תכנון לוח חשמל

לפני שנתחיל מספר פרמטרים אותם אנו חייבים להכיר בתכנון לוח החשמל:

העיקרי שבהם הוא העומס החשמלי הכללי שהלוח אמור לצרוך, הזרם הכללי לצרכני הלוח Ib.
מעבר לחישוב כלל העומסים ישנם כמה מקדמים שאנו לוקחים בחשבון בחישוב הזרם:

1. מקדם העמסה KU , Utilization factor-  מייצג באופן מציאותי את הצריכה של העומס,
   לרוב העומס אינו פועל ב 100% הספק. ולכן צריכת הזרם שלו קטנה מהזרם הנומינלי.
   (לא מומלץ להפעיל צרכן בהספק מלא לאורך זמן).
   בתאורה וכן בבתי תקע בהם לא ידוע מה יחובר נהוג להשתמש במקדם 1.
   
   עבור מנועים בהספק של עד 100kw נהוג השתמש במקדם של 0.75-0.8.
   במנועים בעלי הספק הגדול מ 100kw נהוג להשתמש במקדם 1.
   
   *שימו לב כי מקדם זה מיושם לכל צרכן בנפרד.
   
   
2. מקדם בו זמניות KS,)   Diversity factor בעבר נקרא  Simultaneity factor).
   מייצג עבורנו את מצב הפעלת הצרכנים יחד, לרוב רק חלק מהצרכנים פועלים בו זמנית, ונדיר המצב שכולם יפעלו יחד ולכן ניתן לקחת בחשבון שסך הזרם שנדרש בו זמנית לא יגיע לצריכה מקסימלית.
   

   מקדם זה משמש בתכנון כאשר לא ידועה לנו מה תהיה העמסת המעגלים בפועל. 
   במעגלי תאורה נשתמש במקדם של 1 (לרוב כל מעגלי התאורה יפעלו בו זמנית).
   יש לקחת בחשבון גידול עתידי, נהוג להוסיף כ 30%!

    

   העומס יכול להיות צרכן בודד (כמו מכונה) או לוח חלוקה המזין מספר לוחות משנה, מספר צרכנים או שילוב בין השתיים (כמו: דירה, משרד, חנות, מפעל, בניין דירות וכו')

   הדרישה לחשב את סך כל העומסים הצפויים במתקן באה כדי שלאפשר לנו לדעת מה גודל החיבור הנדרש ( תופס גם עבור גודל השנאי נדרש) וכיוצא מכך מהו גודל המבטח הראשי שאנו נצטרך להשתמש בו (הסוג/ אופיין שלו),

   
   מקדם בו זמניות בלוחות חלוקה
   
   

מקדם בו זמניות במבנה מגורים

מקדם בו זמניות על פי סוג הצרכנות

בהתחשב בתקנה 8 (בפרק של התקנת לוחות חשמל במתח נמוך מתוך "חוק ותקנות החשמל") 
8 הגנת לוח בפני חשמול

• לוח יוגן בפני חשמול בהתאם לתקנות החשמל (הארקות ואמצעי הגנה בפני חשמול במתח עד 1000 וולט), התשנ"א- 1991.
• מותקן ציוד חשמלי על מסד מתכתי התלוי על צירים כגון דלת של לוח, יוארק מסד זה באמצעות מוליך גמיש.
• הארקת הלוח תהיה לפי דרישות התקנות האמורות בתקנת משנה (א) כמפורט להלן:
• כאשר הלוח הוא מסוג 1, תיקבע עכבת לולאת התקלה המרבית המותרת בהתאם למבטח, בקו הזינה של הלוח;
• כאשר הלוח הוא מסוג 2, תיקבע עכבת לולאת התקלה המרבית המותרת בהתאם למבטח הגדול ביותר בלוח, המגן על יציאה מהלוח.

לאחר חישוב של כלל העומסים במתקן (בהתחשב במשטר העבודה ומקדם העמסה של כל אחד מהם) אפשר יהיה להתחשב במקדם הבו זמניות ולאחר מכן להוסיף כ 30% למען גידול עתידי.

את המבטח הראשי ללוח אנו נבחר לפי ההנחיה בתקנה 6, תת תקנה א (מתוך פרק של העמסה והגנה של מוליכים מבודדים וכבלים במתח נמוך מ- "חוק ותקנות החשמל")

• מבטח להגנה בפני זרם העמסת יתר בלבד
• מבטח המגן על מוליך מפני זרם העמסת יתר בלבד, יתאים לכל הדרישות האלה:
• Ib ≤In ≤I'z
• I2 ≤1.45*I'z
• I'z=Iz*c
  
  

Ib – זרם העבודה הממושך המרבי;

In – הזרם הנקוב של המבטח או הזרם שאליו הוא כוונן;

I2 – זרם הבדיקה הגבוה;

Iz – זרם מתמיד מרבי;

I'z – זרם מתמיד מרבי מתוקן;

C – מקדם תיקון משוקלל;

"מבטח" – אבזר הגנה להפסקה אוטומטית של זרם יתר במעגל או קו; מבטח יכול שיהיה נתיך (פיוז, Fuse ), מפסק אוטומטי (כמו מפסק תיבה יצוקה MCCB או מפסק אוויר ACB)  או מפסק אוטומטי זעיר מא"ז,  MCB).

זרם העבודה שיצא לנו בכל החישובים קובע את גודל המבטח המתאים ולפיו נבחר את שטח חתך המוליכים, המבודדים/ כבלים
(לשם כך נתחשב בשיטות ההתקנה, מפלי המתח, זרם קצר מינימלי וזרם קצר מקסימלי הצפויים על פי התקנות שמופיעות בפרק של העמסה והגנה על מוליכים מבודדים וכבלים במתח נמוך ).

בכל לוח חשמל אנחנו מחויבים במפסק ראשי לפי תקנה 22 (בפרק של התקנת לוחות חשמל במתח נמוך מתוך "חוק ותקנות החשמל")

22 מפסק ראשי ומבטח ראשי

(א)  כל לוח ראשי יצוייד במפסק ראשי ובמבטח ראשי לכל סוג אספקה.

(ב)  בכל מקום שבו דרושים מפסק ראשי ומבטח ראשי מותר להשתמש במפסק אוטומטי, במפסק אוטומטי זעיר או במפסק ונתיכים;

המפסק יהיה –

(1)   תלת קטבי או ארבע קטבי בזינה תלת-מופעית;

(2)   חד-קטבי או דו-קטבי בזינה חד-מופעית.

(ג)   בכל לוח משנה יותקן מפסק ראשי; קיים קשר עין בין לוח המשנה לבין המפסק בלוח הזן אותו ומעבר חופשי שאורכו אינו עולה על 3.0 מטרים, ניתן לוותר על מפסק כאמור.

ולרוב ממפסק זה אנו נזין פסי צבירה (לפחות כך ננהג בלוחות גדולים) בעת בחירת פסי הצבירה עלינו להתחשב בכמה גורמים (לצורך קביעת חתך פסי הצבירה, המרחקים ביניהם, חוזק המבודדים וכו' יש לערוך סדרת חישובים):

א. בחירת שטח חתך של פסי הצבירה מבחינת העמסת מותרת:

In אנו נקבע את שטח חתך הפסים לפי הזרם של המבטח הראשי

𝑆(𝑚𝑚2) = גובהו ℎ(𝑚𝑚) * ורוחבו 𝑏(𝑚𝑚) .

Iz  הזרם המתמיד המתמשך המרבי.

נתונים של פסי הצבירה בשטחי החתך השונים ניתן למצוא בקטלוגי היצרנים השונים ויש לבחור את החתך לפי התנאי

.𝐼'𝑧≥𝐼𝑛

ב. בדיקת עמידות הפס בהלם תרמי:

אנו נבדוק האם שטח חתך הנבחר הוא מספיק בכדי לעמוד בהעמסה התרמית בעקבות זרמי הקצר, שטח חתך המינימלי של פס הצבירה יחושב על ידי הנוסחא הבאה:

𝑆=√(𝐼𝑘2∗𝑡)/𝑘2

שטח חתך של הפס (mm²) S .

Ikזרם קצר התלת מופעי הצפוי על פסי הצבירה.

tזמן ניתוק הקצר ע"י המפסק הראשי, כאשר המפסק פועל ללא השהיה ניתן לקבוע שהמן ניתוק הוא 0.1 שניה

(מומלץ לבדוק גם את עמידות הפס בזרם קצר לזמן של 0.3 שניה)

-𝑘 מקדם המאפיין את צפיפות הזרם בשניה. עבור נחושת גלויה: 𝑘=155 .

יש לבדוק שחתך הפס הנבחר בסעיף א, אינו קטן משטח החתך שחישבנו  .

ג. בדיקת עמידות הפסים בפני כוחות אלקטרו דינמיים.

מעבר זרם חשמלי בכלל וזרם קצר בפרט יוצר כוחות אלקטרו דינמיים על ובין הפסים המותקנים במקביל.
עלינו לוודא שהפסים מותקנים כראוי ובהתאם להוראות היצרן כדי שבזמן קצר הם לא יזוזו ממקומם, על ידי מיקום נכון של המבדדים שתופסים אותם אנו נקבע את המרחק (L) בין המבדדים ( המרחק בין נקודות החיזוק/ תפיסה של הפס).

ניתן לחשב את הכוח הפועל על הפס באמצעות הנוסחה הבאה:

F הכוח הפועל על פס הצבירה בקטע שבין 2 מבדדים (ק"ג כוח kgf).

L  המרחק של 2 מבדדים המותקנים על אותו פס (סנטימטר cm).

Ishok  זרם ההלם (קילו אמפרים KA).

d  המרחק בין פסי צבירה של מופעים (פאזות) שונים (סנטימטר cm).

הכוח F מפעיל על הפס מאמץ כפיפיה s  (סיגמא).

s סיגמא- מאמץ כפיפה שפועל על הפס ((.

W  ממונט ההתנגדות  ( )

h גובה הפס (cm)

b עובי הפס (cm)

כאשר הפסים מותקנים במצב מאוזן

כאשר הפסים מותקנים במצב מאונך

נדרש לוודא שמאמץ הכפיפה לא יעלה על הערך המירבי לנחושת זה תנאי לעמידות פסי הצבירה בפני כוחות אלקטרו דינמיים הפועלים עליהם.

לפי תנאי זה ניתן לחשב את המרחק המרבי בין שני מבדדים על אותו הפס.
לאחר כל השינויים וההצבות נקבל עבור פסים במאונך
(הנוסחה מתאימה לפסים שהותקנו במאונך σ max=2500 kg/cm²)

*נדרש שהתוצאה הנ"ל תהיה גדולה יותר ממרחק ההתקנה

ד. בדיקת עמידות פסי הצבירה בפני תהודה.

בבדיקה זו אנו נוודא שמידות הפסים שבחרנו ומרחקי התקנת המבדדים שתופסים אותם לא יגרמו לתהודה בין הפסים לצורך כך נתחיל בחישוב תדר התהודה הטבעי של הפסים

כאשר:

-𝑓0 תדירות הטבעית של הפס (Hz) .

-𝐿 המרחק בין המבודדים (cm) .

-𝐸 מודול האלסטיות השווה ל – 1.1∗ (𝑔𝑘/𝑐𝑚²) עבור נחושת.

-𝐽מומנט האינרציה המחושב לפי   (𝑐𝑚4) :עבור התקנה במאונך.

(𝑐𝑚4)                                             עבור התקנה במאוזן .

-𝐺 משקל cm1 פס צבירה (kg/cm) .

המשקל הסגולי של נחושת הוא:  (

כאשר תדרי התהודה שווים או קרובים לתדרי הרשת זהו המצב המסוכן ביותר, עלינו לוודא שהתדירות הטבעית של הפסים לא תהיה בתחומים 45-60Hz , 80-110Hz.

אם בבדיקה שלנו התברר שהתדירות הטבעית של הפסים נמצאת באחד מהתחומים המסוכנים, נדרש מאיתנו לשנות את המרחק L בין המבדדים ולחזור על חישובי הבדיקה.

בתכנון של לוח למתקן דירתי עלינו להתייחס לתקנות הנוגעות במתקן דירתי בפרק של התקנות לוחות חשמל במתח נמוך (מתוך חוק ותקנות החשמל), תת פרק ה, תקנות 27-29 כולל.

1. 27. (א)  במיתקן דירתי ימוקם הלוח בתוך הדירה; במיתקן דירתי במבנה צמוד קרקע ניתן להתקין את הלוח בכניסה מקורה או במרפסת חיצונית מקורה, בתנאי שהלוח יוגן בפני חדירת מים; הלוח, לרבות המעטה שלו, יהיה מסוג II(בידוד כפול או בידוד מוגבר).

(ב)  על אף האמור בתקנת משנה (א), יכול שלוח של מיתקן דירתי יהיה מתכתי (מסוג I) אם נתקיימו בו תנאים אלה:

(1)   מנגנון ההגנה בפני זרם יתר של המפסק הראשי יהיה ניתן לכוונון, הכוונון יהיה 3×100 אמפר או יותר;

(2)   החיבור בין הלוח ובין המבטח המזין אותו נעשה באמצעות כבל בלבד;

(3)   הכבל האמור בפסקה (2) יוכנס ללוח באמצעות התקן מבודד ("מכפש").

(ג)   על אף האמור בתקנה 10(א)(1) ו-(2), יכול שהמרווח המזערי החופשי בין לוח דירתי לבין קיר שממול יהיה 0.7 מטר בלבד.

(ד)  על אף האמור בתקנה 16(ב), יהיה הגובה המזערי של אמצעי הפעלה ידניים של ציוד בלוח של מיתקן דירתי 1.4 מטרים; הוראה זו לא תחול על לוח המותקן –

(1)   בחדר ייעודי ללוח חשמל או בחדר מכונות;

(2)   בארון או בגומחה עם דלת בעלת מנגנון סגירה, המותקן בגובה שבין 1.4 מטר ל-2 מטרים.

ציוד בלוח

1. 28. בלוח של דירת מגורים יותקנו אבזרים המשמשים ציוד של דירה זו בלבד.

מבטחים ומפסקים בלוח

1. 29. (א)  מבטח ראשי בלוח של מיתקן ביתי יהיה מסוג מפסק אוטומטי זעיר או מפסק אוטומטי בלבד.

(ב)  מעגלים הניזונים מלוח ביתי יוגנו על-ידי מפסקים אוטומטיים זעירים בלבד.

(ג)   על אף האמור בתקנות משנה (א) ו-(ב) יכול שיותקן מפסק אוטומטי או מפסק ונתיכים אם נדרש מבטח בעל זרם נומינלי של 63 אמפר או יותר.

(ד)  לוח במיתקן דירתי יצויד במפסק מגן, אחד או יותר, כך שכל מעגל סופי במיתקן יוגן בפני זרם דלף העולה על 0.030 אמפר; מפסק המגן האמור יותקן בין המפסק הראשי לבין מבטחי המעגלים הסופיים, אך יכול שהוא יהיה יחידה משולבת עם המפסק הראשי.

בחישוב של מספר המעגלים הסופיים בדירת מגורים עלינו להתייחס לתקנה 10 (מתוך פרק מעגלים סופיים הניזונים במתח נמוך מחוק ותקנות החשמל)

1. 10. (א)  במיתקן ביתי יותקן מעגל סופי אחד לפחות לכל שני חדרים או לכל 40 מ"ר של הרצפה, או חלק מהם, הכל לפי המחייב מספר מעגלים רב יותר; חדרי שירותים ומעברים אינם כלולים בחישוב החדרים, אולם שטחם ייכלל בחישוב שטח הרצפה; מטבח ייחשב לחדר.

(ב)  במיתקן בדירת מגורים יותקנו שני מעגלים לפחות לזינת נקודות מאור ובתי תקע.

(ג)   על אף האמור בתקנת משנה (א), מותר שבחדרי לימוד של מוסד חינוכי יותקן מעגל סופי אחד לשני חדרי לימוד ללא הגבלת שטח הרצפה.

(ד)  המעגלים המיועדים לזינת דוד לחימום מים בעל בידוד תרמי, דוד שמש, מכונת כביסה, מכונת ייבוש, מדיח כלים, תנור בישול או אפיה, תנור אוגר חום או מזגן אוויר, לא ייכללו במספר המזערי הנדרש של מעגלים סופיים.

בכל תכנון של לוח נדרש לייצור איזון עומסים על הפאזות השונות (ככל האפשר), כדי למנוע מצב בו פאזה אחת מועמסת יותר מהאחרות (מצב בריא של חלוקת עומסים שווה בין הפאזות השונות יחסית יקטין באופן ניכר את הזרמים במוליך האפס N ).

נוסף על כך נדרש מאיתנו לחשב מהם זרמי הקצר הצפויים בלוח ולוודא שהציוד שבחרנו אכן מתאים להם.
לוודא כי והוא בעל כושר הניתוק המתאים להם כך שהוא יוכל לנתק את זרם הקצר מבלי שהוא יפגע  ומבלי לפגוע בסביבתו.
במתקן דירתי נדרש להתייחס לערכי Icn ו Ics, במתקן תעשייתי נדרש להתייחס לערכי Icu  ו Ics המופיעים על המבטחים השונים ובדפי המוצר שלהם.

לסיכום

כפי שלמדנו עד כה בתכנון לוח חשמל נדרש לקחת בחשבון הרבה מאוד גורמים והיבטים שונים, תקנים ותקנות שונות, לבצע חישובים מגוונים וכל זאת  פחות או יותר בו זמנית כדי לוודא שמה שתכננו אכן עומד בדרישות השונות וזאת כדי לייצור לוח חשמל למתקן אשר יפעל בבטחה לאורך ימים.

עלינו לבחור את הציוד המתאים להתקנה בלוח לפי מקום התקנתו ולפי היעוד של השימוש בו לדוגמא:
לוח שמיועד לשימוש במתקן מגורים הציוד שבו צריך להיות מיוצר לפי תקן 60898-1, לוח שמיועד לתעשייה הציוד שבו צריך להיות מיוצר לפי תקן 60947-2 וגם במידת הצורך להתייחס לדרישות והתקנים של נציבות כיבוי האש, רמת הזיהום הסביבתית במקום ההתקנה וגורמי מזג האוויר הצפויים וכו'.

אלו רק חלק מהדרישות והתקנות השונות שעלינו להתייחס אליהן בבואנו לתכנן לוח חשמל.

כתיבה ינון עטר
חשמלאי הנדסאי חשמל.