קשת מסוכנת מאוד - קשת חשמלית - חלק שני
קשת חשמלית נגרמת בדרך כלל מקצר מתכתי בין שתי נקודות בלוח החשמל. בחלקה השני של הכתבה מוצגים סיכונים הכרוכים בה ואמצעי התגוננות ממקרי קשת. שמירה על הכללים עשויה להציל חיים
קשת חשמלית נגרמת, בדרך כלל, מקצר מתכתי בין שתי נקודות בלוח החשמל. חלקה הראשון של כתבה זו (פורסם בגיליון הקודם של מבנים) עסק במהות הקשת החשמלית, בסיכונים הכרוכים בחשיפה אליה, בפעולות שעל העובד, המעביד ואתר העבודה לנקוט כדי למזער את הסיכוי להיפגעות מקשת חשמלית ובהגדרת מרחקי ההתקרבות לפי תקן NFPA-70E 2018.
ניתוח סיכונים
כדי לקבוע את רמת האנרגיה בקשת, את גבולות ההתקרבות ללוחות חשמל ולציוד חשמלי ולציוד המגן הנדרש, יש לבצע ניתוח סיכונים של קשת חשמלית. הניתוח יכלול שלושה שלבים:
1. קביעת מרחקי ההתפשטות של הקשת החשמלית (באזורים שעשויים להיות חשופים לקשת).
2. קביעה של אנרגיית החשיפה לקשת.
3. קביעה של ביגוד ואביזרי מגן.
חישוב מרחק ההתפשטות
אפשר לחשב בקירוב את מרחק ההתפשטות של הקשת החשמלית על ידי שימוש בקשר הבא:
כאשר:
Dc - מרחק ההתפשטות של הקשת ב-feet.
MVA - הספק השנאי או המקור המזין.
T - זמן מרבי של הפסקת זרם הקצר.
הערה: הנוסחה מוגדרת למיתקנים הפועלים במתח של עד 600V.
דוגמה: נחשב את מרחק ההתפשטות של הקשת בלוח חשמל שניזון משנאי שהספקו 1,000kVA, והמפסק האוטומטי הראשי מושהה ומכוונן לזמן תגובה לקצר של 0.3 שנייה:
נחזור על חישוב מרחק ההתפשטות של הקשת בלוח החשמל כשהמפסק האוטומטי הראשי מושהה ומכוונן לזמן תגובה לקצר של 0.1 שנייה:
מהתוצאות ניכר כי קיצור זמן התגובה של המפסק האוטומטי יפחית מאוד את מרחק ההתפשטות של הקשת ואת מרחק הסכנה לנזק מפגיעתה (שיטות להפחתת זמן התגובה של מפסקים אוטומטיים ראה בסוף כתבה זו).
חישוב רמת האנרגיה בקשת מבוסס על יחידות מדידה של קלוריות של אנרגיית חום לסמ"ר (קלוריות לכל שנייה לכל סמ"ר) או ביחידות של ג'אול לכל שנייה לכל מ"ר. קלוריה אחת לסמ"ר שווה ל-4.187 ג'אול לסמ"ר או 41,867 ג'אול למ"ר. ואט אחד לסמ"ר שווה ל-10,000 ג'אול למ"ר או ג'אול אחד לסמ"ר.
רמת האנרגיה בקשת חשמלית עשויה להגיע לערכים של 100 קלוריות לסמ"ר ואף יותר. באנרגיית קשת של 1.2 קלוריות לסמ"ר ומעלה, נגרמות כוויות בדרגה 2. המבחנים לקביעת רמת עמידות בלהבה של חומרי טקסטיל המשמשים לייצור בגדי עבודה לחשמלאים החשופים לקשת החשמל ולסיכונים תרמיים קשורים, מוגדרים ב-ASTM F1506.
אנרגיית חשיפה
חישוב רמת האנרגיה בקשת חשמלית שצפויה להתפתח במקרה של קצר באזורים פנים או חזה של עובד במקרה של קשת חשמלית ממלוח הבנוי מתאים מופרדים באמצעות מחיצות, נעשה באמצעות הקשר הזה:
כאשר:
EMB - אנרגיית הקשת בקלוריות לסמ"ר בתא ברוחב חצי מטר.
DA - מרחק ממוקד הקשת באינצ'ים.
tA - זמן מרבי של הפסקת זרם הקצר.
F - זרם הקצר הצפוי ביחידות kA (בין 16kA ל-50kA).
דוגמה: יש לחשב את אנרגיית הקשת במקרה של קצר בתא המפסק המוזן מהשנאי המתואר בדוגמה הקודמת. צפוי זרם קצר של 30kA. מרחק העובד ממוקד הקשת הוא 12 אינצ' (כ-30 ס"מ), ומשך הפסקת הקשת הוא 0.3 שנייה.
קשת בעוצמה כזו מחייבת ביגוד מגן ברמה גבוהה מאוד (פירוט בהמשך). ציוד המיגון הנדרש ייקבע לפי אנרגיית הקשת הצפויה.
רמות סיכון וציוד מיגון
התקן האמריקני NFPA 70E מ-2018 הגדיר ארבע רמות סיכון, 1 עד 4. לכל אחת מהן הוגדר ציוד מיגון אישי לפי רמת אנרגיית הקשת הצפויה במיתקן, כמפורט בטבלה.
| רמת סיכון |
אנרגיית הקשת המזערית הנדרשת מציוד המיגון [cal/cm2] |
ציוד מגן נדרש [PPE] |
|---|---|---|
| 1 | 4 |
* כפפות להגנה מהתחשמלות בהתאם לרמת המתח בלוח. |
| 2 | 8 | * כפפות להגנה מהתחשמלות בהתאם לרמת המתח בלוח. * ביגוד מגן העומד בקשת ברמה של 8 קלוריות לסמ"ר לפחות. בכלל זה מכנסיים |
| 3 | 25 | * כפפות להגנה מהתחשמלות בהתאם לרמת המתח בלוח. * ביגוד מגן העומד בקשת ברמה של 25 קלוריות לסמ"ר לפחות. בכלל זה מכנסיים |
| 4 | 40 | * כפפות להגנה מהתחשמלות בהתאם לרמת המתח בלוח. * ביגוד מגן העומד בקשת ברמה של 40 קלוריות לסמ"ר לפחות. בכלל זה מכנסיים |
ציוד מגן אישי לעבודה במיתקנים בעלי סיכון ברמה 1 - ציוד מגן אישי לעבודה במיתקנים בעלי סיכון ברמה 2 - ציוד מגן אישי לעבודה במיתקנים בעלי סיכון ברמה 3 - ציוד מגן אישי לעבודה במיתקנים בעלי סיכון ברמה 4
בתקן הוגדרו עבודות שהעובדים בהן יכולים להסתפק בבגדי עבודה מכותנה, נעלי בטיחות, משקפי מגן, קסדת מגן ואטמי אוזניים, ואין דרישה לציוד מגן אישי להגנה בפני קשת. עבודות אלו מפורטות להלן:
* קריאת נתוני מדידה ממכשירי מדידה המותקנים בלוח, כולל בחירת מצבי מדידה באמצעות מפסק בורר.
* תפעול של מפסק אוטומטי, מפסק, מגען או מתנע תרמו מגנטי כשדלתות הלוח סגורות.
* מדידת מתחים של מצבר יחיד או סוללת מצברים.
* הסרה או התקנה של כיסויים שאינם חושפים פסים או מוליכים חשופים המחוברים למתח.
* התקנת כבלים בתעלות.
* ביצוע סריקה תרמית בלוחות חשמל (לא כולל הסרת כיסויים).
* עבודה במיתקנים במתח עד 120V, כולל פתיחה של דלתות וכיסויים והתקנה או תחזוקה של מצברים בתא ריק.
בגדי עבודה לעבודות שאינן מחייבות ציוד מיגון אישי נגד קשת חשמלית
במיתקנים רבים ובלוחות חשמל רבים לא בוצע ניתוח כנדרש ולא הוגדרו רמות של אנרגיית קשת, לא חושבו מרחקי התקרבות ולפיכך לא הוגדר ציוד מגן אישי. במקרים אלה יש לנהוג לפי ההנחיות בטבלה 130.7 בתקן, שמפורטים בה ציוד מגן אישי על פי מאפייני העבודה.
ציוד מגן אישי וגבולות ההשפעה של הקשת החשמלית לעובדים במיתקני זרם חילופין הפועלים במתח נמוך
ציוד מגן אישי וגבולות ההשפעה של הקשת החשמלית לעובדים במיתקני זרם חילופין במתח גבוה
ציוד מגן אישי וגבולות ההשפעה של הקשת החשמלית לעובדים במיתקני זרם ישר במתח נמוך
על כל לוח חשמל יש להתקין שילוט ובו הנתונים האלה:
* מתח נקוב.
* גבול ההשפעה של הקשת החשמלית.
* גבול ההתקרבות לעבודה בקרבת מיתקן חי.
* גבול ההתקרבות לעבודה במיתקן חי.
* רמת האנרגיה בקשת.
בשלט כתוב ציוד המיגון (PPE) הנדרש לעבודה בלוח בהתאם לרמת אנרגיית הקשת. יהיו כתובים בו שם/מספר הלוח, מיקומו ותאריך קיומו של סקר סיכונים להערכה של רמת הסיכון בלוח ורמת הקשת.
שילוט על לוח חשמל
הפחתת זמן התגובה של מפסקים אוטומטיים
כדי להפחית את האנרגיה כשיש קצר המלווה בקשת חשמלית בעת עבודה בלוח חשמל, יש להפחית את זמני התגובה של המפסקים האוטומטיים לפרק הזמן המזערי שמבטיח סלקטיביות (הבחנה). סלקטיביות היא הפסקת המפסק האוטומטי המגן על המעגל ללא הפסקת מפסקים אוטומטיים נוספים במעלה הזרם.
מחלקים את יכולת ההבחנה לשני סוגים: יתרת זרם ומצבי קצר. בין מפסקים אוטומטיים שהזרם הנקוב שלהם שונה ובין מאפייניהם קיים מרווח זמנים, תהיה סלקטיביות.
קיימות ארבע שיטות להבטחת סלקטיביות בין מפסקים אוטומטיים במעלה הזרם ובמורד השרם: הבחנה בזרם, הבחנה בזמן, הבחנה לוגית, הבחנה באנרגיה.
הבחנה בזרם מבוססת על הבדל בזמני התגובה של מאפייני המבטחים במעלה ובמורד הזרם. גבול הסלקטיביות במקרה זה הוא הזרם בו פועל המנגנון המיידי במבטחים במעלה ובמורד הזרם. על פי רוב, המאפיינים מבטיחים הבחנה רק לזרם יתר שמקורו בעומס יתר.
דוגמה לזמני תגובה של המבטחים בזרם יתר
הבחנה בזמן מבוססת על השהיית זמן התגובה של המנגנון המיידי במפסק האוטומטי במעלה הזרם יחסית למפסק האוטומטי במורד. במקרה זה תושג הבחנה גם בזרם קצר עד לערך הזרם הקצר שבו יפעל המנגנון המיידי של המפסק האוטומטי במעלה הזרם.
דוגמה להשהיה של זמן התגובה של המפסק האוטומטי במעלה הזרם
קצר שיתרחש בקטע המעגל בין שני המפסקים האוטומטיים (במעלה ובמורד), ייפסק אחרי השהיה ומסכן את מבצע הפעולות בלוח החשמל. במפסקים מדגמים מסוימים אפשר לבטל באמצעות מפתח מיוחד את זמן השהיה של המבטח הראשי בלוח בעת עבודה בלוח החשמל ולהחזיר את ההשהיה לפעולה בסיום העבודה.
דרך נוספת לקצר זמני השהיה של מפסקים אוטומטיים מבוססת על הבחנה לוגית. זו מאפשרת לבטל את ההשהיה של המפסק במעלה הזרם אם מפסקים אוטומטיים שנמצאים במורד הזרם אינם מזהים קצר. הבחנה זו מבוססת על מנגנוני הפסקה אלקטרוניים ותקשורת בין מפסקי הזרם במעלה הזרם ובמורד, כשמוליכים מחברים בין המפסקים האוטומטיים. קצר בנקודה A יגרום למפסק 2 לשלוח פקודת "עצור" למפסק 1 ולגרום להפעלת ההשהיה המכוונת בו. קצר בנקודה B יבטל את ההשהיה המכוונת במפסק האוטומטי A, שיפסיק כמעט מייד, ולא אחרי 0.3 שניות. בדרך זו תפחת מאוד אנרגיית הקצר.
אופן המימוש של הבחנה (סלקטיביות) לוגית בין מפסקים אוטומטיים
יתרונות השימוש בהבחנה לוגית:
* זמן הפסקה קצר ואחיד של כל המפסקים (ללא צורך במדרג זמנים). ההשהיה שווה לזו הנדרשת כדי לזהות קיום אות חסימה בלבד.
* הפחתה ניכרת של אנרגיית הקשת מפחיתה סיכון חיי אדם.
* הגבלת מאמצים תרמיים ודינמיים בציוד.
* אפשר ליישם גם במפסקים בעלי ערכים זהים.
* מתאפשרת היררכיה של מפסקים רבים תוך שמירה על סלקטיביות.
חסרונות:
* קיים רק בחלק מיחידות ההגנה.
* מחיר גבוה והתקנה מסובכת למדי.
* נדרשים חיווט והזנת מתח נוספים (לרוב 24V).
הבחנה באנרגיה מושגת באמצעות זמני תגובה אחרים של מנגנוני ההפסקה במפסקים האוטומטיים במעלה הזרם ובמורד הזרם. זמני תגובה אלה אינם תלויים בכוונון ההגנות אלא בזמן התגובה המכני ובאנרגיה הנדרשת כדי להדוף את מגעי המפסק למצב הפסקה במפסקים מגבילי זרם קצר. יצרן מפסקים מפרט בדפי הנתונים (ובאתר האינטרנט שלו) את היכולת להשיג הבחנה זו בין מפסקים אוטומטיים מתוצרתו בלבד. אי אפשר להבטיח הבחנה בין מפסקים שייצרו יצרנים אחרים.
דוגמה להבחנה באנרגיה ובין האופיינים של מפסקים אוטומטיים במעלה הזרם ובמורד הזרם. הבחנה באנרגיה
יתרונות ההבחנה באנרגיה:
* אפשר להשיג הבחנה בערכי זרם קצר גבוהים.
* זמנים קצרים ביותר של סילוק קצר.
* מאמצים נמוכים בציוד ובמיתקנים והפחתת הפרעות ברשת.
חסרונות:
* הבחנה באנרגיה קיימת רק בין מפסקים אוטומטיים המגבילים זרם קצר.
* כדי להשיג הבחנה באנרגיה נדרשים מפסקים בעלי קופסה (Frame). עקב כך במקרים רבים יש להגדיל את מידות המפסקים האוטומטיים במעלה הזרם.
קיימים היום מפסקים שקיים בהם מצב maintenance mode והם מותקנים כמפסקים ראשיים בלוח. בעת עבודה בלוח כזה המחובר למתח, מעבירים מתג זעיר על גבי הגנות המפסק למצב MM. במצב זה מתבטלת ההשהיה של המפסק הראשי בלוח, והוא נפסק מייד (תלוי כמובן במשך זמן התגובה שלו). קיימת גם טכנולוגיה שמבצעת הפסקה של כל לוח החשמל בזמני מיתוג קצרים ביותר (לטענת החברה, שתי מילי שניות).
סיכום
בכתבה זו הוצגו סיכוני הקשת החשמלית ואמצעי ההתגוננות בפני מקרי קשת. בעת ביצוע עבודות חשמל, על העובד לנקוט בכל אמצעי זהירות כדי שלא ייאלץ לבדוק את מידת ההגנה שמקנה ציוד הבטיחות. שמירה על כללים כפי שפורטו לעיל עשויה להציל חיים ולמנוע פציעות קשות ונכות. יש לעשות הכול כדי להפחית את הפגיעות מקשת חשמלית תוך יישום מרבי של הלקחים וההמלצות המפורטים לעיל. הבטיחות נמצאת במקום ראשון בעת עבודה כלשהי במיתקני חשמל חיים.
הכותב הוא מהנדס חשמל ובודק 3, בעל חברת "סגל אריאל הנדסת חשמל בע"מ"
