הארקה, אפס והיחסים ביניהם

מה משותף להם – מה הבדל ביניהם?

מאת: משה כהן גדול

ברוב מתקני החשמל, בכל העולם, משמשים בשיטת ההגנה בה מבצעים "איפוס" או "שיטה" או גם וגם.

בשני המקרים מחברים את נק' הכוכב של הצד השניוני של השנאי, או את נק' הכוכב של הגנרטור, לאדמה וכך משווים את פוטנציאל האפס להארקה. במאמר זה אדגיש את המטרה בפעולה זו ואם הם אותו פוטנציאל, מדוע בכ"ז יש במתקנים אלו הארקה בנפרד ואפס בנפרד ולמה יש ביניהם מתח ( הפרש פוטנציאלים).

מבוא

יצא לי לשמוע חשמלאים רבים אשר לא בדיוק מבינים מהי ההארקה, מה תפקידה וכיצד היא מגנה על המשתמש במתקן החשמלי.

רבים חושבים שתפקידה "להוריד" את המתח המסוכן מהצרכן, כגון מכונת כביסה או מקרר, לאדמה וכך ההארקה מגינה על המשתמש.

מדוע יש מתח על ההארקה?  למה יש זרם על ההארקה ולמה אם ההארקה והאפס מחוברים ביניהם, יש צורך עדיין בשניהם בנפרד, בלוח החשמל ובצרכן עצמו.

האם זרם בהארקה זו תופעה שיש להשלים איתה? 

בשנים האחרונות , בעקבות פיתוח מערכת GES המנטרת זרמים ומתחים, חקרתי את הנושא וקיבלתי כמה תובנות שאשתף איתכם במאמר זה.

מהי הארקה?         

סימן היכר:       

מקור המילה : ארקא בארמית שפירושה הארץ.

ושם הפועל להאריק, כוונתו לחבר את המושא לאדמה.

בתשתיות חשמל הפעולה מתבצעת ע"י החדרת אלקטרודת הארקה לאדמה או חיבור ליסודות המבנה הקבורים באדמה. בעבר היו מקבלים את ההארקה מצנרת המים המתכתית העירונית.

אז מהי מטרת ההארקה במתקני חשמל וכיצד היא מתבצעת ? 

הכוונה היא לחבר חלק מוליך מסוים, הקשור או קרוב למעגל חשמלי, לאדמה עליה אנו דורכים בעת שימוש בחשמל.

מהי מטרת ההארקה? למה שנבחר לחבר חלק אלמנט זה לאדמה?

כאשר אנו מחברים לאדמה את האריזה המתכתית של המכשיר בו אנו משתמים ואשר בתוכו או עליו יש מעגל חשמלי בעל מתח מסוכן, לדוגמה טוסטר, מקרר, מכונה במפעל וכו' 

אנו מייצרים השוואת פוטנציאלים בין האדמה לבין אריזת המכשיר שהארקנו. ובכך אנו מונעים מתח מסוכן בין האריזה (במקרה שקיימת תקלת הבדדה במכשיר) לבין האדמה, שכן, אם אנו כמשתמשים ניגע באריזת המכשיר הלקוי ביד, לא יהיה הפרש פוטנציאלים בין מגע זה לבין האדמה עליה אנו דורכים וכך לא נתחשמל.

ֿ

חשוב להדגיש שבכדי שבאמת לא ייווצר הפרש פוטנציאלים מסוכן בין האדמה למכשיר הלקוי טיב ההארקה חייב להיות תקין ( טיב ההארקה= מגע טוב ומוליך ברמה מספקת, בעלי התנגדות נמוכה מספיק בין אלקטרודת ההארקה לאדמה) במצב כזה, כאשר קיים מכשיר לקוי והוא מוארק כהלכה, נוצר זרם ה"בורח" מהמעגל החשמלי לאדמה וזרם זה נקרא "זרם זליגה-זרם פחת" הזרם הזולג לאדמה לא נבלע ע"י האדמה אלא ממשיך את דרכו דרך האדמה עד למקור ההזנה שייצר את הזרם (שנאי, גנרטור וכו').

חשיבות טיב הארקה

טיב הארקה (לולאת התקלה) תלוי במספר גורמים:

• איכות החיבור בין מוליכי הארקה .
• איכות החיבור בין אלקטרודת ההארקה למסת האדמה
• התנגדות האדמה מהמתקן החשמלי ועד לאלקטרודת השיטה בסמוך לשנאי
• איכות חיבור ה"שיטה" מנק' הכוכב של השנאי לאדמה.
• התנגדויות מוליכי הפזות מהשנאי ועד ללוח החשמל

אם אחד הגורמים הנ"ל אינו טוב מספיק, אז התנגדות לולאת התקלה עולה וטיבה יורד

שכן במצב כזה אין השוואת פוטנציאלים טובה מספיק וגם, בעת מגע פזה להארקה, לא יתפתח 

מספיק זרם על מנת להפעיל את ההגנות.

חשיבות טיב ההארקה הינה קריטית במתקני חשמל עם מתח מסוכן ועל מנת להבין זאת 

אתן כמה דגשים על הפונקציות אותם היא ממלאת ןתפקידה בפעולת ההגנות הקיימות:

במקרה שנוצר קצר בין מוליך הפאזה להארקה, הפוטנציאל על המכשיר הלקוי, עולה ועלול לחשמל את המשתמש. הזרם שמתפתח בעקבות קצר זה הינו פונקציה של התנגדות מעגל התקלה הנ"ל.

(כאמור, חלק ממעגל זה הינו ההארקה).

מתח מגע בעקבות קצר בין פאזה להארקה:

כאן תפקיד ההארקה משמעותי ביותר וככל שהתנגדות לולאת התקלה נמוך יותר, כך זרם הקצר שיתפתח יהיה גבוה יותר והמפסק המגן על המעגל יקפוץ וינתק את מקור הזינה של המכשיר הלקוי.

בהארקת יסוד והשוואת פוטנציאלים, תפקיד ההארקה במתקן הינו כפול :

הראשון הינו הגנה בפני חישמול.

והשני הינו השוואת פוטנציאלים במתקן, על מנת להגן על הדיירים.

התרחיש הבעייתי הינו שבמידה ומוליך ה- PEN מתנתק,

(המוליך שאמור לסגור מעגל לנק' הכוכב במקור ההזנה) 

אז יווצר מתח (פוטנציאל גבוה ומסוכן) על ההארקה.

אך בזכות השוואת הפוטנציאלים המשתמש לא יהיה תחת הפרש פוטנציאלים ולא יתחשמל. 

הבעיה היא שזו סיטואציה מסוכנת עדיין ואין אינדיקציה על קיומה וכל הציד עובד רגיל.

הזרם שהיה אמור לחזור למקור ההזנה דרך מוליך ה- PEN חוזר דרך האדמה .

גורם לשדות מגנטיים חזקים, סכנת מתח צעד וסכנות נוספות.

ההארקה משמשת גם הגנה בפני ברקים, ע"י קליטת הברק והעברתו ישירות לאדמה במינימום התערבות של המעגלים החשמליים במבנה וכך מונעת נזקים וסכנות אש וחיים.

ההארקה משמשת עבור סיכוך לכבלי תקשורת אשר רגישים לשדות אלקטרומגנטיים.

והשוואת פוטנציאלים במעבדות למניעת חשמל סטאטי.

בדיקת הארקה

כאשר בודק חשמל אמור לתת את חוו"ד בנושא טיב ההארקה והתאמתה למקום הנבדק

הוא חייב לוודא מספר דברים:

התנגדות לולאת תקלה תקינה .

מדידת רציפות ההארקה במתקן עצמו.

חיבורים תקינים וברי קיימא.

התנגדות מסת האדמה במקום. ( בדיקה שנעשית בחישמול הראשוני ולאחר מכן בתדירות של אחת לחמש שנים)

כמובן שיש לוודא גם חתכי מוליכים, צבעים, סימונים ועוד.

עם הזמן ובעקבות שינויים ,פגעי מזג אויר, מכרסמים למינהם, קורוזיה ועוד, אחד מהגורמים הקובעים את התנגדות לולאת התקלה עלול להינזק ואז ההארקה לא תהיה טובה מספיק וזה מהווה סכנה מיידית.

חוק החשמל אינו מחייב להתקין מערכת אשר בודקת את טיב ההארקה באופן שמאפשר לדעת על ליקוי מסוג זה וגם לא מחייב בדיקה תקופתית באופן שבאמת בודק את התנגדות לולאת התקלה.

אמנם מהנדסי חשמל ובודקי חשמל מבצעים (בבדיקה תקופתית) בדיקה זו אך הבדיקה מתבצעת ללא ניתוק החשמל ואינה אמינה כלל. תוצאותיה עלולות להטעות ולגרום לסכנות חשמול, התחשמלות ושריפות חשמל.

הסיבה היא שאם יש במתקן החשמלי מכשיר לקוי או איפוס כפול אז תוצאת המדידה מושפעת ממצב זה ומראה כאילו המצב טוב בהרבה מאשר המצב האמיתי. באופן תיאורטי יכול להיות שההארקה הראשית מנותקת לחלוטין ועדיין המדידה תראה שהתנגדות לולאת התקלה תקינה.

מערכת GES הינה המערכת היחידה אשר נותנת התראות במקרה של ניתוק מוליך ה- PEN 

וכן מבצעת אוט' ובתדירות גבוהה בדיקת ההארקה באופן תקני אשר מקזז השפעת איפוסים כפולים.

שיטת הגנה איפוס / "שיטה"

"שיטה" ו"איפוס" במהות הם זהים, שניהם מהווים חיבור בין האפס לההארקה. 

ההבדל בינהם הינו במקום בו פעולה זו מתבצעת.

"שיטה" מתבצעת במקור ההזנה, שם מחברים בין נק' הכוכב של מקור ההזנה לההארקת היסוד (לפס השוואת הפוטנציאלים) 

"איפוס" מתבצע בכניסה למתקן חשמלי. ורק שם!

המטרה לביצוע "איפוס" הינו להורדת התנגדות לולאת התקלה למינימום האפשרי ולאפשר בכך זרמי קצר גבוהים מספיק על מנת להפיל את ההגנות בעת קצר פזה להארקה. 

המטרה בביצוע "שיטה" הינו על מנת לייחס את המתח, המופק ממקור ההזנה, לאדמה וכך להימנע מכך שבתרחישים מסויימים יתפתחו סכנות חישמול ועליות מתח גבוהות ברשת הארצית.

ההבדל בין מוליך האפס למוליך ההארקה

כפי שנאמר, ברוב המקרים, המקור של מוליך האפס וההארקה הינו אותו מקור: נק' הכוכב במקור ההזנה.

אם כך למה צריך את שניהם?

למה אסור לחבר ביניהם (חוץ מהאיפוס היחיד בכניסה למבנה)?

למה עדיין יש הפרש פוטנציאלים ביניהם?

ומה קורה אם בטעות מחברים הפוך בין אפס להארקה בצרכן או בלוח?

התפקיד שממלא כל אחד מהם שונה, 

תפקיד האפס הינו לסגור מעגל חשמלי במצב תקין ונורמאלי, זרם במוליך האפס הינו דבר נורמאלי וצפוי. במידה ויתנתק מוליך האפס במעגל חד פזי הצרכן יפסיק לעבוד, במקרה של מעגל תלת פאזי (לא מאוזן) רמות המתחים על הצרכנים ישתנו ועלולים להגיע עד למתח שלוב אשר עלול לגרום לצרכן להינזק.

תפקיד ההארקה הינו כאמור להשוואת פוטנציאלים ולהגנה בפני חישמול ,התחשמלות וסכנות שריפה. במצב נורמאלי ותקין אסור שיזרום זרם במוליכי ההארקה . זרם בהארקה יזרום אך ורק במצב תקלה ואמור להפעיל את ההגנות.

אך המצב הקיים היום בתשתיות תעשייתיות רחוק מלהיות אופטימלי. זרמים בהארקות זה דבר שכיח. אפרט על כך בהמשך בפרק "זרמים בהארקות"

במידה ומסיבה כל שהיא יתחברו המוליכים (אפס והארקה) בתוך המתקן זה מהווה מעין "איפוס" לא חוקי.

מצב זה גורם לסכנות קרינה, שריפה והחשמלות וכן להקפצת הגנות באופן לא מבוקר.

זה יוצר זרמים חזקים בהארקות ובאופן קבוע. עלולים להיווצר זרמים חזקים במוליכי האפס וההארקה גבוהים מהמותר ולחמם את המוליכים.

אני מפנה אתכם לערוץ יוטיוב שלנו https://youtu.be/VZtLWzsyA-c בו יש סרטון של ניסוי המראה עד כמה תופעה זו מסוכנת.

למה יש הפרש פוטנציאלים ביניהם?

הפרש הפוטנציאלים בין אפס להארקה נוצר כתוצאה מהזרמים שזורמים בהם מוכפלים בהתנגדות שלהם עד מקור ההזנה. 

מאחר ולא צפויים זרמים בהארקות, ברוב המקרים זה תוצאה של הזרם במוליך האפס.

לכן במתקן תלת פאזי , מתח בין מוליך האפס להארקה עלול להצביע גם על אי איזון פזות.

המתח שעלול להתפתח ביניהם ,במצב תקין, אינו גבוה מאחר והתנגדות מוליך האפס נמוכה מטבעה. 

במידה ומתגלה מתח גבוה בין אפס להארקה זה דורש בדיקה דחופה כי יתכן שההארקה מנותקת וכן יתכן שיש מגע רופף באפס במעלה הזרם.

במידה וצרכן מסויים יחוברו הפוך (אפס וההארקה) 

נתחיל בזה שהצרכן ימשיך לעבוד רגיל , הבעיה היא שזה יגרום לזרמים חזקים בהארקה ולעליית פוטנציאל ההארקה . סכנה נוספת היא שבמידה וחשמלאי ירצה לנתק את ההארקה במעגל או מעלה הזרם ולא יצפה לפוטנציאל מחשמל, עלול להתחשמל בעת ניתוק ההארקה.

היו בעבר מקרים של אינסטלטורים שחתכו צנרת מים והתחשמלו כתוצאה מכך.

זרמים בהארקות- האם צריך להתעלם מהם?

מניסיוני הרב, כמעט בכל מתקן חשמלי תעשייתי יש זרמים בהארקה ובכל זאת הכל עובד רגיל ושום הגנה לא פועלת עקב זרם זה. מספיק. היו מקרים שנמדדו עשרות אמפרים על מוליכי ההארקה ובאיפוס הראשי. גם הרגולטור וחוק החשמל לא נותנים את דעתם לנושא זה

ובעצם משלימים עם התופעה, כמו שכתב הכומר ניבור, מהמאה הקודמת:

"תן לי את השלווה להשלים עם מה שלא אוכל לשנות"

אם קראתם את המאמר מתחילתו אתם בטח מבינים שזרמים בהארקה זה לא דבר חיובי, בלשון המעטה ולכן השלמה עם זרמים בהארקות זה פשוט לא פחות ממחדל.

אז זהו, אין צורך ואין סיבה להשלים עם זה.  

בעידן החדש, ניטור הזרמים בהארקה הוא דבר אפשרי והכרחי. הימצאות זרם בהארקה מעידה על תקלה במתקן, כזו שצריך לתת עליה את הדעת, כדי להימנע מחישמול, שריפות חשמל וקרינה בלתי מייננת (ELF )

להרחבת נושא זה אני מפנה אתכם לקריאת מאמר אחר שכתבתי בנושא "זרמים תועים" באתר זה.

בדירות מגורים, מאחר והחוק דורש, יש מפסק פחת בעל רגישות של 30 מילי אמפר על כל המעגלים , במידה וזרם הזליגה גדול מ 30 מילי אמפר, יקפוץ הפחת ובכך נזהה את המצב שמחובר מכשיר לקוי לחשמל וננתק אותו. וגם כמובן לא יתפתחו זרמים במוליכי ההארקה.

במבני תעשיה ומסחר המצב שונה. ברוב המתקן ועל רוב מעגלי החשמל אין חובה להתקנת מפסקי פחת ולכן בגלל תקלות, בלאי שוטף או חיבורים לקויים עקב טעות תכנונית או עקב טעות אנוש . נוצרים לאט לאט עוד ועוד זרמים תועים וזרמים בהארקות. 

אז זהו, אין צורך ואין סיבה להשלים עם זה.  

בעידן החדש, ניטור הזרמים בהארקה הוא דבר אפשרי והכרחי. הימצאות זרם בהארקה מעידה על תקלה במתקן, כזו שצריך לתת עליה את הדעת, כדי להימנע מחישמול, שריפות חשמל וקרינה בלתי מייננת (ELF )

להרחבת נושא זה אני מפנה אתכם לקריאת מאמר אחר שכתבתי בנושא "זרמים תועים" באתר זה.

לסיכום

בעודנו מדברים על תשתיות החשמל ועל הסיכונים שבהם, נושא ההארקה מהווה חוליה קריטית בשמירה על הבטיחות 24/7. 

עם זאת, טיבה של חוליה חשובה זו תלוי בכמה דברים שאינם מנוטרים ברמה מספקת ואפילו אני טוען שזה ברמת מחדל.

באירופה וארה"ב יש דגש על מניעת זרמים בהארקות

משיחות שעשיתי עם מהנדסי חשמל ורגולטורים וכשהעלתי את הבעיות הקריטיות הקיימות במצבים שההבדדה במתקן חשמלי אינה טובה מספיק ובעקבות כך יש זרמים בהארקות, ראיתי אותם מתנועעים בחוסר נוחות על הכסא ואומרים, בין השורות, שאין הרבה מה לעשות כנגד התופעה ולכן יש להשלים איתה.

מי שמכיר את פועלי בשנים האחרונות יודע שפיתחנו מערכת (GES SYSTEM) אשר יודעת לנטר את הזרמים התועים במתקן חשמלי ולזהות מה הגורם להם.

לפרטים כנסו לאתר: https://www.esp2018.co.il/

אם נרצה לשמור על המתקן החשמלי בו אנו משתמשים עלינו לשמור על שלמות ההארקה ולהימנע מזרמים בהארקות, כך נימנע סכנות חשמל אמיתיו