מגני ברק במתח גבוה

אחת הנקודות החשובות ביותר בתהליך התכנון של רשת חלוקה במתח גבוה היא בחירת מגיני ברק  על המתקנים השונים ברשת כגון :שנאי חלוקה , כבלים תת קרקעים סוללות קבלי הקו , וכו'.

בחירה לא נכונה של מגיני ברק או בחירה לא נכונה של מיקומם גורמות לכך שהציוד המותקן ברשת החלוקה נשאר חשוף בפני מתחי יתר השונים והוא עלול להיפגע קשות וכתוצאה מכך תשתבש אספקת החשמל הסדירה לצרכנים.

מתחי יתר:

מתחי היתר היכולים להופיע ברשתות חלוקה הם כדלקמן :

מתחי יתר חולפים :

מתחי יתר חולפים נובעים בעיקר משתי סיבות :

   א. קצרים ותקלות לאדמה

   ב. תופעות תהודה

כאשר מדובר בקצרים לאדמה מתח היתר המירבי אשר יכול להופיע ברשת תלוי בשיטת ההארקה של נקודת האפס ברשת החלוקה.

כידוע משך הזמן של הקצר לאדמה נע בתחום רחב מאד מחלקי שניות ועד מספר שניות.

כאשר מדובר בתופעת תהודה מתח היתר נגרם כתוצאה מתהודה בין סליל פטרסון לבין קיבוליות רשת החלוקה.

הערך המירבי של מתחי יתר אלה יכול להגיע לפי שניים מערכו של המתח הנקוב ברשת.

הגורמים המאפיינים את עליית המתח הנגרמת על ידי מתחי יתר הם :

1.  עוצמת מתח  היתר.

2. משך זמן ההופעה של מתח היתר.

3. תדר מתח היתר.

נציין שהאופנים של מתחי היתר החולפים חשובים לא רק לצורך בחירת מגיני הברק אלא גם לצורך קביעת רמת הבידוד של הציוד ושל מתקני החשמל המחוברים לרשת החלוקה.

מתחי יתר הנובעים מפעולות מיתוג :

מתחי יתר הנובעים מפעולת מיתוג מופיעים בדרך כלל כתוצאה מפעולות המיתוג הבאות :

   א. סגירה או פתיחה של מעגלים בעלי אופי השראתי (שנאי בריקם ) שדרכם זורמים זרמים נמוכים.

   ב. סגירה או פתיחה של מעגלים שדרכם זורם זרם קיבולי , בעיקר בזמן פעולות ניתוק של סוללות    

       קבלים וכבלים בריקם.

הערכים האופיינים של מתחי יתר אלה הם בתחום של פי 2.5 עד 3.5 מערך המתח הנקוב של הרשת , משך הזמן של מתחי יתר אלה הוא כ- 0.06 שניות.

מתחי יתר הנובעים מפגיעת ברק :

אחת התופעות הקשות ביותר הגורמות נזקים חמורים לרשתות החלוקה היא פגיעת ברקים בקווים עיליים ובמתח גבוה.

הפגיעה יכולה להיות ישירה או השראתית , בדרך כלל הברק מורכב מ- 3 – 2  התפרקויות

או אפילו 15 – 10  התפרקויות אשר כל אחת נמשכת כ- 100 מיקרו שניות.

כאשר ברק פוגע בקו המתח , הנקודה עולה במהירות רבה , גל המתח הנוצר מתחיל לנוע לכל הכיוונים ועלול לסכן את בידוד הציוד המותקן בקו זה.

מאפייני הזרם של גל ברק סטנדרטי הם :

• הערך המירבי של גל ברק הינו 80 KA  .

• המטען של גל ברק הינו 70 A/SEC .

• שיפוע חזית הגל הינה : 90 KA/μsec .

מגיני ברק – עקרון פעולה ומאפיינים טכניים ברשת חלוקה מתח גבוה :

מגן ברק הוא התקן חשמלי המיועד להגביל לערכים נמוכים ובטוחים את כל הסוגים של

מתחי היתר העלולים להופיע במערכות חשמל.

כדי לבצע פעולה זו פעמים רבות מבלי לגרום להפסקות חשמל מגיני  הברק חייבים לפרוק את

האנרגיה המתפתחת בזמן הופעת מתחי יתר ולהגביל ולהפסיק את הזרם הנלווה  ,

 (זרם המופיע לאחר מעבר זרם הפריקה דרך מגן הברק ) ולחזור למצב ההתחלתי.

כלומר למצב מוכן לפעולה נוספת. יש לציין שברשתות מתח גבוה מגיני הברק מגינים בעיקר

בפני מתחי יתר הנוצרים בגלל פגיעת ברקים.

ברשתות מתח עליון מגיני הברק מגינים בפני כל סוגי מתחי היתר.

עקרון פעולה של מגיני ברק :

בזמן הופעת מתח היתר בקו ברמה העולה על רמת ייחוס מסויימת , מגן הברק מהווה

פס מוליך בין מקום חיבורו לקו ובין האדמה.

כשמגן הברק מתחיל לפעול עוברת דרכו אנרגיה רבה של הברק אך בצורה "מבוקרת"

פעולה זו מונעת מכמויות אנרגיה גדולות להתפרק דרך המקום החלש ביותר בבידוד של

ציוד הרשת.

בזמן פעולתו עובר דרך מגן הברק זרם גדול מאד הנקרא זרם הפריקה.

זרם זה גורם למפל מתח בין הדקי המופע של מגן הברק ובין הדק ההארקה שלו.

מפל מתח זה הוא מתח השיורי של מגן הברק. מתח זה נשאר בין הקו לאדמה

במקום חיבור מגן הברק למשך זמן של כ – 2-20 μsec בממוצע.

המתח השיורי הוא בעצם הרמה שבה "נחתך" גל המתח כאשר הוא פוגש את מגן הברק.

קיימים כמה סוגים של מגיני ברק  נימנה כמה מהם :

• מגיני ברק מדגם מרווחי פריצה

• מגיני ברק מדגם מטאל אוקסייד

• מגיני ברק מדגם ואריגאפ

להלן מובא  האיור הבא המתאר את שלושת מגיני הברק הנ"ל :

מגיני ברק מדגם מרווחי פריצה :

החלק הפעיל של מגיני הברק מסוג זה מורכב ממרווחי פריצה הנמצאים בטור עם נגדי הפריקה

כל מרווח פריצה מחובר במקביל עם נגד חלוקה לא ליניארי . נגד חלוקה זה מאפשר חלוקת

המתח הנקוב של מגן הברק על פני מרווחי הפריצה וגם יוצר תנאים המתאימים לפריצה

מדויקת של  מגן הברק ללא השהייה. נגדי החלוקה עוטפים את מרווחי הפריצה ומגינים עליהם מפני הפרעות חיצוניות. נגדי הפריקה עשויים מגרגרי סיליקון והם החלק של הברק אשר

משמש למעשה ל"חיתוך" מתחי היתר לערכים קטנים של המתח השיורי.

מאחר שאופיין של נגד הפריקה הוא לא ליניארי , נגדים אלה מהווים התנגדות נמוכה כאשר

עובר דרכם זרם פריקה גדול.

כך הם מגבילים את המתח בין הדקי מגן הברק. נגדי הפריקה מהווים התנגדות גדולה עבור

מתח נקוב , וכך הם מגדילים את המשרעת של הזרם הנלווה.

כאשר דרך מגן הברק זורם זרם פריקה גדול עלול להיווצר בתוכו לחץ יתר ואז המיברנה

המשמשת לשחרור גזים חמים נפתחת והגזים החמים פורצים החוצה דרך חריץ מתאים.

מבנה זה מונע את התפוצצות מגן הברק.

תוך כדי פריצת הגזים החמים החוצה משמשת פיסת פלסטית צהובה כמחוון עולה.

פעולה זו מאפשרת להבחין שמגן הברק פעל והוא פגום.

הבחנה זו נעשית בלי להפסיק את החשמל בקו המתח.

חשוב לציין כי מגן ברק ללא פיסה פלסטית צהובה הוא מגן ברק פגום שיש להחליפו.

מגיני ברק מדגם מטאל אוקסייד :

עקרון הפעולה של מגיני הברק מדגם זה מתבסס על התכונות של נגד לא ליניארי הנקרא

וריאסטור העשוי מתחמוצת מתכתית. נגד זה משנה את התנגדותו הפנימית תחת השפעת

המתח המופעל עליו.

מגן ברק זה מורכב ממודול העשוי סיבי זכוכית הכולל וריאסטורים בצורת דיסקיות.

המעטה של מגן הברק זה עשוי מחרסינה או מחומר פולימרי.

היתרונות של מעטה פולימרי בהשוואה למעטה עשוי חרסינה הם :

• מגן הברק קל יותר

• פחות שביר

• לא מתרסק בזמן התחממות יתר.

הזרוע התומכת של מגן הברק עשויה מחומר פולימרי בעל חוזק מכני גדול.

מכסה מגן הברק נועד להגנה בפני ציפורים למניעת קצרים בקו.

מתקן הניתוק משמש אמצעי הגנה בפני זרימת יתר של אנרגיית הברק.

בעת זרימה של אנרגיית יתר דרך מתקן הניתוק , החומר  הנמצא בתוכו מתחמם

ומתפוצץ וגורם לניתוק המתקן מגוף הברק.

כתוצאה מכך המתקן נשאר תלוי על קצה חוט הארקה. פעולת ניתור זו מאפשרת

להבחין בכך שמגן הברק פגום מבלי להפסיק את הקו.

עבור מגן מדגם מטאל אוקסייד חשוב להקפיד שמתח העבודה הרציף שלו יהיה גדול

מהמתח המרבי העשוי להופיע בין הדקיו בעבודה רגילה במקום התקנתו ברשת.

מגיני ברק מדגם ואריגאפ :

מגיני ברק אלו הם פרי פיתוח חדש ביותר בתחום מגיני הברק.

הדגם הראשון הופיע לראשונה לפני כ- 4 שנים וטרם הצטבר ניסיון מספיק כדי להסיק

מסקנות מעשיות לגביהם. עקרון הפעולה של מגיני הברק מדגם ואריגאפ משלב בתוכו

את שתי הטכניקות הקודמות , כלומר מרווחי פריצה ווריסטורים באותו מעטה.

שילוב זה נותן מגן ברק המנצל את יתרונות מגיני הברק מדגם מרווח פריצה ושל מגיני

הברק מדגם מטאל אוקסייד.

היות שמגיני ברק אלה הם שילוב בין מגיני ברק מדגם מרווחי פריצה ומגיני ברק מדגם

מטאל אוקסייד בחירת האופיינים שלהם תהיה כדלקמן :

• מתח עבודה רציף ומתח נקוב יהיו כמו במקרה של מגיני ברק מדגם מטאל אוקסייד.

• ערכי זרם הפריקה הנקוב הם : 5 KA   או 10 KA .

• רמת ההגנה היא כמו במקרה של מגיני ברק מדגם פריצה או מדגם מטאל אוקסייד.

השוואה בין שלושת הסוגים של מגיני ברק

מגן ברק מדגם מרווחי פריצה :

אחד החסרונות של מגיני ברק מדגם פריצה הוא הירידה בכושר ההצתה של מרווחי

הפריצה תוך כדי פעילות רב פעמית של מגן הברק.

כתוצאה מכך מתרחשת עלייה חדה של המתח השיורי והוצאה פתאומית של מגן הברק מכלל שימוש. נוסף לכך קיימת בעיית הזרם הנלווה התורמת להרעת תנאי ההצתה של מרווחי הפריצה , כאמור הזרם הנלווה נוצר כתוצאה מהיווצרות קשת בתוך מרווחי הפריצה.

קשת זו מהווה מוליכות עבור מתח הרשת.

זרם זה דועך בזמן המעבר דרך ה"אפס" של הסינוסאודל. הזרם הנלווה הוא בעל עוצמה

רבה ולכן הוא גורם לנזקים פנימיים במגן הברק.

מגן ברק מדגם מטאל אוקסייד :

מגיני ברק מדגם מטאל אוקסייד נמצאים בשימוש בעולם למעלה מ- 10 שנים.

הם תפסו מקום נכבד במשפחת מגיני הברק הודות ליכולתם לפתור את הבעיות שצוינו לעיל.

פתרון הבעיות התאפשר בגלל האופי הלא ליניארי של מגיני ברק אלו.

כמו כן במגיני ברק מדגם מטאל אוקסייד בעיית מרווחי הפריצה לא קיימת.

הזרם הנלווה מדוכא באופן אוטומטי ע"י הנגדים הלא ליניאריים וערכי המתח השיורי

אינם משתנים לאורך זמן.

אולם קיימת בעיה רצינית מאד האופינית למגיני ברק מדגם מטאל אוקסייד – בעיית

יציבות תרמית.

בזמן פריקה של כמויות אנרגיה גדולות הדסקיות העשויות מתחמוצת מתכתית פולטות

חום רב. כאשר הדסקיות לא מספיקות להתקרר היטב תוך פרק זמן מסוים ונגרם להן

נזק בלתי הפיך.

לפיכך בדיקת עמידות תרמית היא אחת הבדיקות החשובות ביותר המאפשרות לבחון

את היכולת של מגן הברק להתמודד עם תופעה זו.

מגן ברק מדגם ואריגאפ :

מגיני הברק מדגם ואריגאפ נמצאים בשוק כ- 4 שנים בלבד והניסיון שהצטבר אינו מאפשר

להסיק מסקנות חש משמעיות לגבי השימוש בהם. אולם בבדיקת מגיני ברק אלה

הוכח שהם משלבים יתרונות של שני הסוגים האחרים של מגיני הברק תוך התמודדות

טובה עם החסרונות של שני הסוגים הללו.

מגיני ברק מדגם ואריגאפ מצטיינים במתחי פריקה שיוריים נמוכים ביותר :

כ- 30 %  פחות ממתחי הפריקה השיוריים של מגיני ברק מדגם מטאל אוקסייד

וכ- 40 % פחות ממתחי הפריקה השיוריים של מגיני ברק מדגם מרווחי פריצה.

כמו כן מגיני ברק מדגם ואריגאפ עמידים במתחי יתר חולפים גבוהים במיוחד :

מתחים הגבוהים ב- 50 %   מהמתחים שבהם עומדים מגיני ברק מדגם מטאל אוקסייד.

תכנון ובדיקת חשמל למערכות מסוג אלה ניתנות ע"י חשמלאי בודק חשמל מוסמך סוג 3.