שקיעת מתח הינה הבעיה הנפוצה ביותר באיכות אספקת החשמל, אשר גורמת להשפעה כלכלית רחבת היקף על מתקנים ברחבי העולם. בהתאם לרגישות של העומסים והתהליכים, שינויים ברמת המתח עלולים לגרום לזמן השבתה יקר. שיבושים באספקת החשמל נתפסים לעיתים קרובות כמקור לאובדן זמן ייצור במפעלים, למרות שהפסקת חשמל מוחלטת היא די נדירה במערכות חשמל מודרניות. עם הגידול בדרישות הזמינות בעשורים האחרונים, ישנה התמקדות רבה יותר במציאת פתרונות חסכוניים להגנה על אספקת החשמל, וכדי לעשות זאת יש צורך להבין את שורש הבעיה הגורמת להשבתה של המתקנים.
שקיעות מתח - האירוע הנפוץ ביותר באיכות אספקת החשמל ברחבי העולם.
ההגנה על אספקת החשמל הפכה לנושא חשוב ביותר, שכן השימוש באלקטרוניקה במערכות הספק הפך את הציוד והתהליכים לרגישים יותר לסטיות באספקת החשמל. ההשפעה ניכרת הן במגזר התעשייתי והמסחרי והן בתחום המגורים, שכן בכל סוג מתקן כיום ניתן למצוא אלקטרוניקה, מערכות בקרה מבוססות מחשב והיקף הולך וגדל של
ציוד אוטומטי. בתעשיות הכוללות תהליכים מורכבים שבהם הפעלה מחדש יכולה להיות ארוכה ויקרה ובעסקים במגזר המסחרי עם דרישות גבוהות במיוחד לזמינות לצורך שמירה על פעילות העסק, תקלות והפסקות באספקת החשמל אינן מקובלות.
איור 1: שקיעת מתח מוגדרת באחוזים מהמתח הנומינלי. צניחה ל- 60%, כמו באיור, פירושה שנותרו 60% מהמתח הנומינלי.
IEEE
מגדירה שקיעת מתח כאירועים שבהם מתח ה-rms יורד בין 10% ל-90% מהמתח הנומינלי למשך חצי מחזור עד 60 שניות. אם המתח יורד מתחת ל-10% הדבר נחשב להפרעה. משך השקיעה מתחיל להיספר בכל פעם שאחד משלושת המתחים יורד מתחת ל-90% ונפסק כאשר כל שלושת המתחים חוזרים לרמה של 90%. רמת המתח בעומק השקיעה מוגדר כערך הנמוך ביותר שאחת משלוש הפאזות הגיעה אליו בפרק זמן זה.
בהתאם לעומק ולמשך של שקיעת המתח, בשילוב עם רגישות הציוד, שקיעת מתח יכולה להתפרש בצורה שגויה כהפסקה מוחלטת של אספקת החשמל מאחר וקווי תהליך שלמים נעצרים כאשר רכיב ציוד אחד בתהליך נפסק. תהליכים הרגישים לשקיעות מתח הם בדרך כלל תהליכים מתמשכים, פעולות רב-שלביות ועיבוד נתונים. שקיעת המתח תגרום לבעיה בתלויה בעומק ובמשך שקיעת המתח וביכולתו של הציוד להתגבר עליה. סוגים רבים של ציוד אלקטרוני רגישים לשקיעות מתח, כולל ווסתי תדר, מתנעים, רובוטיקה, בקרים מתוכנתים, ספקי כוח וממסרי פיקוד. מרביתו של ציוד זה משמש ביישומים שהם קריטיים לתהליך הכולל, ושקיעות מתח עלולות להוביל
לזמני השבתה יקרים מאוד כאשר הן מתרחשות. תעשיות שונות פיתחו עקומות מקובלות שמגדירות את משך רמת המתח ועומק השקיעה שהציוד חייב להיות מסוגל לעמוד בו. עקומות ידועות ומקובלות הם SEMI F47 לתעשיית המוליכים למחצה ו-ITIC לציוד מחשבים.
כ-80% מהתקלות שמשפיעות על אתר נובעות מתקלות חיצוניות שמתרחשות במזין מקביל, ולעיתים גם רחוק יותר במערכת החשמל. במצב זה, הסבירות לחוות שקיעת מתח תהיה גבוהה יותר מאשר הפרעה, מה שאושר במחקרי איכות חשמל שונים.איור 2 מציג את התוצאה ממחקר גדול שבוצע בארה"ב ונתונים שנאספו על-ידי ABB ברחבי העולם. ניתן לראות כי למעלה מ-80% מהאירועים כוללים מתח נותר ברמת המתח מעל ל- 50% ופחות מ-10% מהאירועים הם הפרעות. עובדה מעניינת נוספת מתוך המחקר היא שביותר מ-80% מהאירועים עם מתח נותר מעל 50%, כמעט כולם נמשכים פחות משנייה אחת. מפעל טיפוסי במחקר יחווה 45 שקיעות מתח בשנה ופחות מחמש הפרעות (EPRI). רק כאשר התקלה שמתרחשת היא פנימית, או על אותו מזין רדיאלי, קיימת סבירות שהתקלה תגרום להפרעה.
איור 2: היסטוגרמה של עוצמת ההפרעות ושקיעות המתח, בצבירה של דקה אחת. מקור מידע: מחקר EPRI DPQ & ABB .
שקיעת מתח מתרחשת עקב עלייה קצרה בזרם משתי סיבות עיקריות: תקלות במערכת החשמל (תקלה חיצונית) והתנעה של עומסים גדולים (תקלה פנימית).
הפעלה של עומס גדול, כגון מנוע אינדוקטיבי, עלולה לגרום לזרם התנעה גבוה פי 5 עד 6 מזרם העבודה הנומינלי, ולשקיעת מתח ברשת הסמוכה. בהשוואה לשקיעת מתח שנגרמת עקב תקלות ברשת, שקיעות אלה רדודות יותר ומשך הזמן שלהן ארוך יותר, בין שנייה אחת לכמה עשרות שניות.
לתקלות של קצרים חשמליים במערכת החשמל יכולות להיות מספר גורמים. הנפוץ ביותר הוא מזג האוויר, ובפרט מכות ברק.
במדינות רבות עונת הסופות והמונסון יגרמו לשקיעות מתח רבות עקב מוליכים שמתנדנדים ונוגעים אלה באלה או ענפי עצים שנופלים על קו אחד או יותר. במקומות קרים יותר, הצטברות שלג וקרח עלולה לגרום להבזקים חד-פאזיים. טעויות אנוש מתרחשות בכל מקום והן יכולות להתבטא ברכב שהתנגש בקווי חשמל מקומיים או עבודות בנייה שפגעו בטעות בכבל תת-קרקעי. גם בעלי חיים יכולים להשפיע על קווי חשמל ולגרום כתוצאה מכך לתקלות.
רגישות הציוד
ציוד יכול להיות רגיש לרמת המתח ולמשך הזמן או למאפייני מתח אחרים כגון חוסר איזון בפאזה וקפיצות בזווית הפאזה. בדרך כלל, רוב הציוד האלקטרוני רגיש הן לרמת המתח ולמשך שקיעת המתח.איור 3 מציג אירועים שנתיים אופייניים של שקיעות מתח ברשת ההפצה (נקודות אדומות) והמלבנים באפור בהיר ממחישים את הרגישות והתגובה של הציוד לעוצמות ולמשכי הזמן השונים של אירועי שקיעת המתח.
איור 3: תגובות שונות של ציוד לרמת המתח ולמשך זמן משתנים של אירועי שקיעת מתח. נקודות אדומות הן אירועים שנתיים אופייניים של שקיעות מתח ברשת.
המיקום של תקלה ביחס למתקן הוא בעל חשיבות רבה בהבנה של דרגת החומרה שמתלווה אליה.
המבנה וחוזק הרשת, המרכיבים בין המפעל לתקלה, מערך ההגנה של המתקן והמרחק בפועל אל מיקום התקלה הם גורמים חשובים בעת ניתוח כיצד תקלות שונות ישפיעו על האתר.
איור 4: מיקום התקלות (כוכבים אדומים) והשפעתן על המפעל
איור 4 מדגים מפעל שממוקם ברשת ההפצה והכוכבים מייצגים ארבעה מיקומים שונים של תקלות. תקלה שמתרחשת במזין הראשי (1) תגרום תחילה לשקיעת מתח ולאחריה להפסקה לאחר 5 עד 6 מחזורים, משך הזמן הטיפוסי שלוקח למפסק להיפסק. משך ההפרעה יהיה בין 12 מחזורים ל-5 שניות עבור תקלה זמנית, בהתאם לנוהלי ה- Auto-Reclose של המתקן. אם התקלה תישאר, הלקוח יראה שקיעות מתח ולאחריה הפרעה. תקלה במזין הצדי (2) מזוהה בדרך כלל כשקיעת מתח. תקלה במזין מקביל (3) תגרום
לשקיעת מתח באפיק המשותף. זוהי התקלה הנפוצה ביותר שגורמת לשקיעת מתח במתקנים שממוקמים ברשת החלוקה ומתוארת ביתר פירוט באיור 5. תקלה שמתרחשת במערכת ההולכה (4), בה תחנת המשנה של החלוקה מוזנת משני קווי הולכה תיראה כשקיעת מתח בקרב כל הלקוחות שמחוברים לתחנות המשנה הסמוכות. מערכות חלוקה הן רדיאליות בדרך כלל, כלומר עם מזין יחיד ואילו מערכות ההולכה הן מרושתות, כלומר עם מספר מזינים.
איור 5: תקלה (כוכב אדום) שמתרחשת במזין מקביל והשפעתה על הצרכן התעשייתי (משמאל למטה)
המתח שמתקבל בפס הצבירה המשותף Point-of-Common-Coupling or PCC)) כאשר מתרחשת תקלה באחד מהמזינים המקבילים, תלוי בעכבה בין התקלה ל-PCC, שיכולה להיות שנאי או כבלים או קווי מתח, והעכבה של המזין אל פס הצבירה, שהוא בדרך כלל שנאי. לעכבה של השנאי המזין יש השפעה עצומה על ההתפשטות של שקיעת המתח. על-ידי הורדת אחוזי העכבה של השנאי, כדי לאפשר רמת תקלה וזרם תקלה גבוהים יותר, ניתן להפחית את החומרה של שקיעת המתח. אפשרות נוספת היא שימוש בשנאי עם דירוג הספק גבוה יותר.
שקיעות המתח הופכות לחמורות יותר אם למערכת יש כבלים תת-קרקעיים במקום קווים עיליים מכיוון שהכבלים בעלי עכבה נמוכה יותר, מה שהופך את עומק השקיעה לעמוקה יותר ושקיעת המתח מועברת למרחקים גדולים יותר. בהתאם לעכבת המזין ועכבת המקור התקלה יכולה לעבור למרחקים שונים. ככל שהתקלה מתרחשת קרוב יותר לפס הצבירה כך שקיעת המתח תהייה עמוקה יותר.
המרחק בין התקלה לנקודה שבה המתח שוקע לרמת מתח מסוימת מתואר כמרחק הקריטי. המרחק הקריטי יכול להיות שימושי כאשר קובעים כמה רחוק יכולה התקלה להתרחש ועדיין לגרום לשקיעת מתח עמוקה מספיק בכדי להפסיק פריטי ציוד שונים באתר.
ניתן להגדיר את רגישות הציוד במפעל כמתח קריטי, בהתייחס לרמת המתח הדרושה לשמירה על פעולה תקינה של הציוד. תקלה שמתרחשת ברמת מתח גבוה תהיה בעלת מרחק קריטי ארוך יותר מאשר תקלה שמתרחשת ברמות מתח נמוכות יותר. ייתכן ששקיעת מתח חמורה תתרחש במרחק של עשרות קילומטרים ממקום התקלה, ואם התקלה מתרחשת בקווי ההולכה אפילו למרחק של מאות קילומטרים. מספר ההזנות מפס הצבירה עומד ביחס ישר למספר שקיעות המתח שמתרחשות בפס, מכיוון שהוא מגדיל את השטח שבו התקלה יכולה להופיע.
כאשר מתרחשות תקלות של קצרים חשמליים הן יכולות להיות תקלה תלת-פאזית, תקלה חד-פאזית, תקלה דו פאזית או דו פאזית להארקה. ניתן לסווג שקיעות מתח לפי סיווג ABC שמחלק את שקיעות המתח לשבעה סוגים שונים, מסוג A ועד סוג G. באיור 6 שבעת הסוגים של שקיעות המתח מוצגים בצורה פאזורית. צורת הפאזור מקלה על הדמיית השינויים הפרטניים בגודל הפאזה וקפיצות בזוויות הפאזה שקשורות לכל תקלה. הסוגים A, B, C ו-E הם מתחי פאזה לאפס כאשר מתרחשת אחת מארבע התקלות שהוזכרו לעיל. הסוגים D, F ו-G מתרחשים כאשר שקיעת המתח משנה את המראה שלה ככל שהיא מתקדמת במערכת, כפי שמתואר בעמוד הבא.
איור 6: שבעת הסוגים של שקיעות המתח על פי סיווג ABC
כאשר שקיעת המתח מתקדמת במערכת החשמל, סביר להניח שיתרחש שינוי במאפיינים לפני ההגעה לעומס המושפע. במבט על איור 7, מניחים שהתקלה (כוכב אדום) התרחשה בצד הראשוני של השנאי שמזין את העומס. התקלה שחווה העומס תהיה תלויה בסוג התקלה המקורי, סוג השנאי וכיצד העומס מחובר. לכן, בעת ניתוח המדידות שנאספו בנקודות 1, 2 ו-3 באיור7 אותה שקיעה שנגרמה מתקלה בודדת תופיע בצורה אחרת. טבלה 1 ממחישה כיצד שקיעת מתח המתרחשת במיקום 1 באיור 7 משנה סוג כאשר היא עוברת דרך שנאי D-y.
איור 7: המתח משנה את מאפייניו בעת ההתקדמות במערכת החשמל. 1, 2 ו-3 מייצגים שלוש נקודות מדידה שונות ושנאים מסוג D-y.
טבלה 1: סוגי תקלות כפי שניתן לראות במקומות שונים במערכת החשמל
תקלות לא סימטריות של קצרים חשמליים גורמות הן לירידה ברמת המתח והן לשינויים בזווית הפאזה
תקלות תלת-פאזיות מאוזנות וסימטריות, רמת המתחים שווה בכל הפאזות והפאזות בהפרש של 120 מעלות, כפי שניתן לראות באיור 6. תקלות תלת-פאזיות חמורות יותר מסוגים אחרים של תקלות ושקיעת המתח נעה רחוק יותר מאשר בתקלות חד-פאזיות.
כפי שניתן לראות בטבלה 2, תקלות תלת-פאזיות הן למרבה המזל נדירות מאוד ומהוות כ-3% מכלל האירועים. הרוב המכריע של התקלות, כמעט 80%, כוללות תקלות חד-פאזיות בלבד. השאר הן תקלות דו-פאזיות או תקלות אחרות.
טבלה 2: סוגים שונים של תקלות ואחוזי התרחשות. מקור מידע: ERPI השלכות איכות החשמל על בניית מערכות חלוקה.
| תקלה | אחוזים |
|---|
| חד פאזי לאפס | 63% |
| חד פאזילהארקה | 15% |
| דו פאזי | 11% |
| אחר | 4% |
| תלת-פאזי | 2% |
| דו פאזי לאפס | 2% |
| דו פאזי להארקה | 2% |
| תלת-פאזי להארקה | 1 |
שינוי בזווית הפאזה יכול לגרום נזק למתקנים בדומה לשקיעת מתח
שקיעות מתח מוגדרות לעתים קרובות באמצעות רמת המתח ומשך הזמן, אך לאירוע מסוג זה יש מאפיינים נוספים. פחות ידוע הוא שלעתים קרובות המתח שוקע לא רק ברמתו במהלך תקלות במערכת, אלא גם חל שינוי בזווית הפאזה. קפיצות בזווית הפאזה נגרמות מקצרים במערכת החשמל והן נראות כשינוי במעבר המתח דרך האפס על ציר הזמן. בגרף פאזורי, נראה כי הווקטורים אינם מופרדים ב-120 מעלות. שינוי מעלות בודדות בזווית הפאזה יכולות להפריע לציוד בדומה לשקיעת מתח ושינויים של כ- 10 מעלות אינם נדירים. התריסטורים במערכות אלקטרוניות בהספק גבוה, למשל, מכוונים את זווית הייזום שלהם ביחס למעבר המתח בנקודת האפס
ושינוי פתאומי בזווית הפאזה יגרום ל ייזום זווית שגויה שעלולה לגרום לתקלה.. לעיתים קרובות הציוד רגיש לשילוב של שקיעת מתח ושינוי בזווית הפאזה.
אם יחס ה-X/R (עכבה על התנגדות) בין המקור והמזין שווה, אזי לא יתקיים שינוי בזווית הפאזה. ההבדל ביחס X/R גורם לשינוי בזווית הפאזה, בתלות אם עכבת המקור או המזין גדולה יותר, השינוי בזווית הפאזה יהיה חיובי או שלילי.
לשקיעות מתח יש השלכות כלכליות עצומות ברחבי העולם
איור 8: עלות איכות חשמל ירודה באיחוד האירופי. מקור מידע: המכון האירופי לנחושת (200
האיור לעיל מציג שחוסר המשכיות באספקה מהווה ~90% מהעלות של תעשיות האיחוד האירופי עקב איכות חשמל ירודה. שקיעות מתח והפסקות חשמל קצרות הן הגורמים היקרים ביותר. הסקר שערך מכון הנחושת האירופי העריך
שתעשיות באיחוד האירופי מפסידות יותר מ-150 מיליארד יורו מדי שנה בגלל איכות חשמל ירודה. סקר שנעשה בארה"ב על-ידי EPRI הגיע לתוצאות דומות, כלכלת ארה"ב מפסידה 119 עד 188 מיליארד דולר בשנה עקב איכות החשמל.
תיקון שקיעות מתח ומתח לא מאוזן
שמירה על איכות חשמל טובה מושגת בשיתוף פעולה בין ספק החשמל, המתקן ויצרני הציוד. ספק החשמל יכול להגיע לרמה מסוימת של אמינות בלבד, ביטול שקיעות והפרעות מתח היא משימה בלתי אפשרית. הפחתה של שקיעות המתח במערכת החשמל עשויה להיות יקרה, שכן שקיעות המתח משפיעות על לקוחות למרחק רב. דרכים שונות להגברת האמינות על ידי ספק החשמל יכולות להתבצע על-ידי כריתת עצים, שמירה מפני בעלי חיים ופיקוח על המעגלים. ניתן לצמצם את משך האירוע על-ידי הפעלה מהירה יותר של ציוד בטיחות, עם נתיכים לזרמים נמוכים יותר, הפסקה מיידית (Instantaneous) וממסרי העברה. ניתן להפחית את החומרה של שקיעות המתח על-ידי העלאת המתח הנומינלי או התקנת שנאים גדולים יותר בתחנות. שיפור יכולת העמידה של הציוד שמותקן על-ידי הוספת דרישות כגון עקומת עמידות למפרט מסייעת להפוך את המפעל לעמיד יותר בפני שינויים באספקת החשמל.
עם זאת, ספקי החשמל לעולם לא יוכלו להסיר לחלוטין את ההתרחשות של שקיעות מתח ברשת, ולכן תעשיות רבות בעלות
דרישות זמינות גבוהות עדיין דורשות פתרון חדשני להגנה על אספקת החשמל. ההגנה על אספקת החשמל התפתחה כאשר המפעלים דרשו להשיג זמינות גבוהה יותר תוך הימנעות מזמני השבתה יקרים עקב חוסר רציפות באספקה. PCS100 AVC-40 של ABB הוא מייצב מתח פעיל שתפקידו להתמודד עם הבעיה הנפוצה ביותר באיכות החשמל שמשפיעה על תעשיות ברחבי העולם. מכיוון שהפרעות באספקה הן נדירות במערכות חשמל מודרניות, התקנת מערכת אספקת חשמל רציפה (UPS) שמשתמשת בסוללות לשמירה על המתח היא לרוב השקעה יקרה שלא לצורך. העלות הכוללת נמוכה יותר במקרה של PCS100 AVC-40, מכיוון שהוא אינו משתמש בסוללות יקרות או עלויות תחזוקה גבוהות לשחזור המתח, הוא מאפשר לתקן את מרבית האירועים החיצוניים ובכך להשיג זמינות גבוהה יותר במחיר נמוך יותר. התקנת PCS100 AVC-40 באספקת המתח הנמוך כפי שמוצג באיור 9 מבטל את מרבית הבעיות שנגרמות על-ידי שקיעות מתח. בנוסף, PCS100 AVC-40 מתקן את עוצמת המתחים ומשחזר את זוויות הפאזה כדי להבטיח תפקוד תקין של הציוד.
איור 9: המיקום של ABB PCS100 AVC-40 להגנה על התעשייה (מימין) מפני שקיעות מתח עקב תקלות חיצוניות (כוכב אדום)
איור 10: דוגמה לביצועים של PCS100 AVC-40 בתקלה חד-פאזית להארקה.
התקלה באיור 9 היא תקלה חד-פאזית להארקה עם הפחתה של 50% במתח בפאזה הפגומה. האיור השמאלי
ב-איור 10 הוא המראה של השקיעה בנקודת המדידה 1 (סוג B) בצד המתח הגבוה של השנאי. לאחר מעבר דרך שנאי
D-y, בנקודת מדידה 2, שקיעת המתח תופיע באיור האמצעי באיור 10 (סוג C).
ה- PCS100 AVC-40 משחזר את רמת שלושת המתחים ל-100% ומחזיר את הזווית בין הפאזות
ל-120 מעלות. נקודת מדידה 3, מייצגת את המתחים שרואים בעומס, מציגה גל סינוס מושלם הודות ל-PCS100 AVC-40.
הפרעות או שקיעות מתח
הפניות:
Bollen, M. H. (2000). Understanding Power Quality Problems: Voltage Sags and Interruptions (1 ed.). (P. M. Anderson, Ed.) Gothenburg, Sweden: IEEE Press
R.Targosz, J.Manson (2007). Pan European Power Quality Survey, 9th Conference on Electrical Power Quality and Utilization, European Copper Institute. DOI: 10.1109/EPQU.2007.4424203
An Assessment of Distribution System Power Quality, Volume 2: Statistical Summary, EPRI, Report 1017341
Distribution System Power Quality Assessment: Phase II: Voltage Sag and Interruption Analysis, EPRI, Report 1001678
Power Quality Implications of Distribution Construction, EPRI, Report 1002188
The Cost of Power Disturbances to Industrial and Digital Economy Companies, EPRI, Report 1006274
הערה: אנו שומרים לעצמנו את הזכות לבצע שינויים טכניים או לשנות את התוכן של מסמך זה ללא הודעה מוקדמת. בהתייחס להזמנות רכש, הפרטים המוסכמים יקבלו עדיפות. ABB אינה מקבלת כל אחריות שהיא לשגיאות אפשריות או לחוסר מידע אפשרי במסמך זה. אנו שומרים לעצמנו את כל הזכויות במסמך זה ובנושא והאיורים שכלולים בו. כל שכפול, חשיפה לצדדים שלישיים או שימוש בתכולת המסמך - כולו או חלקיו - אסורים בהחלט ללא קבלת הסכמה מראש ובכתב מאת ABB.
[EF1]בבקשה לשים את המסמך המקורי באתר הישראלי של ABB ולהוסיף הפנייה אליו