אינדקס
[size=34]הגנה בפני ברקים ונחשולי מתח
[/size]
אחת הסכנות אשר יש לקחת בחשבון בתכנון הגנות למערכות החשמל והמבנה בבית היא הגנה בפני ברקים ונחשולי מתח.
ברקים הינם תופעת טבע אשר לאדם אין השפעה על יצירתם. נחשולי מתח הינם תופעה אשר משפיעה על מערכת החשמל ועשויה להיגרם על ידי ברקים, או על ידי תופעות מעבר בתוך מערכת החשמל עצמה.
http://www.schindler-electric.co.il/index.php/widgetkit/lightning
תחילתה של התפרקות ברק בפריצה חשמלית של האוויר באזור מסוים בתוך הענן. באותו אזור מתחיל להיווצר מעין "ראש" המפלס את דרכו בקטעים קצרים, בצורת מעין "זיג זג". שלב זה סמוי מהעין, ואנו לא רואים עדיין את הברק. ראש הברק יורד מן הענן לעבר הקרקע, ואז עולה לקראתו ניצוץ הפורץ מעצמים גבוהים - עצים, מגדלים, עמודי חשמל. כאשר ראש הברק והניצוץ מהקרקע נפגשים, מתחיל השלב הזוהר והמבהיק של הברק: מיליארדי אלקטרונים זורמים אל האדמה, הזרם מלהיט את האוויר - וכל המסלול המפותל של הברק מואר. התהליך כולו נמשך פחות משנייה אחת!
כתוצאה מפריקת החשמל דרך האוויר, האוויר מתחמם מאוד עד כדי כ 30,000 מעלות- זאת הסיבה לאור הנראה. כתוצאה מהחימום המהיר של האוויר, האוויר מתפשט במהירות עצומה ולמעשה מתפוצץ; הרעם הוא גל ההדף של פיצוץ זה.
הזרם החשמלי שנוצר בברק יכול לנוע בין 5KA ל- 300KA (קילו אמפר). כאשר הזרם הממוצע הטיפוסי הינו בגובה 25KA. זרם זה הינו זרם גבוה מאד, העלול לגרום לנזקים במסלול ההתפרקות שלו. האנרגיה הטמונה בברק הינה בין מיליארד ל-10 מיליארד ג'אול. שמשמעותה כ-1000KWh (קילוואט שעה). כלומר אם היינו יכולים לרתום את האנרגיה האצורה בברק היינו יכולים להפעיל איתה 1000 תנורים של 1KW במשך שעה שלמה.
תדירות הברקים על פני כדור הארץ הינה sec/100, כלומר בכל שניה פוגעים על פני כל כדור הארץ 100 ברקים בממוצע, בהספק כולל של כ- 10בחזקת 12 וואט. (מיליארד קילוואט).
אנרגיה זאת "רוכבת" על גל המתח המקורי ומגדילה את ערך המתח המסופק ע"י מקור המתח. תנודות מתח אלה מאופיינות בעוצמה גבוהה (אלפי וולטים) ובפרקי זמן קצרים ( 20 מילישניות בכל מחזור).
גורם נוסף להיווצרות נחשולי מתח נעוץ במבנה רשת החשמל, תקלות בקווי המתח, תקלות בציוד ממסר והגברה והפסקות חשמל. מערכת ההשנאה ורשת קווי המתח המובילים את האנרגיה החשמלית לשקעי החשמל הינה מערכת מורכבת במיוחד. קיימות עשרות נקודות קריטיות ואין ספור אפשרויות לתקלות, היכולות לגרום לאספקה לא יציבה ואחידה של אנרגיה.
במערכת אספקת החשמל המודרנית נחשולי מתח הינם אירוע המתקיים כל הזמן ואין אפשרות למנוע אותם. לפיכך יש להיערך בפני הנזקים שהם עלולים לגרום.
המפה המצורפת מהווה דוגמא למפת צפיפות שנתית של פגיעות ברקים ליחידת שטח. במפה ניתן לראות את שטחי המפה צבועים בצבעים שונים, כאשר כל צבע מאפיין את מספר הברקים הנוצרים בקמ"ר (קילומטר מרובע) במשך שנה. מהטבלה ניתן ללמוד שהסבירות לפגיעת ברקים גדולה יותר באזור החוף, והולכת ועולה לכיוון צפון.
המפה נמדדת ומאופיינת באמצעות מערכת לאיתור ורישום ברקים. מערכת המורכבת מיחידה מרכזית המחוברת ל-8 גלאים ומסונכרנת לשעון לווינים ו-GPS. למערכת מחוברים כ-30 מסופים לקבלת נתונים בזמן אמת אשר מותקנים בחברת החשמל, בחיל האוויר, חיל המודיעין ועוד. במאגר הנתונים הרב שנתי הנמדד במערכת משתמשים בחברת החשמל, צה"ל, רפא"ל, בתי הזיקוק, קמ"ג, קצא"א, רשות שדות התעופה ועוד.
ככל שמיקום האתר אותו אנו מתכננים ממוקם באזור המועד יותר לפגיעת ברקים, כך רצוי יותר לתכנן בו הגנה בפני ברקים.
קיימות מספר גישות ושיטות להגנה בפני ברקים. ניתן להבחין בין מערכת להגנה על מבנה הבית בפני ברק הפוגע ישירות במבנה, לבין מערכות המיועדות להגנה על מערכות החשמל בפני ברקים ונחשולי מתח.
ההגנה על מבנה הבית מפני פגיעת ברק תהיה על ידי הובלת הברק אל האדמה. ישנן 2 גישות להולכת הברק אל האדמה. הראשונה מסתמכת על ברזלי הזיון של המבנה, והשנייה על מוליכי נחושת חיצוניים – מוליכי הורדה, המעבירים את הברק אל אלקטרודת נחושת מוטמנת באדמה מחוץ לשטח המבנה.התקן הישראלי מעדיף את העברת הברק אל האדמה דרך מוליכים חיצוניים מכיוון שהוא מעדיף לא להסתמך על איכות הבניה הישראלית. וזאת מכיוון שאם ברזלי הזיון אינם מרותכים האחד לשני, לא ייסגר מעגל חשמלי, והברק יפרוץ דרך המבנה.
לעומת זאת התקן הבינלאומי מעדיף שימוש בברזלי הזיון של הבניין כיוון שאז התנגדות הארקת הברק לאדמה נמוכה יותר. בכל מקרה שני התקנים מאפשרים שימוש בשיטה השנייה.
הדרך לבצע את ההגנה בפני פגיעת הברק במבנה – כליא ברק, הינה באמצעות ביצוע קונסטרוקציה מתכתית אם באמצעות ברזל זיון בתוך יציקת הבטון, ואם באמצעות פס מתכת מגולוון שיותקן על גבי קירות הגג, במיקום הגבוה ביותר, ולבצע קוצי מתכת מגולוונים שיבלטו 10 ס"מ כלפי מעלה בינות המבנה.
ההגנה המתוארת כנגד ברקים, תהייה יעילה רק עד לגובה של 50 מטר. כי האורך של כל התפרקות באוויר היא כ-50 מטר, וההגנה על הגג, ההתפרקות הקודמת הייתה יכולה להיות קצת מעל לגובה המבנה, וההתפרקות הבאה יכולה לפגוע במבנה בנקודה נמוכה יותר.
כמו כן רצוי לא לחבר מכשירים רגישים כגון מחשבים, מסכי LCD וכדומה, יחד עם מכשירים עם מנוע חזק או מדחס, כגון מזגו, מכונת כביסה, מכונת ייבוש, מדיח כלים, מקרר וכו'. ומומלץ ביותר לנתק ממערכת החשמל מכשירים רגישים כאשר שורר בחוץ סערת ברקים, סופות וגשמים עזים.
[/size]אחת הסכנות אשר יש לקחת בחשבון בתכנון הגנות למערכות החשמל והמבנה בבית היא הגנה בפני ברקים ונחשולי מתח.
ברקים הינם תופעת טבע אשר לאדם אין השפעה על יצירתם. נחשולי מתח הינם תופעה אשר משפיעה על מערכת החשמל ועשויה להיגרם על ידי ברקים, או על ידי תופעות מעבר בתוך מערכת החשמל עצמה.
http://www.schindler-electric.co.il/index.php/widgetkit/lightning
ברקים
הברק הינו כאמור תופעת טבע הנוצרת כתוצאה מהתפרקות של מטען חשמלי המצטבר בענני סערה (קומולונימבוסים). הסיבה המדויקת להיווצרות המטען החשמלי לא ברורה עד הסוף, סברה אחת גורסת כי חיכוך בין טיפות המים ובעיקר גבישי הקרח המשחרר אלקטרונים מהאטומים (בדומה לחשמל סטטי הנוצר עקב חיכוך מסרק בבד). האלקטרונים מצטברים בתחתית הענן בעוד החלקיקים הטעונים חיובי ממשיכים מעלה כלפי ראש הענן, בעוד סברה שנייה גורסת כי המטען החשמלי נוצר ומצטבר בענן כתוצאה מזרימת אוויר דרך הענן. אוויר חם כתוצאה מחימום האדמה על ידי השמש, זורם מהאדמה לכיוון מעלה, לעומת זאת אוויר קר כתוצאה מסערה זורם מלמעלה לכיוון האדמה. זרמי אוויר אלה גורמים להצטברות מטען שלילי בחלקו התחתון של הענן, ומטען חיובי בחלקו העליון של הענן. מטענים אלה גורמים להפרש פוטנציאלים בין הענן לבין האדמה בערך של בין מאה מליון למיליארד וולט.- הפרש פוטנציאלים זה שואף באופן טבעי להתפרק ולהתאזן באמצעות סגירת מעגל. הברק הינו תופעה בה נסגר מעגל חשמלי, והמטענים מועברים דרך האוויר מקוטביות אחת לשניה.
- הברק יכול להיווצר בין עננים לבין עצמם, או בין עננים לבין האדמה. (היחס בין ברקים בין עננים לבין עצמם לעומת ברקים בין עננים לבין האדמה הינו 1:10).
- לברק הפוגע באדמה יש נתיב מסובך אשר ניתן להדגימו בצורת קו שבור ומפוצל. נתיב זה נוצר בעת שזרם של אלקטרונים מפלס את דרכו באוויר בין בסיס הענן והאדמה.
תחילתה של התפרקות ברק בפריצה חשמלית של האוויר באזור מסוים בתוך הענן. באותו אזור מתחיל להיווצר מעין "ראש" המפלס את דרכו בקטעים קצרים, בצורת מעין "זיג זג". שלב זה סמוי מהעין, ואנו לא רואים עדיין את הברק. ראש הברק יורד מן הענן לעבר הקרקע, ואז עולה לקראתו ניצוץ הפורץ מעצמים גבוהים - עצים, מגדלים, עמודי חשמל. כאשר ראש הברק והניצוץ מהקרקע נפגשים, מתחיל השלב הזוהר והמבהיק של הברק: מיליארדי אלקטרונים זורמים אל האדמה, הזרם מלהיט את האוויר - וכל המסלול המפותל של הברק מואר. התהליך כולו נמשך פחות משנייה אחת!
כתוצאה מפריקת החשמל דרך האוויר, האוויר מתחמם מאוד עד כדי כ 30,000 מעלות- זאת הסיבה לאור הנראה. כתוצאה מהחימום המהיר של האוויר, האוויר מתפשט במהירות עצומה ולמעשה מתפוצץ; הרעם הוא גל ההדף של פיצוץ זה.
הזרם החשמלי שנוצר בברק יכול לנוע בין 5KA ל- 300KA (קילו אמפר). כאשר הזרם הממוצע הטיפוסי הינו בגובה 25KA. זרם זה הינו זרם גבוה מאד, העלול לגרום לנזקים במסלול ההתפרקות שלו. האנרגיה הטמונה בברק הינה בין מיליארד ל-10 מיליארד ג'אול. שמשמעותה כ-1000KWh (קילוואט שעה). כלומר אם היינו יכולים לרתום את האנרגיה האצורה בברק היינו יכולים להפעיל איתה 1000 תנורים של 1KW במשך שעה שלמה.
תדירות הברקים על פני כדור הארץ הינה sec/100, כלומר בכל שניה פוגעים על פני כל כדור הארץ 100 ברקים בממוצע, בהספק כולל של כ- 10בחזקת 12 וואט. (מיליארד קילוואט).
נחשולי מתח
נחשולי מתח הינם תנודות מתח "הרוכבים" על גל המתח המסופק לנו ממקור המתח. תנודות אלה נובעים בעיקר משחרור מהיר של אנרגיה, אנרגיה הנוצרת על ידי התפרקות הברק כמתואר למעלה או התפרקות מטענים אלקטרוסטטיים, או אנרגיה האגורה בהשראות ובקיבוליות של מערכת חשמלית, ומשתחררת בתופעות מעבר כגון פעולות מיתוג כמו קצר לאדמה, הפעלת מעליות, מיתוג מנועים במפעל, הפסקת מזגן או מכונת כביסה בבית, הגורמים למתח וזרם יתר.אנרגיה זאת "רוכבת" על גל המתח המקורי ומגדילה את ערך המתח המסופק ע"י מקור המתח. תנודות מתח אלה מאופיינות בעוצמה גבוהה (אלפי וולטים) ובפרקי זמן קצרים ( 20 מילישניות בכל מחזור).
גורם נוסף להיווצרות נחשולי מתח נעוץ במבנה רשת החשמל, תקלות בקווי המתח, תקלות בציוד ממסר והגברה והפסקות חשמל. מערכת ההשנאה ורשת קווי המתח המובילים את האנרגיה החשמלית לשקעי החשמל הינה מערכת מורכבת במיוחד. קיימות עשרות נקודות קריטיות ואין ספור אפשרויות לתקלות, היכולות לגרום לאספקה לא יציבה ואחידה של אנרגיה.
במערכת אספקת החשמל המודרנית נחשולי מתח הינם אירוע המתקיים כל הזמן ואין אפשרות למנוע אותם. לפיכך יש להיערך בפני הנזקים שהם עלולים לגרום.
תכנון הגנות בפני ברקים
תכנון הגנות בפני פגיעת ברקים מתחיל קודם כל באפיון הסבירות שברק יפגע במבנה. הסבירות מתבטאת בכמות הברקים הממוצעת הנוצרים באזור הנבחן. כמות הברקים משתנה בין אזור לאזור, בישראל כמות הברקים קטנה יחסית, בין 20 ל-30 יום בשנה, והיא משתנה מאוד בין אזורים שונים בתוך הארץ.המפה המצורפת מהווה דוגמא למפת צפיפות שנתית של פגיעות ברקים ליחידת שטח. במפה ניתן לראות את שטחי המפה צבועים בצבעים שונים, כאשר כל צבע מאפיין את מספר הברקים הנוצרים בקמ"ר (קילומטר מרובע) במשך שנה. מהטבלה ניתן ללמוד שהסבירות לפגיעת ברקים גדולה יותר באזור החוף, והולכת ועולה לכיוון צפון.
המפה נמדדת ומאופיינת באמצעות מערכת לאיתור ורישום ברקים. מערכת המורכבת מיחידה מרכזית המחוברת ל-8 גלאים ומסונכרנת לשעון לווינים ו-GPS. למערכת מחוברים כ-30 מסופים לקבלת נתונים בזמן אמת אשר מותקנים בחברת החשמל, בחיל האוויר, חיל המודיעין ועוד. במאגר הנתונים הרב שנתי הנמדד במערכת משתמשים בחברת החשמל, צה"ל, רפא"ל, בתי הזיקוק, קמ"ג, קצא"א, רשות שדות התעופה ועוד.
ככל שמיקום האתר אותו אנו מתכננים ממוקם באזור המועד יותר לפגיעת ברקים, כך רצוי יותר לתכנן בו הגנה בפני ברקים.
קיימות מספר גישות ושיטות להגנה בפני ברקים. ניתן להבחין בין מערכת להגנה על מבנה הבית בפני ברק הפוגע ישירות במבנה, לבין מערכות המיועדות להגנה על מערכות החשמל בפני ברקים ונחשולי מתח.
הגנת מבנה מפני פגיעת ברק
ברק אם יפגע בבית יפגע במקום הכי גבוה בבית. לכן אם מותקן על הגג תורן, אשר מוגבה מעל כל נקודה אחרת בגג, סביר להניח שהברק יפגע בו. אם פני הגג אחידים, לדוגמא אם על הגג ישנו מעקה בכל היקף הגג, והמעקה נמצא בנקודה הגבוהה ביותר על הגג, פגיעת הברק תהיה באחת מפינות המעקה, וזאת בגלל שהשדה – המטען בפינה הינו הגבוה ביותר, ומשם תתחיל העלייה של הברק החוזר. אם הגג מוקף בכותרת שיש בה זווית, ישנה סבירות גבוהה שהברק יפגע בפינת הכותרת, גם אם הפינה לא נמצאת בנקודה הגבוהה ביותר.ההגנה על מבנה הבית מפני פגיעת ברק תהיה על ידי הובלת הברק אל האדמה. ישנן 2 גישות להולכת הברק אל האדמה. הראשונה מסתמכת על ברזלי הזיון של המבנה, והשנייה על מוליכי נחושת חיצוניים – מוליכי הורדה, המעבירים את הברק אל אלקטרודת נחושת מוטמנת באדמה מחוץ לשטח המבנה.התקן הישראלי מעדיף את העברת הברק אל האדמה דרך מוליכים חיצוניים מכיוון שהוא מעדיף לא להסתמך על איכות הבניה הישראלית. וזאת מכיוון שאם ברזלי הזיון אינם מרותכים האחד לשני, לא ייסגר מעגל חשמלי, והברק יפרוץ דרך המבנה.
לעומת זאת התקן הבינלאומי מעדיף שימוש בברזלי הזיון של הבניין כיוון שאז התנגדות הארקת הברק לאדמה נמוכה יותר. בכל מקרה שני התקנים מאפשרים שימוש בשיטה השנייה.
הדרך לבצע את ההגנה בפני פגיעת הברק במבנה – כליא ברק, הינה באמצעות ביצוע קונסטרוקציה מתכתית אם באמצעות ברזל זיון בתוך יציקת הבטון, ואם באמצעות פס מתכת מגולוון שיותקן על גבי קירות הגג, במיקום הגבוה ביותר, ולבצע קוצי מתכת מגולוונים שיבלטו 10 ס"מ כלפי מעלה בינות המבנה.
ההגנה המתוארת כנגד ברקים, תהייה יעילה רק עד לגובה של 50 מטר. כי האורך של כל התפרקות באוויר היא כ-50 מטר, וההגנה על הגג, ההתפרקות הקודמת הייתה יכולה להיות קצת מעל לגובה המבנה, וההתפרקות הבאה יכולה לפגוע במבנה בנקודה נמוכה יותר.
הגנה על לוחות החשמל בפני נחשולי מתח
נחשול מתח כאמור לעיל, עלול להיווצר כתוצאה מפגיעה ישירה של ברק, או כתוצאה מפגיעת ברק מרוחקת יותר, העלולה להגיע אל הבית דרך מערכת ההארקה המשותפת עם השכנים, או כתוצאה מתופעות מעבר של מיתוג מנועים, מעליות וכיוצ"ב. הדרך להגן על מערכת החשמל מפני תופעות שכאלה היא להתקין בלוח החשמל מגני ברק. מגנים אלה מותקנים בין 3 הפאזות, ומוליך האפס, בכניסה ללוח החשמל, לבין מערכת ההארקה של הבית. בתפקוד הרגיל מגן הברק מהווה נתק ואינו משפיע על מערכת החשמל. אך כשההתקן מרגיש נחשול מתח, הוא הופך למעשה לקצר, ומקצר את 3 הפאזות ומוליך האפס אל האדמה, וגורם לנחשול המתח להתפרק ישירות אל האדמה, ולא לעבור דרך מערכת החשמל.הגנה על מכשירי חשמל בפני נחשולי מתח
מיקרופרוססורים הינם מרכיב עיקרי בכל מחשב ובמכשירי חשמל רבים אחרים, והם רגישים במיוחד לנחשולי מתח. הם יפעלו כראוי אך ורק באספקת זרם ומתח נאותים, ו"ישרפו" מיד לכשיחשפו לנחשולי מתח. ההתקן המומלץ ביותר להגנה על מכשירי החשמל בפני נחשולי מתח הינו מכשיר האל-פסק (UPS). מכיוון שהוא למעשה מהווה חוצץ גמור בין מקור המתח החיצוני, לבין המכשיר המוזן. ניתן לבצע מכשיר אל פסק מרכזי, למספר משותף של מכשירים, שמחירו יקר יחסית, או לבצע יחידה נפרדת לכל מכשיר. קיימים מכשירים ייעודיים להגנת מכשירים בפני ברקים ונחשולי מתח. יש להקפיד להתאים את ההגנה המתאימה לפי סוג המכשיר. לגבי מכשירי ההגנה חשוב לדעת כי במקרים רבים לאחר חשיפה לנחשול מתח המכשיר הצליח להגן על הציוד אולם רכיבי ההגנה בתוכו נשרפו והמגן אינו כשיר להגנה חוזרת. לכן חשוב לרכוש מגן ברקים בעלי יכולת "ספיגה" גבוהה מאיכות טובה.כמו כן רצוי לא לחבר מכשירים רגישים כגון מחשבים, מסכי LCD וכדומה, יחד עם מכשירים עם מנוע חזק או מדחס, כגון מזגו, מכונת כביסה, מכונת ייבוש, מדיח כלים, מקרר וכו'. ומומלץ ביותר לנתק ממערכת החשמל מכשירים רגישים כאשר שורר בחוץ סערת ברקים, סופות וגשמים עזים.
