חישוב הזרם המתמיד אותו יכול המפסק לשאת מבלי לגרום לנזק למפסק או לציוד הוא אחת מהבעיות המהוות קושי לתכנון של אופן הרכבת מפסקי זרם בלוחות חלוקה.
>זה נכון שמפסקים יצוקים מודולריים נמצאים איתנו כבר הרבה זמן, ייתכן ואפילו חלקכם הגדול נולד אחרי שהם יצאו לשוק
אך היום ככל שהטכנולוגיה מתקדמת נעשה שימוש במפסקים מודולריים קטנים ודחוסים בהרבה, הם ניתנים להתקנה בתצורות שונות ויכולים להגיע במספר ואריאציות שונות של הגנות .

שיפור כושר העמסה של המפסקים בעזרת חישוב הזרם המתמיד
כיצד לבצע חישוב הזרם המתמיד והפסדי הספק במפסק

השימוש במפסקים מודולרים הניתנים להתקנה בתצורות שונות ולוח החשמל יכול להגיע במספר ווארסיות שונות (דרגות מידור/חציצה) יכול להשפיעה בדרכים שונות על אותו מפסק, כלומר קשה לנו לקבוע מהו הזרם המקסימלי אותו המפסק יכול לשאת כשהוא מותקן בנקודות שונות באותו לוח החשמל.
>כתוצאה מכך המפסקים מושפעים מתנאי עבודה (כושר העמסה והגנות שונות) המוגדרים ע"י הייצרן עבור אותו מפסק.

המפסק היצוק נבדק ע"פ התקנים האירופים IEC 60947-2 : אחד הדברים שהתקן דורש לבדוק הוא את כושר העמסה (הזרם המקסימלי מבלי שנגרם נזק לציוד) באוויר החופשי.

תקן IEC 60947-1, מגדיר מהו אותו אוויר חופשי.
>אוויר חופשי מוגדר כ: אוויר בתנאים רגילים בתוך המבנה (לא בתוך לוח החשמל מכל סוג שהוא ) כשהוא חופשי ממקורות אנרגיה אחרים העלולים להקרין עליו חום .
>לא בחוץ חשוף לקרני השמש ואף לא מקורר בצורה לא טבעית  (אוורור מאולץ או מזגן).

המפסק מותקן לרוב בתוך מארז סגור / לוח ולהם פונקציות שונות:

1. מניעת מגע מקרי של האדם עם החלקים המוליכים
2. מהווה נקודת אחיזה חזקה למפסק מה שמאפשר יציבות בחיבור, גם למפסק וגם למוליכים המחוברים.
3. מהווה מחסום לחדירת גוף זר או נוזלים

למארז  לוח החשמל הסגור שמות רבים כגון:
לוח חשמל, לוח חלוקה, לוח הזנה וכו' וכל הלוחות נדרשים לעמוד בתקן IEC 60439-1 לבניית לוחות מתח נמוך, Type-tested (TTA) או type-tested assemblies (PTTA).

למרות התקנות והבדיקות התנאים בתוך לוחות החשמל שונים ממצב של אוויר חופשי, מה שמאלץ את המפסק לפעול בתנאים שונים ובהתאם לקבוע את הערכים:

• לא באוויר החופשי אבל ללוח בוצע חישובי טמפ'- מאפשר התקנה בתוך לוח עם חוצצים שבתוכו אוורור מאולץ או מיזוג.
• המפסק מחובר אל פסי צבירה בעלי אורך וגודל שהוגדרו ע"י הייצרן.
• בהתאם לטמפ' האופפת סביב המפסק בהתאם לתכנון ההתקנה ומקום ההתקנה.

התקן IEC 60439-1 בוחן את הציוד כמכלול ולא כרכיב בודד ( שילוב של מכשירי הגנה ומיתוג אחד או יותר) בכל תצורה אפשרית אם זה מיתוג, מדידה הגנה בעל ערכי כיוונון שונים.

מאחר והתקן בוחן את המכלול נתייחס לכושר העמסת הזרם למעגל מוגדר ע"י יצרן לוח החשמל, אופן סידורם ותפקידם.

על הזרם במעגל לעמוד בתנאי שעליית הטמפרטורה של החלקים השונים במערכת לא תעבור את הגבולות שפרט הייצרן, בזמן שהבדיקה מבצועת בהתאם להנחיות התקן.

לצורך ביצוע בדיקת עליית הטמפ' ישנן שתי הנחיות:

1. מעגלי לוח החשמל יבדקו בזרם השווה לזרם הנקוב אותו נכפיל במקדם Fn .
   >מקדם Fn הוא מקדם תיקון שלוקח בחשבון מעגלים שונים בלוח החשמל שאינם מועמסים בזמן הבדיקה.
   >אם נתכנן לוח חשמל בו כל המעגלים פועלים בזרם המקסימלי שלהם ביחד, הציוד (מפסקים וכבילה) ייקר את עלות הלוח, מידותיו יהיו גדולות מאוד ולבסוף בהפעלת המתקן נגלה שכל זאת היה לחינם מאחר והלוח לא מועמס כך.
   >ההגדרה של המקדם היא- ערך מקסימום הזרמים במתקן לחלק לזרם שאמור לעבור בתאורה.
   >לפי התקן יש לנו טבלה מסכמת Fn=:
   2-3 מעגלים : 0.9
   4-5 מעגלים: 0.8
   6-9 מעגלים: 0.7
   10 ומעלה: 0.6אם אין מידע על המוליכים שבהם נשתמש במתקן, נשתמש המולכים בהתאם לזרם הנקוב של המעגלים (ע"פ התקן).
   >במידה והמקדם Fn קטן מ 1 (אנו מבינים שלא כל העומסים ב 100%) מעגלי הלוח נבדקים בערכי זרמים נמוכים מהזרם הנקוב המלא, אך עם זאת הבדיקה תתבצע באותם המעגלים המאפשרים לשחזר את תנאי עליית הטמפ' בצרכנים הכבדים ביותר.במידה ולוח החשמל מחווט במוליכים בעלי שטח חתך קטן יותר ביחס לזה שנקבע ע"פ התקן. ונעשה בהם שימוש בזמן הבדיקה. בפועל עלולה להתרחש עליית טמפ' גבוהה מהערכים שנמדדו במהלך ההפעלה בבדיקה.

1. אם אין מידע על המוליכים שבהם נשתמש במתקן, נשתמש המולכים בהתאם לזרם הנקוב של המעגלים (ע"פ התקן).
   >במידה והמקדם Fn קטן מ 1 (אנו מבינים שלא כל העומסים ב 100%) מעגלי הלוח נבדקים בערכי זרמים נמוכים מהזרם הנקוב המלא, אך עם זאת הבדיקה תתבצע באותם המעגלים המאפשרים לשחזר את תנאי עליית הטמפ' בצרכנים הכבדים ביותר.במידה ולוח החשמל מחווט במוליכים בעלי שטח חתך קטן יותר ביחס לזה שנקבע ע"פ התקן. ונעשה בהם שימוש בזמן הבדיקה. בפועל עלולה להתרחש עליית טמפ' גבוהה מהערכים שנמדדו במהלך ההפעלה בבדיקה.

עצות כיצד לשפר את כושר העמסה של המפסקים המותקנים בתוך לוח החשמל

כדי לשפר את הכושר העמסה אנו נדרשים לנתח את תהליך ההתקנה מנקודת המבט התרמודינמית.
>לוח חשמל נחשב כמעטה סגור בתוכו מותקנים ציודים שונים המייצרים חום (מוליכים, שנאים, רכיבי מיתוג וכו') החום עובר בין הרכיבים אם דרך האוויר (הקרנת חום המשפיעה על הטמפ' האופפת) והן דרך המוליכים עצמם (חיבור ישיר למקור החום).

במקביל המעטה מעביר בצורה שונה בהתאם לחומר ממנו הוא עשוי את החום אל הסביבה, גם כאן המעבר נעשה בהולכה (כבלים או פסי צבירה) או בהקרנה.
>בלוחות חשמל להם רמת הגנה נמוכה או בהן מותקנת מערכת אוורור חלק מהחום מועבר דרך האוויר אל מחוץ ללוח בזמן הסירקולציה (אוויר בטמפ' הסביבה נכנס ללוח סופח חום ויוצא במעבר השני וחוזר חלילה).

כל אותם התופעות של סירקולציה והחלפת האוויר בין הסביבה לתוך הלוח ביחד עם המבנה וסוג הכיסוי של הלוח, משפיעים על הטמפ' בכל נקודה בתוך הלוח ומשפיעה על כל ציוד המותקן בלוח החשמל.

 

 

המטרה של מאמר זה לייעל את התכנון וההתקנה של הציוד בלוח החשמל ולצמצם הפסדי ההספק.

ממה נובעים הפסדי ההספק?

הציוד המשמש לקיבוע של הציוד ולמידור (חציצה) בתוך לוח החשמל עשוי לרוב מחומר מתכתי פירומגנטי (כזה שהפוך למגנט בהופעת שדה מגנטי ונשאר גם אחרי שהשדה עלם), במידה והציוד לקיבוע משמש גם לקיבוע פסי צבירה בצורת חביקה, עלולים להיווצר הפסדים כתוצאה מזרמי אדי (זרמי מערבולת). היווצרות התחמוות של המתכות מסביב ללא סיבה.
>תופעה זו נוצרת גם בין ציוד הקיבוע ופסי הצבירה.

בתמונה:
כתום- פס הצבירה
כחול- מבודד
אפור- מסגרת הקיבוע

 

כאשר פסי הצבירה מבודדים בנפרד (בחלק העליון של התמונה) ובינהם תמיכה מתכתית נוצרים זרמי מערבולת סביב הפס בתוך המסגרת המתכתית.

בחלק התחתון של התמונה מאחר ואין תמיכות והפסי צבירה מותקנים ביחד, השדות של הפאזות מקזזים את השדה אחד של השני ומבטלים (או מקטינים) את זרמי המערבולת.
>זה נכון כמובן כאשר השדות שווים , כלומר בעלי עומס שווה.

מס' פאזות	מס' פסי צבירה במקביל	שטח חתך [מ"מ]	זרם [A]	סוג התמיכה לפסים	הפסדים בתוך לוח החשמל אחוזים מכלל ההפסדים על המוליכים
3	1	100X10	1kA	פירומגנטי	35%-45%
3	3	100X10	3kA	פירומגנטי	55%-65%
3	4	100X10	3kA	אלומניום	15%-20%

*הנתונים בטבלה מתוך אתר ABB

מתוך הנתונים ניתן לראות שציוד לקיבוע העשוי אלומניום מפחית את ההפסדים בהפרש גדול.

מפסק זרם הוא אחד הציוד השכיחים בלוחות החשמל, מבדיקות שנעשו במעבדות וניתן לראות באתרי הייצרנים עולה כי הפסדים גבוהים יותר במפסקים להם:

• מותקנת הגנה של דו-מתכת (תרמי) ההפסדים גבוהים משמעותית מאשר מפסקים בעלי הגנה אלקטרונית.
• אשר נשלפים ממקומם (התקן שליפה) ההפסדים גבוהים משמעותית מאשר מפסק קבוע.

לכן לא מן הנמנע כי, מפסק קבוע בעל הגנה אלקטרונית ייעיל יותר מבחינת הפסדי אנרגיה.

שטחי חתך של מוליכים בתוך לוח החשמל

בלוחות חלוקה הפסדי ההספק של מערכות הכבילה ופסי הצבירה הם בדרך כלל 20-40 אחוז מסך ההפסדים של לוח החשמל.

להלן טבלה (לקוחה מחוברת החיווט של חברת תמחמ"ש) עבור זרמי עבודה במוליך (70C° PVC) על פי גודל שטח החתך וטמפ' אופפת בתוך לוח החשמל.

• ניתן למצוא אצל כל ייצרן טבלה המסכמת את ההפסדים על המפסק.

אין להתקין בתעלה מוליכים בעלי שטח חתך העולה על 6 ממ"ר.
>מומלץ להשתמש במוליכים בעלי שטח חתך העולה על 25 ממ"ר בהתקנה כ"מוליך נפרד".

	זרם במוליך המותקן בתעלה				זרם במוליך המותקן בצמה				זרם במוליך נפרד במרחק שווה לקוטר המוליך
שטח חתך (ממ"ר)	40C°	45C°	50C°	55C°	40C°	45C°	50C°	55C°	40C°	45C°	50C°	55C°
1.5	9	8	7	6	10	10	9	7	17	15	14	12
2.5	12	10	10	8	14	14	12	10	24	22	19	17
4	15	14	13	11	20	18	17	14	31	29	26	22
6	20	18	16	14	26	24	22	18	41	38	34	29
10	28	26	22	19	37	34	30	26	56	51	46	39
16	38	34	31	26	50	46	41	35	77	70	62	54
25	50	45	41	34	67	61	55	47	102	92	83	71
35	62	56	50	43	84	76	69	59	126	114	103	88
50	74	68	61	52	106	96	86	74	153	138	124	107
70	95	86	78	66	132	120	108	93	195	178	160	137
95	115	105	94	81	162	147	132	114	238	215	194	166
120	133	121	109	94	189	171	154	132	276	250	225	194
150					218	198	178	153	318	288	259	222
185					250	227	205	176	362	330	296	254
240					297	270	242	208	428	389	350	300
0.5 פיקוד		2.96
0.75 פיקוד		3.84
1 פיקוד		5.44

הנתונים בטבלה מתוך האתר של חברת תמח"ש

בבחירת מוליכים לטמפ' העולה על 50 מעלות יש לבצע הוכחות ע"י חישובי טמפ' בתוכנת T.R.T.2 בחישוב המוליך הנבחר הזרם המתמיד יהיה 125% מהזרם הנומינלי.

הפסדים

נציין את הפסדי ההספק P(cb) כ- Pn בזרם In(cb) כפול הריבוע של היחס בין הזרם בעומס מלא Ib לחלק לזרם הנומינלי In(cb)

Pcb-הפסד הספק בפועל עבור המפסק
Pn(cb)-הפסד הספק נומינלי בזרם נקוב (מתוך טבלאות של הייצרן)
זרם In(cb) – הזרם הנקוב של המפסק
Ib – הזרם בעומס

נבצע דוגמה לצורך ההסבר,
הטבלה לקוחה מתוך ABB.com
נבחר במפסק 250A-XT3 עם הגנה מסוג TMD
לינק לקטלוג ABB

לוח חשמל :
גובה-2000 מ"מ  (2 מטר)
רוחב – 1440 מ"מ (1.4 מטר)
עומק- 840 מ"מ (0.8 מטר)

1. סוג הגנה
2. זרם נומינלי של המפסק
3. דגם מפסק (גודל פיזי Size)
4. הפסדים נקובים של המפסק שנבחר

מפסקים I4, I5 (דגם T3 250): זרם נקוב 250A, זרם עבודה 175A, הפסד 26.2W לכל מפסק
מפסק IG (דגם E2 1600): זרם נקוב 1600A, זרם עבודה 1340A, הפסד 80.7W
מפסקים I1, I2, I3 (דגם T5 400): זרם נקוב 400A, זרם עבודה 330A, הפסד 33.7W לכל מפסק

אם נבצע חישוב לסך ההפסדים במפסקים:
כלל ההפסדים של המפסקים המותקנים בלוח 80.7 + (33.7 * 3) + (26.2 * 2) = 234W

השלב הבא הוא לחשב את ההפסדים על פסי הצבירה

Pcb-הפסד הספק בפועל עבור המפסק
Pn(cb)-הפסד הספק נומינלי בזרם נקוב (מתוך טבלאות של הייצרן)
זרם In(cb) – הזרם הנקוב של המפסק
Ib – הזרם בעומס
3- כמות פסי הצבירה
L(sb)- אורך פסי הצבירה במטרים

 

שלבי החישוב
מציאת נתוני היצרן לפי חתך הפס לקבלת הזרם הנקוב וההפסד הנומינלי למטר לפאזה, חישוב יחס ריבועי בין זרם העבודה בפועל לזרם הנקוב של הפס
הכפלת היחס הריבועי בהפסד הנומינלי לקבלת הפסד מעשי למטר לפאזה בודדת. הכפלה ב-3 לקבלת הפסד תלת פאזי למטר ואז הכפלה באורך הקטע במטרים לקבלת הפסד הספק כולל עבור הקטע הנבדק

לדוגמה:
הנתונים והטבלה לקוחים מתוך ABB.com

פס צבירה I4 בחתך 20×10 מ"מ
זרם נקוב של הקו- In=568A
זרם עבודה בפועל- Ib = 175A
אורך הפס L = 0.150m

פסי I4, I5 (חתך 20×10): אורך 0.150 מטר, זרם 175 אמפר, הפסד 1.6 וואט לכל פס

פס IG (חתך 2x60x10): אורך 0.450 מטר, זרם 1340 אמפר, הפסד מחושב 54 וואט
פסי I1, I2, I3 (חתך 30×10): אורך 0.150 מטר, זרם 330 אמפר, הפסד 3.8 וואט לכל פס

סך הפסדים כולל לפסי צבירה בלוח חיבור כלל ההפסדים של הקטעים בטבלה 54 + (3.8 * 3) + (1.6 * 2) = 68 וואט

השלב הבא הוא לחשב את ההפסדים על המוליכים בתוך לוח החשמל.

לדוגמה:
מוליך I4 שטח חתך 120 ממ"ר אורך 1.1 מטר זרם עבודה 175 אמפר

מוליך IG שטח חתך 4×240 ממ"ר אורך 1.0 מטר זרם עבודה 1340 אמפר הפסד הספק 133.8 וואט

מוליך I1 שטח חתך 240 ממ"ר, אורך 2.0 מטר, זרם עבודה 330 אמפר
הפסד הספק 64.9 וואט
מוליך I2 שטח חתך 240 ממ"ר, אורך 1.7 מטר, זרם עבודה 330 אמפר
הפסד הספק 55.2 וואט
מוליך I3 שטח חתך 240 ממ"ר, אורך 1.4 מטר, זרם עבודה 330 אמפר
הפסד הספק 45.4 וואט
מוליך I4 שטח חתך 120 ממ"ר, אורך 1.1 מטר, זרם עבודה 175 אמפר
הפסד הספק 19 וואט
מוליך I5 שטח חתך 120 ממ"ר, אורך 0.8 מטר, זרם עבודה 175 אמפר
הפסד הספק 13.8 וואט

סיכום הספקים סך הפסדי הספק של המוליכים בלוח 332 וואט

עכשיו כשיש בידנו את ההפסדים של המוליכים, פסים ומפסקים בלוח נוכל לחשב את הסך ההפסדים:

Ptotal=234+68+332=784W

מי שהיה חד מספיק שם לב כי מירב הפסדי ההספק נמצאים במוליכים ואם לא ניקח אותם בחשבון נעשה טעות קריטית בהערכת הטמפ' בפועל בתוך הלוח… מניסיון ראיתי את זה בשטח.
>מפסקים מפסיקים לעבוד כתוצאה מהתחממות הטמפ' האופפת את הציוד והלוח.

לכתיבת המאמר התייחסתי למדריך ABB ומדריך החיווט של חברת תמח"ש