקטרוניים מורכבים שחשים אותות בתדר גבוה בקו ההזנה. קשתות חשמליות מתאפיינות בדפוס רעש בפס רחב, השונה מדפוסי רעש אחרים של תדרים גבוהים. קשת חשמלית מפעילה מפסק אוטומטי זעיר (miniature circuit breaker, בקיצור MCB‏) או מפסק זרם שיורי (residual current circuit breaker, בקיצור RCBO) והספקת המתח שמזינה את הקשת נקטעת.
גורם בידול האיכות החשוב ביותר של התקן AFDD+ הוא שיעור נמוך של הפעלות שווא. מדובר באתגר ממשי לבוני המכונות, מאחר שקו ההזנה מכיל אותות רבים שעלולים להתפרש באופן שגוי כקשתות חשמליות, כגון אותות מיתוג של ממסרים. תהליך האישור כולל גילוי מהיר ובטוח (וגם שיכוך) של הקשת החשמלית שנמצאה.
בהתאם לכך, אסטרטגיות הגנה מפני קשת חשמלית מתמקדות בגילוי. התקני AFDD+ פועלים יחד עם מפסקים אוטומטיים או עם התקני RCBO. התקן AFDD+ אמור לנתק את המתח בכל מקרה של קשת בעלת אנרגיה של 100 ג’אול ומעלה, כאשר זמן ההפעלה המרבי המותר מתקצר ככל שעולה רמת האנרגיה של הקשת. באופן כללי, הצלחת ההגנה מותנית באופן קריטי במהירות התגובה למזעור אנרגיית הקשת.
התקני AFDD חיוניים אפילו במערכות שכבר מצוידות בהגנה מפני זרם יתר. מפסקים אוטומטיים והתקני RCD אינם מסוגלים לגלות תקלות קשת חשמלית, מאחר שתקלות אלו אינן מתאפיינות בזרם יתר או בזרמי זליגה. התקני AFDD+ בשילוב מפסקים אוטומטיים זעירים מספקים הגנה מפני תקלות קשת טוריות וגם מפני תקלות מקבילות בין פאזה לאפס או בין שתי פאזות. התקני AFDD+ בשילוב התקני RCD מספקים הגנה מפני תקלות במוליך הגנת פאזות.

הגנה מפני נחשולי מתח
הצורך בהגנה מפני נחשולי מתח בכל רשת החלוקה גדל באופן קבוע נוכח השימוש חסר התקדים במעגלי אלקטרוניקה במכונות. מחשבים, בקרים מתוכנתים, צגים ורכיבי תקשורת כובשים את מקומם עם אימוץ תפיסת ה-Industry 4.0. נחשולי מתח יכולים לחולל שמות במעגלי אלקטרוניקה ולגרום לתקלות הרות אסון, שיבוש תהליכים ונזק חוזר ונשנה הגורם בסופו של דבר לכשל. הסיבות לכך יכולות להיות אירועים חיצוניים כגון ברקים, מיתוג רשתות חשמל או מנועים ומיתוג ממסרים בתוך המערכת.
נחשולי מתח יכולים להגיע במהרה לרמות מתח מסוכנות, לעתים קרובות תוך ננו-שנייה. נתיכים ומפסקים אוטומטיים אינם מסוגלים להגיב במהירות מספקת ולמנוע את הנזק. לפיכך יש צורך בשיטות חלופיות שיוסיפו לאמצעי ההגנה הקיימים מפני זרמי יתר גם הגנה מפני נחשולי חשמל. הרכיבים הנפוצים ביותר הםמגני ברקים ווריסטורים (נגדים תלויי מתח). מגני ברקים מתאפיינים באורך חיים ממושך ויכולת ספיגה של רמות אנרגיה גבוהות, דורשים מידה מסוימת של אנרגיית הפעלה, בעוד שווריסטורים מתאפיינים בתגובה מהירה ואינם זקוקים לאנרגיית הפעלה.
מומלץ להתקין לפחות התקן הגנה מנחשולי מתח (Surge Protection device, בקיצור SPD‏) לכל ארון חשמל, אחד לכל התקן רגיש ואחד לכל קו חיישנים שיוצא מבניין. העלות של התקן SPD היא בדרך כלל חלק זעיר מזו של הנזק שהוא מסייע למנוע.

סיכום
קיימים סוגים רבים של מצבי תקלה ושיטות מתאימות להגנה על מעגלי חשמל. ההצלחה הסופית של כל אסטרטגיית הגנה בהגדלת זמן הפעולה ללא השבתות ושיפור בטיחות המפעיל תלויה במידה רבה בבחירת השותף המתאים. מפסקים אוטומטיים, נתיכים והתקנים נוספים מתפקדים במיטבם לבדם לעתים נדירות בלבד. הם מיועדים בדרך כלל להשתלב במערכות חשמל היררכיות שבהן אחריות ההגנה מתחלקת בין רכיבים שונים בהתאם למיקומם במתווה הכללי. לכן יש מקום לרכוש את כל המרכיבים הללו מיצרן יחיד, רצוי בינלאומי, שמסוגל לערוב ליעילותם בפעולה הדדית ויכול לייעץ לגבי הקמת פתרון מאוזן.
בוני מכונות יכולים להטמיע יתרון תחרותי ממשי במוצרים שלהם אם ימצאו יצרן רכיבי הגנת מעגלים שמחזיק ברשותו מלאי גדול ומגוון ומסוגל לספק תמיכה טכנית ושירותים לוגיסטיים באותו סדר גודל. זו ההזדמנות להפוך את סוגיית ההגנה על מעגלי חשמל ליתרון מכירתי במקום לבעיית תכן.