איכות החשמל, משמעויות

רקע :

תופעות הנגזרות מאיכות חשמל ירודה לרוב הינן מורכבות ודורשות ציוד ייעודי וכוח אדם מיומן לאיתורן ולהגדרת פתרון הולם לצמצומן.
הנטייה המקובלת בקרב החשמלאים הינה להסביר כל תופעה לא שגרתית כנגזרת לבעיית הרמוניות ברשת. במאמר זה השתדלתי לקבץ את מרב התופעות המוכרות ומספר כללי אצבע לטפול בהן ובכך לאפשר לגורם האחראי במפעל/מתקן/מתחם להבין , באם אכן קיימת בעיית איכות חשמל במתקן שבתחום אחריותו .

בפועל קיימים שלושה גורמים עיקריים המשפעים על איכות החשמל במתקן:
א. איכות אספקת החשמל .
ב. אופי העומס במתקן .
ג. רגישות הציוד להפרעות ברשת החשמל .

בעיות אופייניות :

בהתבסס על ממצאי מחקר אירופאי שבוצע במהלך 2001 (לצערי בארץ עדיין לא קיים בסיס מידע לאיכות החשמל ) שכיסה כ-1400 מתקנים שונים ב-8 מדינות מסתבר שכ - 20% מהמתקנים סובלים מהתופעות הבאות :
א. היתקעות מחשב כ - 24% .
ב. שוני בעוצמת הארה (פליקר ) כ – 22% .
ג. כשל כרטיסים אלקטרונים כ – 20% .
ד. שגיאות בעיבוד נתונים כ – 18% .
ה. כשל מערכות לתיקון מקדם הספק כ – 17% .
ו. תופעות נלוות למיתוג עומס כבד כ – 16% .
ז. חימום קו האפס כ – 12% .
ח. הפעלת ציוד הגנה שלא לצורך כ - 11% .
ט. אי דיוק במדידת אנרגיה חשמלית כ – 6% .

חשוב להבהיר כי לא כל התופעות לעיל הינן תוצאה בלעדית של איכות חשמל ירודה מחשב למשל יכול להיתקע גם בגלל בעיות תוכנה ומפסק יכול להתנתק שלא לצורך בגלל שלא כוון כנדרש או שאינו מתאים לייעודו.
בכל מקרה לבידוד גורם ההפרעה ,באם מהרשת או מהצרכן נדרשת בדיקה פרטנית .

אפיון התופעות שתוארו לעיל :

א. היתקעות מחשב (computer lockup ) :
זרם זליגה בקו הארקת המחשב גורם למפל מתח קטן ככל שיהיה העלול להיות משמעותי לאותות הפעלת המחשב ,אומנם חומרת המחשב מתוכננת לסנן הפרעות אלו ,אך אינה יכולה לבטלן בפרט כאשר תדר ההפרעה עולה .
ריבוי ציוד המחשוב ופריסתו הרבה יוצר מצב שחלק מהמחשבים לא יהיה באותו פוטנציאל חשמלי ולכן ייווצרו זרמי מעטפת בסיכוך כבלי התקשורת
( ground loop ) זאת במידה והם מוארקים בשני צידי הכבל .
פרוטוקלי התקשורת כוללים הליך של זיהוי שגיאה במידע המועבר אך במקרה הנ"ל פעולת המחשוב מואטת עד כדי היתקעות המחשב ,תופעה שהיא כמעט יום יומית בסביבה משרדית .
ב. הבהובי מסך (flickering screens ):
ההרמוניה השלישית וכפולותיה מתנקזות לקו האפס והן יוצרות שדה מגנטי שבמקרה קיצון גורם לריצוד מסך מחשב שפורפרתי .
ג. הבהוב תאורה (flickering lights ):
מיתוג עומס כבד גורם לשינוי במעטפת גל המתח המשפיע על עוצמת ההארה בפרט בנורות ליבון . שינוי זה משפיע על מוח האדם עד כדי יזום התקפה אצל חולי אפילפסיה וכן לגרום להרגשת אי נוחות (סינדרום בנייני המשרדים) . לאור זאת רמת ההבהוב המותרת מוגדרת בתקנים והיא ברת מדידה .
ד. חימום יתר של שנאים בעומס נקוב:
עיוות הרמוני בזרם גורם להגדלת ההפסדים החשמליים בשנאים ,באם השנאי מועמס קרוב לערך הנקוב שלו הפסדים אלו גורמים לחימום יתר המקצר את אורך חיי השנאי עד כדי כשל .
את הפסדי השנאי נהוג לחלק להפסדי ברזל הנובעים ממגנוט ליבת השנאי והתלויים בריבוע התדר והפסדי נחושת הנובעים מחימום ליפופי השנאי
שהתנגדותם עולה עם התדר בגין אפקט הקרום (skin effect ) המתחיל להיות דומיננטי מעל 350 הרץ .
ה. הגדלת הפסדים במנועי השראה :
הרמוניות מתח גורמות להגדלת ההפסדים במנועי השראה כאשר ההרמוניה החמישית יוצרת שדה מסתובב הפוך לשדה המנוע ואילו ההרמוניה השביעית מגבירה אותו ,כך שבפועל נוצרים הלמי מומנט במסבים ובמצמדים . מאחר ומהירות המנוע הינה קבועה האנרגיה הנוצרת ע"י הרמוניות אלו מתבטאת בתוספת חום יתרה מזאת ,זרמי ההרמוניות מושרים לרוטור והן גורמות לחום נוסף הגורם להתפשטות המכללים ובכך מצמצם את מרווח האוויר בין הרוטור לסטטור דבר המקטין את יעילות המנוע .
משני המהירות לסוגיהם השונים יוצרים עיוותים הרמוניים משלהם ,מחד רגישותם לנפילות קצרות המתח (dips ) ומאידך במידה והם מותקנים רחוק מהמנוע הם עלולים לגרום לקפיצות מתח ( spikes ) נגזרת של אופי עבודתם .
הערה: תשומת לב מיוחדת יש לתת להתנעת מנוע לאחר הפסקת מתח קצרה כאשר הוא בעומס מלא ,מאחר והחום הנוסף כתוצאה מזרם ההתנעה עלול להפעיל את הגנת יתרת הזרם . לכן יש לתכנן את עבודת המנוע כך שהתנעתו לאחר נפילת מתח לא תהיה מעל 70% עומס .
ו. חימום יתר של מוליכים כתוצאה מאפקט הקרום ( skin effect ) :
תופעת הקרום שהינה זניחה בתדר 50 הרץ מתחילה להיות דומיננטית מעל 350 הרץ , קרי מההרמוניה השביעית ומעלה .לדוגמא מוליך בקוטר 20 מ"מ התנגדותו ב-350 הרץ גבוהה ב-60% מהתנגדותו בזרם ישר .

המשמעות הינה הגדלת התנגדות הקו האפקטיבית הגורמת למפל מתח גבוה יותר הגורר הפרעות הרמוניות גבוהות יותר במתח .
ז. פגיעה בתפקוד מכשור לבקרת תהליכים :
עיוות הרמוניים בזרם עלולים לגרום למצב בו גל הזרם חותך את קו האפס (zero crossing ) מספר פעמים במחזור ,מצב שעלול לפגוע בציוד מדידה רגיש,להכניס שגיאה במדידה ולתקוע בקרים מתוכנתים ( lockup ) .
ח. פגיעה במערכות לתיקון מקדם ההספק :
את הפגיעה במערכות לתיקון מקדם ההספק ניתן לחלק לשני היבטים , הראשון פגיעה בקבלים לשיפור מקדם ההספק והתופעות הנגזרות מכך והשני תפקוד לקוי של הבקר לתיקון מקדם ההספק :
1. קבלי מערכת תיקון מקדם ההספק עלולים להיכנס לתהודה עם השנאי במידה ושורש הספק הקצר חלקי הספק בנק הקבלים באותה נקודת זמן הינו כפולה שלמה של תדר הרשת הבסיסי .
2. בקרי מערכת תיקון מקדם ההספק המודדים את זווית המופע COS φ) ) יכשלו בתפקודם התקין מאחר ואינם לוקחים בחשבון את השפעת העיוות ההרמוני בזרם . במתקן שבו העומס העיקרי הינו משני תדר , עלולים להגיע לרמת עיוות הרמוני בזרם מעל 60% במצב שכזה , הבקר יכול להציג הפרש מופע קרוב ל-1 ,אבל בהחלט יתכן שמקדם ההספק יהיה נמוך בכ-10% ,כך שלמעשה המערכת אינה מתקנת את שהיא נדרשת לעשות .
ט. קווי הזנה ארוכים :
קווי הזנה ארוכים מטבעם בעלי אימפדנס גבוה ולכן זרמי התנעה של ציודי הקצה גורמים לנפילות/הפרעות מתח , על כן מומלץ להגדיל את שטח חתך המוליכים להקטנת התנגדות הקו שתפחית את מפל המתח .
מעבר לצמצום מפל המתח בקו , הגדלת החתך מחזירה את עצמה בזמן קצר יחסית , במידה והמתקן עובד מעל 3000 שעות בשנה ,זאת בגלל הקטנת הפסדי החום ( I²R ) .
י. העמסת קו האפס :
במערכת תלת פאזית הזרם זורם במוליכי הפאזות ואילו במוליך זורם הזרם הנובע מחוסר סמטריה בין הפאזות , אלא מאי ,ברשת מזוהמת בהרמוניות ,ההרמוניה השלישית וכפולותיה מתנקזות לקו האפס ולכן הגישה שדגלה בחתך מוליך האפס כחצי מחתך מוליך הפאזות אינה מתאימה .

בהתאם להמלצת CBEMA (ארגון יצרני המחשוב בארה"ב ) יש להשתמש בקו אפס שחתכו לפחות 1.7 חתך הפאזות , זאת גם אם מוליכי הפאזות אינם מועמסים במלואם .
יא. הפעלה לא רצונית של מערכות הגנה :
זרמי התנעה עלולים לגרום להפעלה לא רצונית של הגנות במפסקים במידה ואינם מכוונים כראוי , כמו כן תכולת הרמוניות גבוהה עלולה לגרום להפעלת הגנת זרם יתר המתבצעת בהתבסס על האנרגיה התרמית המתפתחת לה תורמת ההרמוניה החמישית ואילך ביחס ישיר לריבוע התדר.
זרמי זליגה כתוצאה מהעיוות ההרמוני עלולים לגרום להפעלה לא רצונית של הגנת הזליגה , במקרה שכזה אסור להפחית את רגישות המכשיר ע"י הגדלת זרם הזליגה שלו מאחר ועלולים לפגוע בחיי אדם בקרות מקרה כשל ,לכן הדרך הנכונה היא להקטין את זרמי הזליגה על ידי הוספת הגנות זליגה כך שכל מערכת הגנת זליגה תכלול פחות צרכנים ובכך נקטין את זרמי הזליגה וההתנעה שהיא מודדת .
יש להדגיש כי הגדלת מערכת ההגנה (הורדת רגישות ) אינה פתרון נכון ובעת הצורך יש להשתמש בציוד המתאים לרמת העיוות ההרמוני במתקן או לחליפין לפעול לצמצום ההפרעה ההרמונית .
יב. שגיאת מדידת אנרגיה :
מונים אלקטרומכניים עלולים לזייף עד 10% ברשת מזוהמת בהרמוניות , נכון להיום ספק האנרגיה (חברת חשמל לישראל ) אינו קונס את הצרכן בגין רמת עיוות הרמוני גבוהה כפי שהוא קונס במקרה של מקדם הספק נמוך , בעתיד יתכן וזה יעשה ולכן יש לשאוף למזער את רמת העיוות ההרמוני במתקן ,זאת גם אם בשלב הנוכחי אין אנו מרגישים פגיעה בתפקוד המתקן .

לסיכום :
השתדלנו במאמר זה לתאר את מירב התופעות הנגזרות מרמת עיוותי הרמונית חריגות כפי שבאה לידי ביטוי בהתבסס על מחקר אירופאי משנת 2001 והניסיון שנצבר בארץ . זאת בכדי להקל על יכולת האבחון באם התקלה הינה נגזרת של איכות חשמל ירודה או גורם אחר (בלאי , תנאי סביבה וכדומה )
תופעות איכות חשמל ירודה כפי שפורטו לעיל מחייבות ביצוע מדידה לצורך אבחון והגדרת פתרון .

זוהר וינבוים הינו מהנדס יועץ שהתמחה בביצוע מדידת איכות חשמל ותכנון פתרון לבעיות אלו .

ה PQUBE הינו התקן שמזהה כל הפרעת חשמל ברשת ו'מצלם' אותו. מאפשר איתור מקור הבעיה ויישום של פיתרון נכון למתקן.
מקורות :
POWER QUALITY SELF- ASSESMENT GUIDE .1 EUROPEAN COPPER INSTITUTE 2001
2. THE RATIONAL USE OF ELECTRICAL ENERGY2001 DR. JOSEF BALCELLS SENDRA