איכות החשמל – הסיבות להפרעות ודרכי שיפור

קיימות הגדרות שונות לאיכות אספקת החשמל, הנגזרות מתחומים מוגדרים הכלולים בנושא.

באופן כללי ניתן לומר, כי איכות אספקת החשמל היא מונח החובק את מכלול האפיונים של אספקת האנרגיה החשמלית ללקוח. בנוסף מבטא המונח את השפעתם של מערכת אספקת החשמל ושל המשתמש הסופי בחשמל, על ביצוע  מתקן החשמל.

הערכים הנומינליים של מאפייני איכות החשמל הם אלה שעל פיהם צריך הלקוח לתכנן את מתקניו כך שיפעלו לשביעות רצונו. זאת בהתחשב בסטיות המותרות שנקבעו באמנה שבין חברת החשמל ללקוחותיה או בדרך אחרת.

 המאפיינים הטכניים של אספקת החשמל הם:

התדר הנומינלי בכל מערכות אספקה היא  בגבולות של 40.5%  עד 96%.

המתחים הנומינליים בהדק הלקוח:

מתח נמוך 230 וולט ו- 400 וולט 10% +

מתח גבוה 12.6 קו 22 ק"ו ו-33 ק"ו  10% +

במקרים חריגים ייתכנו סטיות מסטנדרטים אלה.

סטיות מהערכים הנומינליים ומקורן:

סטיות מערכים נומינליים של מאפייני האנרגיה החשמלית המתרחשות מדי פעם, הן תופעה טבעית בכל מערכת המספקת חשמל לצרכנים רבים ומגוונים.

גורמי הסטיות הם רבים ומתחלקים על-פני מקורם לשתי קבוצות:

• סטיות שמקורן ברמות העמסה ובמאפייני מערכת היצור, ההרשאה, החלוקה והמסירה של החשמל וכן בתקלות המתרחשות במערכות אלה עקב ברקים, רוחות, שריפות, פגיעות בקווי רשת וכו'. ריחוקו של הצרכן ממקור הזינה (תחנת המשנה) משפיע גם היא על רמת סטיית המתח.
• שינויים שמקורם בציוד החשמלי המופעל אצל הלקוחות, אשר במהלך פעולתו התקינה גורם להפרעות ברשת אספקת החשמל, וביניהם: תנודות העומס עיוות הרמוני והבהובי מתח. המתח הנומינלי בהדקי הצרכן יכול להשתנות באופן איטי, כמו במקרים של מתח ומתח יתר, או באופן כמו במקרים של שקיעת מתח, גל מתח יתר ותנודות מתח. הגורם העיקרי לשינויי מתח איטיים, הם שינויים בעומסי הצרכנים המוזנים מרשת החלוקה.במהלך שינויים אלה משתנה העמסת הקווים  (דבר הקורה באיטיות לאורך היממה), וכתוצאה מכך משתנה מפל מתח לאורך הקווים ועמו המתח בהדקי הצרכן. שינוי מתח איטיים על הדקי הצרכנים ברשתות מתח גבוה ונמוך עשויים להגיע עד 10% ± ערך זה נקבע במדינות אירופה ובישראל כסטיית מתח מרבית.לעיתים עקב תקלה, גורם ניתוק מוליך האפס לשינויי מתח איטיים, במקרה זה, הצרכנים המחוברים אחרי נקודת הניתוק מוזנים "במונה צפה",  והמתח הפאזי שלהם תלוי באיזון העומסים בין הפאזות. בפאזה העמוסה ביותר, המתח עלול לרדת בעשרות אחוזים מתחת למתח הנומינלי ולהפך.בפאזה העמוסה מינימלית, המתח עלול לעלות. הסיבה לניתוק במוליך האפס בלוח יכולה לנבוע מפגיעה מכנית ברשת החשמל, שחרור מוליך האפס מהדק הרשת, שחרור מוליך האפס בלוח הצרכן וכו'. הפרעות חשמל ככלל נגרמות ממגוון רחב של אירועים ומכונות בשמות שונות.השפעת ההפרעות על מערכת החשמל גורמות לנזק מיידי כגון: השבתת קווי ייצור, עצירת מערכות שינוע ולעיכובים בעבודה. עקב כך נגרמים נזקים ישירים ועקיפים, להלן חלקם: נזקים ישירים:

1. ירידה בתפוקה.
2. ירידה ברווחיות עקב פגיעה או הפסקה בייצור.
3. פגיעה במתקני ייצור.
4. הפסד חומרי גלם.
5. עלית ההוצאות העודפות בכוח אדם (להחלפת ציוד פגום, פינוי פסולת וכו). נזקים עקיפים:

1. פגיעה בשירות ללקוחות.
2. חוסר שביעות רצון של לקוחות.
3. ירידה ו/או אובדן עסקאות.
4. פגיעה בכושר התחרות ובמוניטין.
5. שחיקה מצטברת וירידת מוטיבציה בקרב העובדים.
6. אובדן לקוחות נאמנים. רוב הצרכנים הביתיים, המסחריים, והתעשייתיים אינם רגישים באופן משמעותי להפרעות באספקת החשמל, וגם אם נגרם נזק הוא מזערי בלבד.עם זאת ישנם צרכנים ותהליכים הרגישים במיוחד לחריגות באספקת החשמל לדוגמת תהליך ייצור, תהליכים רציפים וכו'.

סוגים עיקריים של הפרעות חשמל, מאפייניהם, הסיבות להתרחשותם:

תת-מתח (undervoltage)

מופיע בדרך כלל בשעות העומס בקו מתח נמוך, עקב מפל מתח עליו (קו ארוך ו/או שטח חתך נמוך), או כתוצאה מניתוק פאזה או שריפת נתיך או פתיל, בצד מתח גבוה של השנאי.

תת-מתח עלול להיווצר גם עקב כיוון שגוי של מחליף דרגות(tap-changer ) בשנאי חלוקה.

מתח-יתר (overvoltage)

מופיע בדרך כלל בשעות השפל בנקודות חיבור של צרכני מתח נמוך, הנמצאים בקרבת שנאי החלוקה. מתח יתר יכול להופיע גם עקב גודל לא מתאים של קבלים לתיקון מקדם הספק  במתקני הצרכנים וכיוון שגוי של מחליף הדרגות בשנאי החלוקה.

שקיעות מתח (voltage-dips ,sags)

שקיעות מתח נובעות משני מקורות עיקריים: רשת החשמל ומתקני הצרכנים.

שקיעות מתח שמקורן ברשת החשמל (רשת המסירה והחלוקה של חברת החשמל ורשת החשמל של הלקוחות) יכולות להיווצר עקב קצרים בין הפאזות. שקיעות אלו נושאות אופי אקראי ובלתי-צפוי, ולכן לא ניתן לשלוט בהן.

שקיעות מתח שמקורן במתקני הלקוחות נוצרות עקב תנודות עומס חזקות, כגון: הנעת מנועים חשמליים גדולים, הנעת מכונות המאפיינות בעומסים משתנים לסירוגין בקצב גבוה וכו' (בעת הנעת מנועים גדולים יכולה להיווצר שקיעת מתח במשך 5-0.1 שניות).

גלי מתח יתר (transient overvoltage)

גלי מתח יתר מופעים באופן אקראי ברשת החשמל בכל רמות המתחים, ממתח נמוך ועד        מתח-על. הסיבה העיקרית להופעת גלי מתח יתר (קפיצות מתח) היא פגיעת ברקים ברשתות עיליות. ערכו של גל המתח היתר שנוצר במקרה כזה הוא עשרות קילו-וולטים, והוא מתפשט לאורך הקווים ופוגע בדרכו בנקודות חלשות של הבידוד. סיבה נוספת להופעת גלי מתח יתר היא מיתוג עומסים ריאקטיביים כגון: קבלים, מנועים, שנאים וכד', וזאת בעיקר במתח גבוה ובמתח עליון.

תנודות/הבהובי מתח (voltage fluctuation/flicker )

תנודות מתח, בדומה לשקיעות מתח, נובעות משינויי עומס מהירים במתקני הצרכנים. תנודות מתח מסווגות לתנודות מחזוריות, שמקרון בהפעלת עומסים משתנים גדולים יחסית ובמחזוריות. מדחסים ומשאבות וכן תנודות אקראיות שמקורן בהפעלת עומסים לא ליניאריים, כגון רתכות ותנורי קשת.הרמוניות (harmonic distortion )

הרמוניות נובעות מעיוות הצורה הסינוסואידלית של גל המתח או הזרם, כתוצאה מהפעלת התקנים בעלי אפיון מתח זרם לא ליניארי, וביניהם: קונברטרים (ממירים/ converters ). ספקי כוח המצוידים במיישר סיליקון מבוקר (s.c.r ) או בתיריסטורים, וסתי מהירות אלקטרוניים, תנורי קשת ושנאים רוויים. התקנים אלה, הפועלים ברובם אצל הלקוחות, יוצרים גלים הרמוניים, שתדירותם כפולות שלמות של תדר הרשת. גלים אלה חודרים לרשת אספקת החשמל וגורמים לעיוות הצורה של גל המתח ולתפקוד לא תקין של מתקני הלקוחות האחרים.

סטיות תדר(frequency deviations )

שינויי תדר מעבר לסטיות המותרות הם תופעה המתרחשת לעתים רחוקות מאוד אך לפרקי זמן ממושכים יחסית. המקור העיקרי של התופעה הוא ערעור האיזון בין מערכת ייצור החשמל לבין מערכת צריכת החשמל.

אסימטריה של מתחים (voltages unbalance phase )

במערכת אספקת חשמל תלת פאזית נחשבת כהפרעת חשמל, שכן היא עלולה לפגוע בפעולתו התקינה של ציוד חשמלי.

הגורמים העיקריים להיווצרות אסימטריה של מתחים הם:

1. קצרים אסימטריים.

1. העמסה לא מאוזנת של פאזות שונות ברשת תלת- פאזית.

1. תקלה בשנאי חלוקה או ליקויים בהארקת השיטה של השנאי.

תאימות אלקטרומגנטית היא חלק אינטגרלי וחשוב לנושא איכות אספקת החשמל, ומהווה חוליה המקשרת בין רשת חברת החשמל ובין מתקני הצרכנים. מחד, מבטאת התאימות את יכולת ההתקן, המכשיר או ציוד החשמלי לתפקד בצורה נאותה בגבולות הסטיות המוצרות (של מתח, תדר וכו'), ומאידך, היא מגבילה את ההתקן בגרימת הפרעות לרשת החשמל. תפקוד תקין של ציוד, מכשור או מערכת, דורש התאמה בין רמת ההפרעות המשפיעות על ציוד ובין רמת חסינותם מפניהן.תפעול מערכת החשמל

הפרמטרים הבסיסיים של החשמל: תדר, ורמות המתחים, נקבעים בראש ובראשונה על ידי המערכת הראשית שכוללת את המערכת הראשית שמכילה את מערכת הייצור, הולכה והשנאה ומורכבת ממספר רב של פרטי ציוד.

מערכת החשמל הראשית של חברת החשמל היא בעלת השפעה על כל הלקוחות עקב גודלה, היא פרוסה בכל שטח המדינה, ועקב העובדה שמערכת חברת החשמל מאופיינת בקווים קצרים יחסית בין תחנות המשנה ומספר רב של קווים במקביל.

בתנאי תפעול תקינים מערכת החשמל הראשית שומרת על פרמטרים של תדר ומתח כפי שנקבעו באמנה בין חברת החשמל ללקוחותיה.

ישנן שתי הפרעות טיפוסיות:

ההפרעה האחת היא במערכת הייצור תקלות בציוד של תחנות הכוח שגורמות להפסקות דחק או ירידה מהירה בעומס של יחידות הייצור שמתבטאות בירידת התדר במערכת כולה, לפרק זמן שבין מספר שניות למספר דקות, פעולת מערכת להשלת עומס, ושינוי המתח. מספר הפרעות מסוג זה הוא כ- 10 בשנה מתוך כ- 100 הפסקות דחק של יחידות הייצור, ומאות הפרעות בסה"כ במערכת הראשית.

ההפרעה השנייה היא במערכת ההולכה – קצרים שגורמים להפסקות מעגלים או שנאי צימוד שמתבטאים בשקיעת מתח (בכל סוג של קצר), אי איזון בין מתח הפאזות (בקצרים חד ודו פאזיים), עליית תדר (בקצרים תלת פאזיים), ירידת תדר (בקצרים דרך קשת), ושינוי מתח. במערכת החשמל מתרחשים במשך השנה מאות קצרים שמתוכם כ- 280 קצרים חד פאזיים, כ- 25 קצרים דו פאזיים לאדמה ו קצרים דו ותלת פאזיים.

ברוב המקרים, הקצרים מסולקים תוך 100 מילי-שניות. במקרים בודדים הקצר נמשך עד שניה אחת, ובמקרים בודדים הקצר נמשך שניה אחת, ובמקרים יוצאים מן הכלל מעל שניה (מקרה בודד לכמה שנים). כדאי להדגיש שהפרעות משפיעות לא רק על לקוחות חברת החשמל אלא גם על ציוד בתוך מערכת חברת החשמל.

על מנת לעמוד בדרישות אמינות איכות אספקה, חברת החשמל משקיעה בכל שלב של פיתוח ותפעול המערכת בשיפור תשתיות, בציוד יותר מודרני ואמין, בהגנות מודרניות והגנות כפולות, באוטומציה נגד התפשטות הפרעות, באחזקה מונעת של ציוד חברת החשמל, שטיפות, גיזום, וכדומה. הפעולות הנ"ל מבוצעות תוך מגמה להקטין את כמות ההפרעות ואת הנזקים האפשריים.

מטרות התפעול הינה לספק חשמל אמין ובאיכות נדרשת. לצמצם זמן איתור הפרעות למינימום, לבצע הפסקות מתוכננות בצורה אופטימלית, להגיע למינימום הפסדים בקווים, לספק חשמל על פי דרישות נוספות של הלקוחות.

האיור הבא מסכם  את מקורות ההפרעה של איכות החשמל:

פעולות חברת החשמל לשיפור איכות החשמל:

1. תגבור תחזוקת רשתות וחידוש קווים שהתיישנו.

1. הרחבת אוטומציה ברשתות חלוקה עיליות ותת קרקעיות.

1. הרחבת תחזוקה במתח חי.

1. זירוז התקנת אמצעים לאיתור תקלות ופיקוח מרחוק.

1. המשך מעבר לרשתות מתח גבוהה ומתח נמוך עיליות מבודדות.

מפעלים שבהם קיימים תהליכים רציפים מקבלות יעוץ והכוונה מחברת החשמל בניטור הפרעות, ובמתן מידע מלא ומוקדם ככל האפשר על הפסקות מתוכננות ועל תקלות במערכת אספקת החשמל. לגבי מתקני הצרכנים ישנם אמצעים המותקנים אצל הצרכן כדוגמת ציוד מוגן מהפרעות בנוסף לשיפורי חברת החשמל שיגרום למזער את נזקי ההפרעות באספקת החשמל.