כיצד מגנטיזציה של הליבה גורמת להפעלה שגויה של ממסר

מבוא

מבין מצבי הכשל הגורמים לממסרי הגנה לפעול באופן שגוי במערכות מתח בינוני במפעלים תעשייתיים, השריד המגנטי של הליבה — השטף המגנטי השיורי הנשאר כלוא בליבת הברזל של שנאי הזרם לאחר שהזרם הראשי פסק — הוא התופעה המובנת באופן השגוי ביותר באופן שיטתי, והיא זו שאובחנה באופן שגוי בתדירות הגבוהה ביותר. כאשר מתרחשת במפעל תעשייתי הפעלה שגויה של ממסר הגנה, שאינה ניתנת לקישור לאירוע תקלה ממשי כלשהו, החקירה מתמקדת בדרך כלל בהגדרות הממסר, בחומרת הממסר ובחיווט המעגל המשני. לעיתים נדירות נבדק ליבת ה-CT. עם זאת, בחלק ניכר מהפעלות השווא הבלתי מוסברות — במיוחד אלה המתרחשות במהלך הפעלת שנאי, התנעת מנוע או סגירת מעגל מחדש לאחר תקלה — השטף השיורי של ליבת ה-CT הוא הגורם השורשי, ואף כוונון של הגדרות הממסר לא ימנע את הישנות התופעה עד שזיהוי ותיקון מצב השרידות.

התשובה הישירה היא זו: השרידות המגנטית של ליבת ה-CT גורמת להפעלה שגויה של הממסר, מכיוון שהשטף המגנטי השיורי שנותר בליבת ה-CT לאחר אירוע תקלה או חשיפה לזרם DC, משנה את נקודת הפעולה של הליבה על עקומת המגנטיזציה B-H שלה, וגורמת ל-CT להגיע לרוויה מוקדם יותר ובאופן חמור יותר במהלך המעבר הזמני הבא של ההפעלה — מה שיוצר צורת גל זרם משני מעוותת, הכוללת קיזוז DC גדול ורכיבי הרמוניות, אשר ממסרי הגנה מפני קשת חשמלית וממסרי זרם-יתר מפרשים כסימני זיהוי של זרם תקלה, ומפעילים החלטה על ניתוק במעגל הפועל כרגיל.

מהנדסי הגנה על מתקנים תעשייתיים, צוותי תחזוקה של מערכות מתח בינוני ומומחים למערכות הגנה מפני קשת חשמלית, העוסקים באיתור תקלות בפעולות ממסרים בלתי מוסברות, ימצאו במדריך זה הסבר טכני מקיף על האופן שבו נוצרת שארית מגנטיות בליבה, כיצד היא גורמת להפעלה שגויה של ממסרים, וכיצד לאבחן, לתקן ולמנוע תקלות בהגנה הנגרמות משארית מגנטיות.

תוכן העניינים

• מהו שיורי מגנטיות בליבת CT וכיצד הם נוצרים במערכות מתח בינוני במפעלים תעשייתיים?
• כיצד גורם השריד המגנטי לרוויה ב-CT ולהפעלת מיתוג שגויה?
• כיצד לאבחן אזעקות שווא הנגרמות על ידי שאריות מגנטיות במערכות אבטחה של מפעלים תעשייתיים?
• כיצד לתקן את השרידות המגנטית של ליבת ה-CT ולמנוע את הישנותה במערכות הגנה מפני קשת חשמלית במתח בינוני?
• שאלות נפוצות בנושא שאריות מגנטיות של CT והפעלה שגויה של ממסרים ביישומים במפעלים תעשייתיים

מהו שיורי מגנטיות בליבת CT וכיצד הם נוצרים במערכות מתח בינוני במפעלים תעשייתיים?

ליבת הברזל של שנאי זרם היא חומר פרומגנטי שהתנהגותו המגנטית מתוארת על ידי עקומת המגנטיזציה של b-h¹ — הקשר בין צפיפות השטף המגנטי B בליבה לבין כוח המגנטיזציה H המופעל עליה. עקומת B-H של חומר פרומגנטי אינה מתארת קשר ליניארי פשוט — זוהי לולאת היסטרזיס, כלומר צפיפות השטף בליבה תלויה לא רק בכוח המגנטיזציה הנוכחי, אלא גם בהיסטוריית המגנטיזציה הקודמת.

כאשר כוח המגנטיזציה H יורד לאפס — עם הפסקת הזרם הראשי — צפיפות השטף B אינה חוזרת לאפס. היא נשארת בערך שיורי המכונה צפיפות השטף השיורי Br, שיכולה להגיע עד 70–80% מצפיפות השטף הרוויה Bsat עבור פלדת הסיליקון בעלת התבנית הגרגרית המשמשת בליבות CT. שטף שיורי זה — השריד — נעול במבנה התחום המגנטי של הליבה ונשאר שם ללא הגבלת זמן עד שהוא מוסר בכוונה באמצעות דמגנטיזציה או נמחק על ידי כוח מגנטי מנוגד חזק מספיק.

מנגנוני התפתחות של שאריות מגנטיות במערכות מתח בינוני במפעלים תעשייתיים

מערכות מתח בינוני במפעלים תעשייתיים חושפות את ליבות ה-CT לתנאים המייצרים שאריות מגנטיות בתדירות גבוהה בהרבה מאשר במערכות חלוקה קונבנציונליות — שכן השילוב בין עומסי מנועים גדולים, תקלות תכופות והפעלת מערכות הגנה מפני קשת חשמלית יוצר רצף של תנאי זרם המובילים באופן שיטתי את ליבות ה-CT למצבי שאריות מגנטיות גבוהות.

מנגנון 1: קיזוז זרם תקלה א-סימטרי בזרם ישר

מקור השארית המשמעותי ביותר במתקני CT במפעלים תעשייתיים. כאשר מתרחשת תקלה במערכת מתח בינוני, זרם התקלה מכיל מרכיב קיזוז זרם ישר, שגודלו תלוי בנקודת הגל שבה מתחילה התקלה ובמערכת יחס x/r²:

$i_{fault}(t) = I_{peak} \times \left[\sin(\omega t + \phi) – \sin(\phi) \times e^{-t/\tau}\right]$

איפה $\phi$ זוהי זווית תחילת התקלה, ו-$$\tau = L/R$$ הוא קבוע הזמן של זרם ישר. במערכות מתח בינוני במפעלים תעשייתיים עם יחסי X/R של 15–30, קבוע הזמן של זרם ישר הוא 48–95 מילי-שניות — כלומר, מרכיב הסטייה של זרם הישר נמשך במשך 5–10 מחזורי תדר חשמל לפני שהוא דועך לרמות זניחות.

רכיב הזרם הישר של זרם התקלה דוחף את נקודת הפעולה של ליבת ה-CT בהדרגה לכיוון הרוויה בכיוון אחד על עקומת B-H. כאשר התקלה מוסרת על ידי ממסר ההגנה — בדרך כלל תוך 60–200 מילי-שניות — השטף המונע על ידי זרם ישר נשאר בליבה כשיורי מגנטיות. עוצמת השטף השיורי תלויה בעוצמת הסטה של זרם הישר ובזמן הסרת התקלה:

$B_{remanent} ≈ B_{sat} × (1 – e^(-t_{clearing} / τ_{core})) × sin(φ)$

עבור זווית התחלת תקלה במקרה הגרוע ביותר ($\phi$ = 90°) עם זמן התפוגה של 100 מילי-שניות, השטף השיורי יכול להגיע ל-60–75% של Bsat.

מנגנון 2: זרם הפעלה של ממסר הגנה בזרם ישר

ממסרי הגנה מפני קשת חשמלית וכמה ממסרי זרם-יתר משתמשים בזרם זרם ישר בסליל ההפעלה כדי להפעיל את מנגנוני ההפעלה של מפסקי הזרם. כאשר זרם סליל ההפעלה עובר במעגל המשני של שנאי הזרם — דבר שעלול להתרחש באמצעות צימוד אינדוקטיבי או דרך חיבורי הארקה משותפים בחלק מתצורות החיווט במפעלים תעשייתיים — הוא מפעיל כוח מגנטי של זרם ישר על ליבת שנאי הזרם, המביא אותה למצב שיורי שאינו תלוי במצב הזרם הראשי.

מנגנון 3: זרם התנעה של שנאי

כאשר מחברים מתח לשנאי מתח בינוני, זרם ההפעלה מכיל מרכיב קיזוז זרם ישר (DC) משמעותי, שיכול להימשך בין 0.5 ל-2 שניות — זמן ארוך בהרבה מזה של קיזוז זרם ישר בזרם תקלה. במקרה של שנאי זרם המותקנים על הזין הראשי של השנאי, חשיפה ממושכת זו לזרם ישר מביאה את הליבה לרמות של שאריות מגנטיות הקרובות לרוויה. אם לאחר מכן מנותק השנאי מהחשמל ומופעל מחדש — תופעה שכיחה במהלך הפעלה ותחזוקה של מפעלים תעשייתיים — הליבה של שנאי הזרם צוברת שאריות מגנטיות מכל אירוע של הפעלה.

מנגנון 4: בדיקת מעגלים משניים באמצעות מקורות זרם ישר

בבדיקת התנגדות הבידוד של מעגלי המשנה של שנאי זרם (CT) באמצעות מגאו-אוהם של 500 וולט או 1,000 וולט זרם ישר, מוחל מתח זרם ישר על סלילת המשנה של השנאי. אם סלילת המשנה אינה קצרה במהלך בדיקת התנגדות הבידוד — טעות נפוצה בבדיקה — מתח הבדיקה של זרם ישר מוליך זרם מגנטי דרך ליבת השנאי, ומותיר מצב של שטף מגנטי שיורי שעלול שלא להיות מזוהה כתופעת לוואי של הבדיקה.

פרמטרים טכניים עיקריים המגדירים את השרידות המגנטית של ליבת ה-CT:

פרמטר	הגדרה	ערך אופייני	השפעה על הביצועים
צפיפות השטף השיורי (Br)	הערך השיורי של B כאשר H = 0	0.8–1.4 T (60–80% של Bsat)	מזיז את נקודת הפעולה לכיוון הרוויה
צפיפות השטף ברוויה (Bsat)	B מקסימלי ב-H גבוה	1.8–2.0 T עבור פלדת סיליקון	מגדיר את סף תחילת הרוויה
כוח כופה (Hc)	H נדרש כדי להפחית את B לאפס	10–50 אמפר למטר עבור פלדת ליבת CT	קובע את זרם השחרור המגנטי הנדרש
קבוע הזמן של זרם ישר (τ)	שמאל/ימין במעגל זרם התקלה	20–100 מילי-שניות עבור מערכות MV	קובע את משך הזמן שבו נשמר קיזוז ה-DC
מקדם השרידות (Kr)	Br/Bsat	0.6–0.8 עבור ליבות CT סטנדרטיות	IEC 61869-23 מגדיר ש-Kr ≤ 0.1 עבור ליבות מסוג PR
התקן הרלוונטי	IEC 61869-2, סוג PR	מפרט ליבה עם הגנה מפני שאריות מגנטיות	Kr ≤ 0.1 הושג באמצעות מרווח אוויר בליבה

כיצד גורם השריד המגנטי לרוויה ב-CT ולהפעלת מיתוג שגויה?

התהליך המוביל ממצב של שאריות מגנטיות בליבה להפעלת שווא של ממסר כרוך ברצף ספציפי של אירועים אלקטרומגנטיים המתרחשים במהלך המחזורים הראשונים של זרימת הזרם הראשי לאחר שהתבסס מצב השאריות — בדרך כלל בעת הפעלת שנאי, התנעת מנוע או סגירת מעגל מחדש לאחר תיקון תקלה.

רצף המעבר ממצב של שאריות רוויה למצב של רוויה

שלב 1: השטף השיורי קובע נקודת פעולה משונה

לאחר אירוע תקלה, ליבת ה-CT שומרת על שטף שיורי Br. בעקומת B-H, נקודת הפעולה של הליבה נמצאת בנקודה (H=0, B=Br) — המוזזת מהנקודה הראשית בשל השטף השיורי. טווח השטף הזמין לפני הרוויה הוא כעת:

$\Delta B_{זמין} = B_{רווי} – B_{שיורי}$

במקרה של ליבה עם Bsat = 1.9 T ו-Bremanent = 1.3 T (68% מ-Bsat), טווח השינוי הזמין של השטף הוא 0.6 T בלבד — לעומת 1.9 T בליבה שעברה דה-מגנטיזציה מלאה. יכולתו של ה-CT לשחזר את הזרם הראשוני במדויק היא פרופורציונלית לתנודת השטף הזמינה — ליבה עם 68% של שאריות מגנטיות (remanence) כוללת רק 32% מקיבולת השטף הרגילה שלה הזמינה לשחזור מדויק של הזרם.

שלב 2: זרם ההפעלה הזמני מביא את הליבה לרוויה

כאשר המעגל מחובר מחדש לחשמל — הפעלת שנאי, התנעת מנוע או סגירה מחדש לאחר תיקון תקלה — הזרם הראשי מכיל מרכיב א-סימטרי עם קיזוז זרם ישר. קיזוז הזרם הישר מניע את השטף בליבה באותו כיוון כמו השרידות המגנטית (במקרה הגרוע ביותר, כאשר קוטביות השרידות המגנטית תואמת את כיוון קיזוז הזרם הישר). הליבה מגיעה לרוויה כבר לאחר חלק קטן מהחצי-מחזור הראשון:

$t_{רוויה} = \frac{B_{רוויה} – B_{שיורי}}{dB/dt_{רגיל}}$

בגרעין בעל שאריות מגנטיות של 68%, הרוויה מתרחשת כ-3 פעמים מוקדם יותר מאשר בגרעין שעבר דה-מגנטיזציה מלאה — ייתכן שאפילו ברבע הראשון של מחזור ההפעלה הזמני.

שלב 3: CT רווי מייצר צורת גל משנית מעוותת

כאשר ליבת ה-CT מגיעה לרוויה, ההשראות המגנטית קורסת — הליבה כבר אינה מסוגלת לתמוך בשטף מגנטי הולך וגדל, והזרם הראשוני אינו מועבר עוד לסליל המשני. במקום זאת, הזרם המשני צונח בפתאומיות לכיוון האפס בעוד הזרם הראשוני ממשיך לזרום. צורת הגל המשנית הופכת מעוותת קשות — והיא כוללת פסגות גבוהות בחלקים הלא רוויים של כל מחזור וזרם הקרוב לאפס בחלקים הרוויים.

צורת הגל המשנית המעוותת כוללת:

• רכיב DC גדול: על פי דפוס הרוויה הא-סימטרי — ה-CT מגיע לרוויה חמורה יותר במחצית מחזור אחת מאשר בשנייה
• תוכן הרמוני אי-זוגי גבוה: הרמוניות 3, 5 ו-7 של צורת הגל המקוצצת
• תנודות זרם גבוהות (di/dt): מעברים מהירים בזרם בגבולות שבין אזורים רוויים לאזורים לא רוויים

שלב 4: זרם משני מעוות גורם להפעלה שגויה של הממסר

צורת הגל המעוותת של הזרם המשני מוצגת לממסר ההגנה כזרם הראשי הנמדד. תגובת הממסר תלויה באלגוריתם המדידה שלו:

• ממסר הגנה מפני קשת חשמלית (זיהוי אור + זרם): ממסרי הגנה מפני קשת חשמלית משתמשים במדידת זרם מיידית — הם מגיבים לשיא של צורת הגל של הזרם המשני. שיאי המשרעת הגבוהים בצורת הגל המשנית המעוותת של שנאי הזרם (CT) במהלך החלקים הלא רוויים של כל מחזור עלולים לחרוג מסף הזרם של ממסר ההגנה מפני קשת חשמלית, ולגרום להפעלת הממסר גם אם לא קיימת תקלת קשת חשמלית
• ממסר זרם-יתר מיידי (50 אלמנטים): מגיב לזרם השיא המשני — שיאי צורת הגל המעוותת עלולים לחרוג מסף ההפעלה המיידי, ולגרום להפעלה שגויה של הממסר
• ממסר זרם-זמן (51 אלמנטים): מגיב לזרם RMS — לצורת הגל המעוותת יש ערך RMS גבוה שעשוי לחרוג מסף ההפעלה ולהפעיל את מנגנון הזמן לקראת ניתוק מושהה
• ממסר דיפרנציאלי (87 אלמנטים): ממסר דיפרנציאלי משווה בין הזרמים המשניים המגיעים ממדי זרם (CT) משני צדי הציוד המוגן; אם רק מדי זרם אחד מושפע משרידות מגנטית, הזרם הדיפרנציאלי בזמן ההפעלה מכיל מרכיב משמעותי הנובע מא-סימטריית הרוויה הנגרמת על ידי השרידות המגנטית, אשר עלול לחרוג מסף ההפעלה של הממסר הדיפרנציאלי

הקשר המתמטי בין השטף השיורי לבין ההסתברות להפעלה כוזבת:

$P_{false,trip} \propto \frac{B_{remanent}}{B_{sat} – B_{remanent}} \times \frac{I_{DC,offset}}{I_{rated}} \times \frac{1}{t_{relay,pickup} \times f}$

קשר זה מראה כי הסבירות להפעלה שגויה עולה עם עליית רמת השרידות המגנטית, עם עליית עוצמת הסטה הזרם הישר ועם עליית מהירות הממסר — דבר המסביר מדוע ממסרי הגנה מפני קשת חשמלית (זמן הפעולה המהיר ביותר: 5–10 מילי-שניות) הם הפגיעים ביותר להפעלה שגויה הנגרמת על ידי שרידות מגנטית.

מקרה לקוח — תחנת משנה למפעל תעשייתי ב-11 קילוואט, ייצור רכב, מרכז אירופה:
מהנדס הגנה במפעל לייצור רכב פנה לחברת Bepto Electric לאחר שחווה שבעה מקרים של הפעלה בלתי מוסברת של ממסר הגנה מפני קשת חשמלית במהלך תקופה של 14 חודשים — כולם התרחשו בתוך 100 המילי-שניות הראשונות לאחר הפעלת שנאי בהספק 2 MVA, המזין את מערכת האוורור של מפעל הצביעה. כל הפעלה שגויה גרמה להפסקת פעילות פס הייצור, בעלות של כ-45,000 אירו לכל אירוע. ניתוח אוסצילוגרפי לאחר האירוע מממסר הגנת הקשת הראה כי הממסר זיהה הן אור (מפריקת קורונה על תותב השנאי במהלך ההפעלה) והן זרם יתר — אלמנט זרם היתר פעל על צורת גל זרם משני מעוות עם שיאים בגובה 3.2× סף הזרם של הממסר. בדיקת עקומת ההפעלה של ה-CT גילתה כי לשלושת ה-CT במזין הראשי של השנאי היו רמות שטף שיורי של 71%, 68% ו-74% של Bsat בהתאמה — שהצטברו מששת אירועי התקלה הקודמים במזין בשלוש השנים הקודמות. דה-מגנטיזציה של שלושת ה-CT הפחיתה את השריד למטה מ-5% של Bsat. ב-18 החודשים שלאחר הדה-מגנטיזציה, לא התרחשו כלל הפעלות שווא של הגנת הקשת במזין השנאי. מהנדס ההגנה ציין: “שבעה אירועי כשל כוזבים, שבעה הפסקות ייצור והפסד כולל של למעלה מ-300,000 אירו — כל זאת כתוצאה ממגנטיות שיורית בשלושה ליבות של שנאי זרם (CT), שנדרשו ארבע שעות כדי לבטל את המגנטיות שלהן. ממסר ההגנה מפני קשת חשמלית פעל בדיוק כפי שתוכנן. שנאי הזרם סיפק לו מידע כוזב.”

כיצד לאבחן אזעקות שווא הנגרמות על ידי שאריות מגנטיות במערכות אבטחה של מפעלים תעשייתיים?

הפעלה שגויה הנגרמת על ידי שאריות מגנטיות יוצרת חתימה אבחנתית אופיינית המבדילה אותה מגורמים אחרים להפעלה שגויה — טעויות בהגדרות הממסר, תקלות במעגל המשני ואירועי תקלה אמיתיים. מתודולוגיית האבחון פועלת על פי רצף מובנה, המתקדם מניתוח האירוע, דרך בדיקת ה-CT ועד לאישור.

שלב 1: ניתוח רישום אירוע ההפעלה השגויה

תיעוד אירועי ממסר ההגנה ותיעוד האוסילוסקופ מספקים את הראיות האבחנתיות הראשוניות:

• קורלציה בזמן: ניתוקים כוזבים הנגרמים על ידי שאריות מגנטיות מתרחשים במהלך 1–5 המחזורים הראשונים של זרימת הזרם הראשי — בעת הפעלת השנאי, התנעת המנוע או סגירה חוזרת. ניתוק כוזב המתרחש יותר מ-200 מילי-שניות לאחר הפעלת המעגל אינו צפוי להיגרם על ידי שאריות מגנטיות
• צורת גל הזרם המשני: רוויה הנגרמת על ידי שאריות מגנטיות יוצרת צורת גל א-סימטרית אופיינית — פסגות גבוהות במחצית מחזור אחת, וצורת גל מדוכאת או חתוכה במחצית המחזור השנייה. צורת גל מעוותת וסימטרית מצביעה על סיבה אחרת
• רכיב זרם ישר בזרם המשני: רוויה הנגרמת על ידי שאריות מגנטיות מייצרת רכיב זרם ישר משמעותי בצורת הגל של הזרם המשני — הנראה בתצוגת האוסצילוסקופ כצורת גל שאינה חוצה את נקודת האפס באופן סימטרי
• הקשר לאירועי תקלה קודמים: יש לעיין בהיסטוריית האירועים של ממסר ההגנה ב-6–12 החודשים שקדמו להפעלה השגויה — השפעות שיוריות מצטברות מאירועי תקלה; הפעלה שגויה המתרחשת לאחר תקופה של תדירות תקלות מוגברת עולה בקנה אחד עם ההנחה כי השפעות שיוריות הן הגורם לכך

שלב 2: ביצוע בדיקת עקומת העירור של CT

בדיקת עקומת ההפעלה היא האבחנה המוחלטת ל"שימור מגנטי" של ליבת ה-CT:

1. יש לנתק את זרם החשמל מה-CT ולבודד אותו: בדיקת עקומת ההפעלה מחייבת ניתוק זרם החשמל מה-CT ופירוק המעגל הראשי
2. הפעל מתח זרם חילופין על הסלילה המשנית: הגדל את מתח הזרם החילופין מאפס ל- מתח בנקודת הברך⁴ תוך כדי מדידת זרם המגנטיזציה; צייר גרף של B (הפרופורציונלי למתח המופעל) כפונקציה של H (הפרופורציונלי לזרם המגנטיזציה)
3. השוואה לתעודת הבדיקה של היצרן: CT המושפע משרידות מגנטית מציג עקומת עירור משונה — נקודת ה"ברך" מתרחשת במתח נמוך יותר מהערך המופיע בתעודת היצרן, וזרם המגנטיזציה בנקודת ה"ברך" גבוה מהערך של היצרן
4. חישוב רמת השרידות: השינוי במתח בנקודת ה"ברך" של עקומת ההפעלה ביחס לערך המפעל מספק אומדן לרמת השטף השרידי:

$B_{remanent} ≈ B_{sat} × (1 – \frac{V_{knee,measured}}{V_{knee,factory})$

שלב 3: אימות באמצעות מדידת השטף בזרם ישר

לצורך מדידה מדויקת של השארית המגנטית, שיטת השטף הישר מספקת מדידה ישירה של צפיפות השטף השארית:

1. יש להפעיל פולס זרם ישר ידוע על הסלילה המשנית בכיוון שיביא את הליבה לרוויה חיובית
2. מדוד את השינוי בשטף ממצב השארית ועד לרוויה באמצעות מד שטף (מדידת וולט-שניות)
3. חזור על התהליך בכיוון השלילי כדי למדוד את שינוי השטף ממצב שיורי לרוויה שלילית
4. חישוב השארית: חוסר הסימטריה בין השינויים בשטף החיובי לשלילי מכמת באופן ישיר את השטף השיורי:

$B_{remanent} = \frac{(\Delta\Phi_{positive} – \Delta\Phi_{negative})}{2 \times A_{core}}$

איפה $A_{core}$ הוא שטח החתך של ליבת ה-CT המופיע בתעודת הבדיקה של היצרן.

מטריצת החלטות לאבחון

תצפית	מחוון שימור מגנטי	סיבה חלופית
הפעלה שגויה בתוך שלושת המחזורים הראשונים של ההפעלה	אינדיקטור חזק	—
צורת גל משנית א-סימטרית עם רכיב זרם ישר	אינדיקטור חזק	רוויה של CT עקב זרם יתר
הפעלה כוזבת לאחר היסטוריית תקלות קודמות	אינדיקטור חזק	—
נקודת הברך של עקומת ההפעלה המוזזת	אושר	נזק ליבה (אם השינוי גדול מ-20%)
הפעלה כוזבת בכל עת, צורת גל סימטרית	אינדיקטור חלש	הגדרת ממסר, תקלה במעגל המשני
הפעלה שגויה ללא היסטוריית תקלות קודמת	אינדיקטור חלש	חומרת ממסר, שגיאת הגדרה
הממסר פועל על בסיס זיהוי אור בלבד (ממסר קשת)	לא שימור מגנטי	קורונה חיצונית, הבזק קשת

כיצד לתקן את השרידות המגנטית של ליבת ה-CT ולמנוע את הישנותה במערכות הגנה מפני קשת חשמלית במתח בינוני?

נוהל ביטול המגנטיות של ליבת ה-CT

ביטול המגנטיות של ליבת ה-CT — הסרה מבוקרת של השטף השיורי באמצעות העברת הליבה בסבבים של לולאות היסטרזיס שהולכות ונהיות קטנות יותר, עד שנקודת הפעולה חוזרת לנקודת המוצא של עקומת B-H — היא התיקון המוחלט לבעיות של הפעלה שגויה הנגרמות על ידי שיורי מגנטיות. ההליך מחייב ניתוק ה-CT מהחשמל ובידודו, אך אינו מצריך הוצאתו מהמתקן.

שיטת הפחתת מתח זרם חילופין (מומלצת):

1. חבר שנאי אוטומטי משתנה לסליל המשני של שנאי הזרם, כאשר המעגל הראשי מנותק; חבר נגן הגבלת זרם בטור כדי למנוע זרם מגנטי מוגזם
2. הגבר את מתח ה-AC ל-120% של מתח נקודת הברך של ה-CT — פעולה זו מביאה את הליבה לרוויה בשני הכיוונים בכל מחזור, ויוצרת לולאת היסטרזיס סימטרית גדולה המחליפה את השטף השיורי
3. הפחיתו את מתח ה-AC בהדרגה עד לאפס בקצב של כ-5% לשנייה — פעולה זו מצמצמת בהדרגה את גודל לולאת ההיסטרזיס תוך שמירה על סימטריה, ומחזירה את נקודת הפעולה לנקודת המוצא של עקומת B-H
4. יש לוודא את ביטול המגנטיות: יש לחזור על בדיקת עקומת ההפעלה — מתח נקודת הברך צריך להתאים לערך המופיע בתעודת הבדיקה של היצרן בטווח של ±5%; זרם המגנטיזציה בנקודת הברך צריך להתאים לערך של היצרן בטווח של ±10%
5. יש לתעד את תהליך הסרת המגנטיות: יש לרשום את עקומת ההפעלה שלפני הסרת המגנטיות, את הפרמטרים של תהליך הסרת המגנטיות ואת עקומת ההפעלה שלאחר הסרת המגנטיות בתיק התחזוקה של ה-CT

שיטת היפוך זרם ישר (חלופה):

במקרים שבהם קשה לספק מתח זרם חילופין לסליל המשני, בשיטת היפוך זרם הישר מוחלים פולסים סדרתיים של זרם ישר בעלי קוטביות מתחלפת ועוצמה הולכת ופוחתת — ובכך מושגת אותה הפחתה הדרגתית של לולאת ההיסטרזיס כמו בשיטת מתח זרם החילופין.

מניעה: הגדרת ליבות CT המוגנות מפני שאריות מגנטיות

בהתקנות CT חדשות ביישומים של הגנה מפני קשת חשמלית במפעלים תעשייתיים, שבהם קיים סיכון ידוע להפעלה שגויה הנגרמת על ידי שאריות מגנטיות, יש לציין ליבות מסוג PR (Remanence Protected) בהתאם לתקן IEC 61869-2:

• הגדרת PR לפי תקן: מקדם השארית Kr = Br/Bsat ≤ 0.10 — שטף שארית מרבי של 10% לאחר כל היסטוריית מגנטיזציה
• כיצד זה מתבצע: נוצר מרווח אוויר קטן במעגל המגנטי של ליבת ה-CT; מרווח האוויר אוגר אנרגיה המאלצת את השטף לחזור לערך אפס עם הסרת כוח המגנטיזציה, ובכך מגביל את השרידות המגנטית לערך של ≤10% של Bsat
• הפשרה: מרווח האוויר מקטין את השראות המגנטיזציה של ה-CT, מה שמגדיל את זרם המגנטיזציה ומפחית מעט את הדיוק בזרמים ראשוניים נמוכים; ליבות מסוג PR מיועדות בדרך כלל ליישומי הגנה בלבד, ולא למדידת צריכה
• יישום: מפרט חובה לכל ליבות ה-CT המחוברות לממסרי הגנה מפני קשת חשמלית במערכות מתח בינוני במפעלים תעשייתיים, שבהן יחס X/R עולה על 10

אמצעי מניעה ברמת המערכת

מעבר למפרט הליבה של CT, אמצעים ברמת המערכת מפחיתים את קצב הצטברות השרידות המגנטית במערכות הגנה מפני קשת חשמלית במתח בינוני במפעלים תעשייתיים:

• קיצור זמן פינוי התקלה: פעולה מהירה יותר של מנגנון ההגנה מקצרת את משך החשיפה להפרש זרם ישר בכל אירוע תקלה, ובכך מפחיתה את הצטברות השרידות המגנטית בכל אירוע; יש לשאוף לזמן פינוי תקלה הנמוך מ-80 מילי-שניות ביישומים של הגנה מפני קשת חשמלית
• ליישם מיתוג נקודה-על-גל⁵ להפעלת השנאי: מיתוג מבוקר המפעיל את השנאי בנקודת מעבר האפס של המתח ממזער את הסטיית הזרם הישר בזרם ההתנעה, ובכך מפחית את הצטברות השרידות המגנטית בכל אירוע הפעלה
• יש לתזמן פעולת פירוק מגנטי תקופתית של שנאי זרם (CT): עבור מתקנים קיימים עם ליבות CT סטנדרטיות (Kr = 0.6–0.8), יש לתזמן פעולת פירוק מגנטי אחת לשלוש שנים או לאחר כל אירוע תקלה שבו הזרם הראשי עלה על 50% מהזרם המדורג לזמן קצר — המוקדם מבין השניים
• יש להפריד בין ליבות CT להגנה מפני קשת חשמלית לבין ליבות CT למדידה: יש להשתמש בליבות CT ייעודיות למדידת הזרם בממסר להגנה מפני קשת חשמלית — ליבות שניתן לבטל את המגנטיות שלהן מבלי לפגוע בדיוק מדידת הצריכה

טעויות נפוצות בניהול שאריות מגנטיות

• ביטול מגנטיות רק של הממיר הזרם (CT) שזוהה כבעל השפעת שיארית: במערכת תלת-פאזית, כל שלושת ממירים הזרם נחשפים לאותו היסטוריית זרמי תקלה; אם בממיר זרם אחד קיימת שיארית משמעותית, יש לבדוק ולבצע ביטול מגנטיות לשלושתם כמערכת אחת
• ביצוע בדיקת דיוק היחס לפני ביטול המגנטיות: תוצאות בדיקת דיוק היחס במד זרם-מתח (CT) המושפע משרידי מגנטיות אינן משקפות את ביצועי דרגת הדיוק האמיתיים של המד; יש לבצע תמיד ביטול מגנטיות לפני בדיקת היחס
• הגדרת ליבות מסוג PR ליישומי מדידת צריכה: מרווח האוויר המגביל את השרידות המגנטית בליבות מסוג PR מגביר את זרם המגנטיזציה ופוגע בדיוק במדידה בזרמים ראשוניים נמוכים; סוג PR הוא מפרט של ליבות הגנה — מדידת צריכה דורשת ליבות סטנדרטיות מסוג 0.2S או 0.5 ללא מרווח אוויר
• התאמת הגדרות ממסר ההגנה מפני קשת חשמלית כדי למנוע הפעלות שווא מבלי לטפל בשרידי השדה של שנאי הזרם: העלאת סף הזרם של ממסר ההגנה מפני קשת חשמלית כדי למנוע הפעלות שווא הנגרמות משרידי השדה, מפחיתה את רגישות הממסר לתקלות קשת חשמלית אמיתיות בעלות זרם נמוך — ובכך מחליפה מניעת הפעלות שווא בכישלון בזיהוי תקלות אמיתיות

סיכום

השיארות המגנטית של ליבת ה-CT היא המשתנה הנסתר באמינות מערכות ההגנה במתח בינוני במפעלים תעשייתיים — היא אינה נראית בבדיקת לוחית הזיהוי, אינה נראית בבדיקות ההפעלה הסטנדרטיות ואינה נראית בחישובי כיול הממסרים, אך היא מסוגלת בהחלט לגרום לממסרי הגנת קשת ולממסרי זרם-יתר לפעול על בסיס צורות גל משניות מעוותות של הזרם, שאינן קשורות כלל לזרם הראשוני בפועל במהלך המחזורים הראשונים הקריטיים של הפעלת המעגל. המנגנון מובן היטב, מתודולוגיית האבחון פשוטה, והתיקון — דה-מגנטיזציה של ליבת ה-CT — הוא פעולת תחזוקה בת ארבע שעות שמבטלת את תופעת השרידות לחלוטין. במערכות הגנה מפני קשת חשמלית במתח בינוני במפעלים תעשייתיים, שבהן הפעלה שגויה עולה עשרות אלפי אירו באובדן ייצור ותקלה אמיתית בקשת חשמלית שלא אובחנה עולה בחיי אדם, הערכת השרידות המגנטית של ליבת ה-CT ודה-מגנטיזציה אינן פעולות תחזוקה אופציונליות — הן מהוות את הבסיס ההנדסי של מערכת הגנה שניתן לסמוך עליה שתפעל נכון, ורק נכון, כאשר זה חשוב ביותר.

שאלות נפוצות בנושא שאריות מגנטיות בליבת ה-CT והפעלת שווא של ממסר

1. מציג עקרונות בסיסיים בפיזיקה המסבירים כיצד חומרים פרומגנטיים מגיבים לשדות מגנטיים המופעלים עליהם ושומרים על שטף שיורי. ↩

2. מסביר את הקשר בין הריאקטיביות של המערכת לבין ההתנגדות בקביעת עוצמתו ומשך הזמן של הסטה בזרם ישר בעת תקלות חשמל. ↩

3. מפנה את הקוראים לתקן הבינלאומי המפרט את דרישות הביצועים ופרוטוקולי הבדיקה עבור שנאי זרם בדרגת הגנה. ↩

4. מציג הגדרות טכניות ושיטות חישוב עבור סף המתח הקריטי שבו מתחיל הרוויה של ליבת שנאי הזרם. ↩

5. מפרט את היתרונות הטכנולוגיים והתפעוליים של סנכרון פעולת מפסק החשמל עם נקודות האפס של המתח, כדי למזער את זרמי ההתחלה הזמניים. ↩