מבוא לאפיון מערכות חשמל למבנים

כתב - אילן מורג (2020)

אפיון ( פרוגרמה ) למערכות חשמל במבנים

מערכות החשמל מהוות חלק נכבד באפיון הטכני של המבנים במיוחד במבנים עתירי טכנולוגיה כגון: אולמות מחשב, מרכזי בקרה, מרחבי למידה דיגיטליים, מפעלי תעשייה וכד'. התלות במערכת חשמל יציבה הולכת וגוברת לאורך השנים. תלות זו קשורה באופן הדוק להתפתחות מערכות מחשוב שרגישות לאספקת מתח וכמובן גם לאספקת המתח עבור מערכות המיזוג התומכות את מרכזי התקשורת והמחשוב.

במסמך משנת 2016 הנוגע לביטחון מערכת החשמל של ישראל מופיעה פיסקה מעניינת הממחישה את חשיבות אפיון מערכות החשמל במבנים והרגישות הרבה של המשתמשים למערכות חשמל תקינות;

ניתן להצביע על התלות הגוברת והולכת של המשק הישראלי באספקת חשמל באמצעות מושג כלכלי הקרוי "עלות אי־אספקת חשמל". עלות אי־אספקת החשמל היא המחיר בשקלים לקוט"ש שמוכנים לשלם תמורת אספקת חשמל בעת מחסור בו. ככל שעלות זו גבוהה יותר במשק מסוים, כך גדלה תלותו של משק זה באספקת חשמל רציפה (ברור כי עלות אי־אספקת חשמל בניו יורק או בלונדון גבוהה לאין שיעור מזו של עלות אי־אספקת חשמל ברואנדה). במשך שנים רבות הייתה עלות אי־אספקת חשמל בישראל, הנקבעת בעיקרה על ידי משרד האנרגיה, כ־25 ש"ח לקוט"ש. העלות המעודכנת של אי־אספקת חשמל במשק הישראלי, המבוססת על מחקר שערך משרד האנרגיה ופורסם בשלהי 2011 עמדה על 111 ש"ח לקוט"ש, דבר המלמד על התלות, הגבוהה מאוד של המשק הישראלי באספקת חשמל רציפה. [1]

אפיון מערכות החשמל מתייחס לכמה תחומים:

א. רמות הגיבוי הנדרשות למבנה – זמן הגיבוי, כמה גיבויים נדרשים (שרידות המבנה), מערכות גיבוי לזמן אמת (מערכות אל פסק – UPS), גיבוי גנראטורים וכד'

ב. סוגי חשמל שונים הקיימים במבנה – מתח חילופי "רגיל" – AC - זרם חילופי חד פאזי 230Vac-50hz (או תלת פאזי) הוא הזרם הסטנדרטי שכולנו מכירים מהבית, בחלק מהמבנים במיוחד מבנים עתירי טכנולוגיה עשויים להיות סוגי מתחים אחרים כגון: 48Vdc שהוא מתח ישר (דומה לסוללות באוטו) שמיועד בעיקר למערכות תמסורת נתונים במבני תקשורת ראשיים. מתח 24Vdc מיועד למערכות קשר בעיקר צבאיות אבל נפוץ גם באתרי סלולר ואתרי "בזק" שונים. במבנים ייחודיים אפשר למצוא גם מערכות מתח שונות כגון; מתח 110V 60HZ (המתח המקובל בארה"ב), מתח 110V בתדר 400HZ שמקובל ברכיבים תעופתיים וכד'.

ג. חשמל לפריטים – הגדרת וסיווג צרכני החשמל לפריטים השונים המוגדרים בפרויקט שיש להם צריכה של חשמל, גודל החיבור הנדרש, כמה חשמל הם צורכים, האם נדרש גיבוי למערכת החשמל עבור הפריט (למחשב בד"כ כן למקרר לא) ומקדם הבו-זמניות של השימוש בפריט (על מקדם הבו זמניות בפרקים הבאים).

ד. חלוקת החשמל במבנה - הגדרות של חלוקת החשמל במבנה ומספר שקעים הנדרשים בכל עמדה. הגדרת חלוקת השקעים בין מערכות החשמל השונות (מערכת חשמל A ומערכת חשמל B) וחלוקת השקעים למעגלים בלוחות החשמל למניעת נפילה במקרה של תקלה אחת, לדוגמא: שתי עמדות קריטיות לתפקוד המבנה יקבלו חשמל מלוחות חלוקה שונים.

ה. רכיבי חשמל ייעודים – רכיבי חשמל לא סטנדרטים שמוגדרים עבור המבנה כגון מגירות חלוקה של מתחים בארונות תקשורת, תאורה לאנטנות או סוגי הארקה ייחודיים שנדרש לתכנן במבנה כגון – הארקה מיוחדת לציוד תקשורת.

ו. גידול עתידי למערכות החשמל (יתירות)– המאפיין מגדיר את הדרישה לתכנון הגידול העתידי הצפוי בצריכת האנרגיה של המבנה והאם הוא נדרש לתכנון מידיי או שמירת מקום בלבד להתקנה עתידית של מערכות, לוחות חשמל וקווי חלוקה.

ז. דרישות מיוחדות – דרישות מיוחדות להתקנות חשמל, לדוגמא אזורים נפיצים, מעבדות כימיות וכד' שמצריכות אמצעי הגנה מיוחדות למערכת החשמל, איום EMP (פולס אלקטרוני) על רשת החשמל ממקור טבעי (שמש) או כפעולה עוינת.

רמת הגיבוי הנדרשת למבנה:

הצורך בגיבוי מערכות החשמל במבנים נובע מהדרישה לרצף תפקודי וזמינות המערכות. תקלה יכולה להיגרם מתקלה של אספקת הזרם מחברת החשמל, קצר חשמלי במבנה ש"מפיל" מפסק או לוח, עכברים שמכרסמים כבל או אירוע של פגיעה פיזית במבנה ע"י פיגוע או פגיעת חימוש בשעת מלחמה או אסון טבע כמו הצפה או רעידת אדמה.

הגדרת הרציפות התפקודית של מבנה מוגדרת בשלבים הראשונים של האפיון הראשוני ומסוכמת במסמך עקרונות האפיון ואח"כ במסמך הייזום (האפיון הראשוני) להגדרת הרציפות התפקודית הרבה פרמטרים כגון: שרידות לנפילת חימוש, גיבויים למערכות תקשורת, מיזוג, חשמל וכד'. בפרק הזה נתמקד בהגדרות הרציפות האופייניות למערכות החשמל.

רמות גיבוי שנדרשות למערכות החשמל מוגדרות בדו שיח מול היזם והלקוחות השונים מאחר ויש להן משמעות מצד אחד על תפקוד המבנה בעת תקלה או פגיעה ומצד שני עלות גבוהה הן ברכישה והן בתחזוקה לאורך זמן. עלות מערכות הגיבוי מתבטא בעלות רכישת המערכת, עלות לוחות החשמל שמחוברים למערכת ועלות המקום - שטח הרצפה שמיועד להצבת המערכות ועוד.

השאלות לבחינת השרידות הנדרשת הוא סוג של עץ שאלות שבה תשובה אחת מובילה לשנייה עד לסגירת ההגדרות מול המזמין. חשוב לתת למזמין אופציות שונות להחלטה ומשמעויות לכל החלטה בהיבטי יצירת השרידות המבוקשת והערכת העלויות. כדי לבוא מוכנים לדיון בנושא גיבויי החשמל (והמערכות בכלל) חשוב להכיר היטב את דרכי ההפעלה של המבנה, משמעיות של תקלה במערכת ומה הנזק שעלול להיגרם למשתמשים במבנה מהשבתה של רשת החשמל. חשוב להבין מה עלות ההשבתה לעומת עלות ההשקעה במערכות הגיבוי. לעיתים, ליזם או ללקוח אין דעה מוכנה לרמות השרידות הנדרשות ועל כן קיימת חשיבות רבה להובלת הדיון ע"י המאפיין. אם ללקוח יש איש חשמל כמו מהנדס מתקן או אחראי תחזוקה (בד"כ בארגונים גדולים כמו בתי חולים, שדות תעופה או מפעלים) מומלץ לקיים אתו דיון מקדים ולבוא מגובשים עם דעה מוסכמת לדיון אצל היזם או ההנהלה.

רמות הגיבוי מוגדרות לעיתים בתקן בינ"ל או מקומי או תקן של הארגון המפרט את דרישות הגיבוי הנדרשות לפי הגדרת המבנה. תקן בינ"ל מקובל לנושא הגיבוי במבנים עתירי טכנולוגיה הוא תקן TIA/EIA-942 – המגדיר 4 רמות גיבוי למבנה לחשמל ולמערכות אחרות (מיזוג ותקשורת). התקן מגדיר את רמות 1-4 הנבדלות זו מזו בהגדרת הזמינות הנדרשת למבנה וזמן תיקון תקלה. רמת הזמינות מוגדרת באחוזים, כלומר אחוז השמישות של המערכות במבנה לאורך השנה

  • בשנה 365 ימים, כפול 24 שעות, כפול 60 דקות, סה"כ 525,600 דקות בשנה. אם מכפילם ב 0.00005 (שזה 0.005%) נקבל 26.28 דקות בשנה - 0.4 שעות

זמינות המערכות במבנה ומכאן גם זמינות שירות החשמל נגזרת לעיתים לא רק מתכנון המערכת אלא גם מיכולת התחזוקה וזמינות אנשי התחזוקה לטיפול בתקלות, לדוגמא: אם מתוכנן מבנה על פסגת החרמון אזי גם אם הוא הוגדר בזמינות נמוכה יותר לצרכי גיבוי יידרש לתכנן עבורו מערכות כפולות מכוון שבחורף אנשי האחזקה לא יכולים להגיע לתקן תקלה ועל כן לא תהיה עמידה ביעדי התפקוד של המבנה. השלג הקיצוני שאירע באזור ירושלים בדצמבר 2014 מלמד שגרם אזורים שלמים במרכז הארץ יכולים להיות מנותקים מחשמל לשעות ארוכות ואף למספר ימים וכי ההקצנה במזג האוויר עלולה למצוא את המבנים לא מוכנים וללא מערכות גיבוי מתאימות.

אם הלקוח (היזם) יודע מה הדרישות שלו לאפיון המבנה מבחינת זמינות והוא מגדיר את התקן שבו המאפיין נדרש להשתמש לטובת האפיון, נדרש המאפיין ללמוד את הצרכים של המערכות השונות ולבצע התאמה של הגדרות האפיון עפ"י התקן ולהציג ליזם את אפיון המערכות כולל משמעויות תקציביות. במידה והיזם אינו מגדיר את הדרישה יש להציג ליזם שאלות מנחות ולסכם את הגדרות הגיבוי הנדרשות. השאלות נוגעות לדרישה לשרידות המבנה בתקלה ולסוגי הגיבוי שנדרשים, ועל כך בהמשך.

השאלה המרכזיות שנדרש המאפיין לשאול את המזמין/הלקוח היא לכמה תקלות שיקרו בו זמנית ויגרמו להשבתת המבנה הוא רוצה להתכונן. אם תקלה אחת תשבית את המבנה המשמעות היא שלמעשה אין צורך במערכות גיבוי. לעומת זאת עם המבנה אמור לתפקד באירוע תקלה אחת זה אומר שנדרש מערך גיבוי. בשתי תקלות נדרש מערך גיבוי כפול שגם מתוכנן היטב כך שתקלה בודדת לא תגרום להשבתה (A single point of failure) לאורך כל ציר המערכת (כניסות, לוחות ראשיים, לוחות משניים, הזנת צרכנים). במהלך תהליך בקרת התוכניות ע"י המאפיין יש לבחון את התוכניות לבקש מהמתכנן לבצע הדמיות (סימולציות) ע"מ לאתר את נקודות הכשל. ראוי להכניס למשוואה גם את הסתברות התקלה, לדוגמא; תקלה סבירה יותר בגנראטור מאשר בלוחות החשמל ועל כן לפעמים נגדיר גנראטור נוסף אבל לא לוח נוסף.

האתר CLIMANT CENTRAL האמריקאי מציין במאמר משנת [1]2012 כי הולכות וגוברות תופעות של הפסקות חשמל קיצוניות עקב התחממות הגלובלית והעומס על מערכות החשמל באירועי מז"א קיצוניים. בגרף המצורף למאמר ניתן לראות בברור את עוצמת הבעיה בארה"ב והתעצמות הבעיה לאורך השנים. מערכת החשמל בישראל יציבה יותר (כרגע) אולם גם כאן נשברים שיאי הצריכה שנה אחר שנה עקב עומסי החום בקיץ ואירועי חורף קיצוניים. פגיעת ברק בשנאי עלולה להשבית את המבנה לשעות ואפילו לימים. אירוע הצפה של חדר שנאים עלול לגרום לדלקות והפסקת חשמל לזמן ארוך. בישראל אנחנו חשופים יותר גם לפגיעות ביטחוניות של פגיעה בתשתית החשמל שלעיתים גורמת להשבתה ארוכה לאורך זמן עד שניתן להגיע לטפל בתקלה.


פגיעות מערכות החשמל לאור ההקצנה במז"א

https://assets.climatecentral.org/pdfs/PowerOutages.pdf


כשלב מקדים יש לברר מה זמינות מערכת החשמל באזור המיועד להקמת המבנה. אם האזור סובל מבעיות של נפילות חשמל של רשת חברת החשמל אזי נכון להגדיר גיבוי יותר מקיף. אם רשת החשמל באזור יציבה ניתן אולי לוותר על חלק מדרישות הגיבוי ביחס של התועלת מול העלות. רשת החשמל בארץ יציבה באופן יחסי במרכז הארץ אולם סובלת מבעיות זמינות והפסקות תכופות ככל שמרחיקים לאזורי הפריפריה.

בפרקים הבאים: אפיון גנראטורים, מערכות אל פסק, מערכות כוח במתח נמוך מאד, שקעים וסידור חשמל בחדרים ועוד.

[1] ביטחון מערכת החשמל בישראל. הצעה לאסטרטגיה רבתי. דן וינשטוק ומאיר אלרן. בהשתתפות: אלכס אלטשולר, אהוד גנני, סיניה נתניהו,. איתן פרנס, שי טולדנו, אמיר שטיינר. מארס 2016.