מתח גבוה: הנושא שמבדיל את בחינת המהנדסים

הנתון Sn = 15VA הוא ה-burden המותר של משנה הזרם — ההספק המרבי שהוא יכול לספק במעגלו המשני בלי לצאת ממחלקת הדיוק. ה-burden מתחלק בין הממסר לבין התנגדות חוטי ההזנה הלוך-חזור, לפי Sn = I₂²·Z. לכן העכבה המותרת נגזרת מההספק ומהזרם המשני (5A) — ולא מהזרם הראשוני (100A), שאינו נכנס לחישוב.

ארבעה הדקים משניים פירושם שני ליפופים משניים נפרדים וגלווניים (1a-1n ו-2a-2n), לא ליפוף אחד עם הדק ביניים. זו התצורה הקלאסית: ליפוף אחד למדידה (מחלקה 0.5/1, מוגדר לדיוק בתחום 80–120% מ-Un) וליפוף שני להגנה (מחלקה 3P/6P, שומר דיוק בתחום 5%–190% מ-Un ועומד ב-1.9Un). הליפופים אינם שווי-ערך.

הקריאה מהתווית מכריעה: גרעין 1 מסומן CL 0.5 FS5 — מחלקת דיוק 0.5 ומקדם בטיחות 5, כלומר גרעין מדידה שנכנס לרוויה בזרם של 5 פעמים הנקוב כדי להגן על המכשירים. גרעין 2 מסומן CL 5 P10 — האות P מסמנת Protection ו-10 הוא מקדם הדיוק הגבולי (ALF), כלומר גרעין הגנה שאינו נכנס לרוויה עד 10 פעמים הנקוב.

ממסר פחת כיווני (67N) חייב שני גדלים כדי לקבוע לא רק אם יש תקלת אדמה אלא לאיזה כיוון: זרם השארית 3I₀ ומתח השארית 3U₀, והוא מודד את הזווית ביניהם. את הזרם הוא מקבל ממשנה זרם מסכם או מחיבור הולמגרן, ואת המתח ממשנה מתח המחובר במשולש פתוח (broken delta) — שסכומו אפס בתקינות ומתפתח עליו 3U₀ בקצר לאדמה.

הסליל מחובר בין נקודת הכוכב לאדמה. בקצר מוצק חד-פאזי לאדמה, פוטנציאל הפאזה הפגועה נמשך לפוטנציאל האדמה, ולכן נקודת הכוכב נעה ביחס לאדמה בגודל של מתח מופע-אפס מלא. מכיוון שהסליל נמצא בדיוק בין נקודה זו לאדמה — המתח עליו הוא המתח הפאזי, U_ph. עכבת הסליל קובעת את גודל הזרם, לא את המתח.

השאלה מבקשת את מה שאינו אפשרי. תפקיד סליל הכיבוי הוא בדיוק ההפוך: הוא מזריק זרם השראי שמפצה את הזרם הקיבולי של הרשת, ולכן זרם הקצר החד-פאזי לאדמה קטן מאוד — יחידות עד עשרות אמפרים — ובשום אופן אינו מגיע לסדר גודל של קצר תלת-פאזי. שאר האפשרויות מתארות נכונה את שיטות ההארקה האחרות.

היתרון התפעולי המרכזי: זרם התקלה החד-פאזי קטן מאוד, ולכן אין חובה לנתק מיד — אפשר להמשיך לספק חשמל גם כשפאזה אחת מחוברת לאדמה, ולאתר את התקלה בזמן מבוקר. זה גם החיסרון: הזרם קטן מדי לזיהוי פשוט, ונדרשות הגנות רגישות וכיווניות; ובמקביל מתחי הפאזות הבריאות עולים לכדי המתח השלוב.

ברשת שנקודת האפס בה מוארקת ישירות, קצר חד-מופעי לאדמה סוגר לולאת תקלה בעלת עכבה נמוכה — רק Z_שנאי + Z_קו + Z_הארקה, ללא הגבלה מכוונת. לכן מתפתח זרם גבוה, בסדר גודל של הקצר התלת-מופעי, שההגנות מזהות מיד ומנתקות. שתי האפשרויות האחרות מתארות התנהגות של רשת מבודדת.

משטר נקודת האפס קובע את מקדם ההארקה — היחס בין מתח הפאזה הבריאה לאדמה בזמן קצר לאדמה לבין מתח מופע-אדמה בתנאים נורמליים. בסליל פטרסן נקודת האפס אינה מוארקת בעכבה נמוכה, ובתקלה מתחי שתי הפאזות הבריאות עולים לכדי המתח השלוב — פי √3, מקדם הארקה כ-1.73. לכן דווקא במשטר הזה נדרשת רמת בידוד גבוהה יותר. בהארקה ישירה המקדם ≤ 1.4.

קורונה היא התפרקות חלקית באוויר סביב המוליך כאשר הגרדיאנט על פניו עובר את החוזק הדיאלקטרי הקריטי של האוויר — כ-30 kV/ס"מ שיא בתנאי תקן. מתח ההתחלה תלוי ברדיוס המוליך, בצפיפות האוויר ובלחות. הנלווה לתופעה: יוניזציה, הפסדי הילה, רעש, אור סגלגל, אוזון ותחמוצות חנקן, ובעיקר הפרעות רדיו ותקשורת. קורונה מרעה את התמונה ואינה משפרת ויסות מתח.

במבודדים מוצקים (XLPE, אפוקסי, נייר-שמן) ההתפרקויות מתרחשות בחללים פנימיים או בממשקים, ואינן נראות לעין ואינן נשמעות לאוזן — עוצמתן בסדר גודל של פיקו-קולומב. הזיהוי מחייב מכשור ייעודי: מדידת PD חשמלית ב-pC, גלאי אולטרסאונד, מצלמות UV לקורונה חיצונית, מדידת tan δ, ובציוד שמן ניתוח גזים מומסים.

עמידות במתחי יתר נקבעת בבדיקות דיאלקטריות: מתח עמידה בתדר הרשת (AC withstand, דקה) לעמידות במתחי יתר זמניים, ומתח הלם ברק BIL — גל 1.2/50 מיקרו-שנייה — לעמידות בגלי הלם אטמוספריים; בציוד מתח עליון גם הלם מיתוג. בדיקות Ith ו-Idyn בודקות עמידות בזרמי קצר תרמית ודינמית, לא מתחי יתר, ובדיקת 500V היא מגר במתח נמוך.

קווי מתח עליון מוגנים מפני פגיעה ישירה על ידי תיל הגנה הנמתח מעל מוליכי הפאזה ומוארק בכל עמוד: הוא מיירט את הפריקה ומנקז אותה לאדמה דרך העמודים והארקותיהם, ובנוסף מקטין מתחי יתר מושרים. קולט ברק אנכי או מיינן מגנים על מבנים נקודתיים ולא על קווי הולכה, וסליל פטרסן הוא אמצעי לטיפול בזרמי תקלת אדמה.

מרווח פריצה הוא ההתקן הפרימיטיבי — פורץ במתח לא מדויק ויוצר בפועל קצר לאדמה עד לניתוק. ואריגאפ (SiC בטורים עם מרווחי פריצה) הוא הדור הקודם, ומתחו השיורי גבוה יחסית. מגן תחמוצת מתכת (ZnO, ללא מרווחים) בעל אופיין V-I לא-לינארי חד ביותר, זרם דליפה זניח במתח העבודה, אינו יוצר קצר — ומספק את המתח השיורי הנמוך ביותר, כלומר את רמת ההגנה הטובה ביותר.

מוליכים עגולים בכבל תלת-גידי משאירים חללים בין הגידים, מגדילים את הקוטר, והמוליך נוגע במעטה בקו מגע צר. המבנה הגזרתי מנצל את החתך במקדם מילוי טוב יותר ובעיקר מגדיל משמעותית את שטח המגע של המוליך עם המעטה — כלומר מקטין את ההתנגדות התרמית ומשפר פיזור חום. בכבלים לזרמים גדולים הקירור הוא הגורם המגביל, ולכן זו הסיבה העיקרית.

התקנות קובעות שלושה עומקי טמינה מזעריים לפי סוג פני האדמה. במקרה שבשאלה — פני האדמה בלתי מכוסים והמשטח אינו מיועד לנסיעה — העומק הוא 90 ס"מ. 70 ס"מ הוא לפני אדמה מכוסים באריחים או מרצפות, ו-100 ס"מ מתחת למשטח המיועד לנסיעה. הקטנת עומק מותרת רק בתנאי התקנת אמצעי הגנה על הכבל.

בסימון N2XS(F)2Y 12/20 kV 1x95/16 המספרים שאחרי מספר הגידים הם שני חתכים: 95 הוא שטח חתך מוליך הפאזה בממ"ר, ו-16 הוא שטח חתך הסיכוך — המסך המטלי (האות S בסימון), כלומר תילי או סרט הנחושת סביב הבידוד. המתח מופיע בנפרד כ-12/20 kV, ולכן האפשרות שמפרשת 16 כמתח שגויה.

פירוק הסימון: N = כבל לפי נוסח תקני, 2X = בידוד XLPE, S = סיכוך נחושת, 2Y = מעטה חיצוני PE. הסימון (F) מציין אמצעי חסימת מים אורכית בלבד — שכבה או סרט תופח באזור הסיכוך של כבל חד-מופעי, שמונע זחילת לחות לאורך הכבל. חסימה אורכית וגם רדיאלית מסומנת (FL), כאשר ה-L מוסיף רדיד אלומיניום מולחם למעטה.

הכלל אינו איסור גורף ואינו מרחק מספרי נקוב, אלא חובת קיבוץ לפי מתחים והפרדה נאותה בין הקבוצות. לכן שני הקווים — 22kV ו-33kV — מותרים באותו מובל, בתנאי שכל קו יותקן בקבוצה נפרדת לפי מתחו ותתקיים ביניהן הפרדה נאותה. שים לב להבחנה: מובל רשאי לשאת כמה כבלים, אבל צינור בודד ישמש כבל אחד או שלושה חד-גידיים של אותו קו.

ההבדל המהותי הוא כושר ההפסקה. מפסק זרם מתוכנן לנתק גם זרמי עומס וגם זרמי קצר, והוא מופעל אוטומטית על ידי ההגנות. מנתק עומס מתוכנן להפסיק את זרם העומס הנקוב בלבד, בפעולה יזומה, ואינו מסוגל להפסיק זרם קצר. מנתק (מפריד) אינו מפסיק זרם כלל — תפקידו ליצור מרווח בטיחות גלוי ומאומת.

הסדר: בדיקת העדר מתח בגלאי מתאים למ"ג — תמיד קודם כל; אחר כך חיבור מהדק ההארקה של הערכה לנקודת ההארקה; ורק אז חיבור המקצרים לשלושת המופעים. ההיגיון: כל זרם שיופיע בעת ההנחה יזרום לאדמה בנתיב מוגן, והמקצר לא יהפוך לגוף חי מבודד. הפירוק בסדר ההפוך — קודם המופעים ולבסוף ההארקה.

חיבור חוזר (auto-reclose) נועד לנסות לחדש אוטומטית את האספקה במעגל שהופסק על ידי ההגנה, בהנחה שהתקלה חולפת. הוא רלוונטי במיוחד לקווים עיליים, שבהם רוב התקלות חולפות — קשת לאוויר, ענף, ציפור, מלח על מבדדים, ברק — ופסק זמן קצר ללא מתח מאפשר לקשת להיכבות ולבידוד האוויר להתאושש. בכבלים תת-קרקעיים התקלה כמעט תמיד מתמדת ולכן נמנעים מכך. תקלה מתמדת מובילה לנעילת המפסק.

הערך שליד INSTANTANEOUS הוא סף זרם ההפסקה המידית — כוונון ללא השהיה מכוונת, מסדר גודל של מילישניות בודדות, המיועד לזרמי קצר גבוהים. הוא שונה מדרג העומס היתר המושהה (I> עם השהיה תלוית זרם) ומדרג DEFINITE TIME שהוא הפסקה מושהית בזמן מוגדר. זרם טרמי לעבודה בשגרה הוא נתון ציוד ולא כוונון הגנה.

גבולות המתח התקין הם המתח הנקוב ±10%, ולכן ב-22kV: 19.8kV עד 24.2kV. הדרישה חלה על כל דרגות המ"ג בישראל (12.6, 22, 33 kV) באותו אחוז. האפשרות 20.9–23.1 היא ±5% — טעות נפוצה שאינה הדרישה הרגולטורית.