איך בוחרים שטח חתך לכבל חשמל?

מדריך מקצועי לבחירת חתך לפי זרם, כושר העמסה ותנאי ההתקנה

בחירת שטח חתך לכבל אינה מתבצעת לפי זרם העבודה בלבד. שטח החתך המתאים נקבע בהתאם לנתוני המעגל ולתנאי ההתקנה ובהם חומר מוליך, סוג בידוד, שיטת ההתקנה, טמפרטורת הסביבה, קיבוץ כבלים וגורמים נוספים המשפיעים על כושר ההעמסה.

בנוסף לכושר ההעמסה יש לבדוק את התאמת ההגנה ואת נפילת המתח ובמקרים רלוונטיים גם דרישות נוספות הנובעות מאופי המתקן והיישום.

במדריך זה נפרט את השלבים והשיקולים המרכזיים בבחירת שטח חתך לכבל ונראה מדוע אותו שטח חתך אינו בהכרח מתאים לאותו זרם בתנאי התקנה שונים.

האם אפשר לבחור שטח חתך לכבל לפי הזרם בלבד?

לא. ידיעת זרם העבודה היא נקודת התחלה טובה אך היא אינה מספיקה לבחירת שטח החתך. כושר ההעמסה של המוליך מושפע בין היתר מחומר המוליך, סוג הבידוד, שיטת ההתקנה ותנאי הסביבה שבהם הוא מותקן.

לדוגמא שני כבלים בעלי אותו שטח חתך עשויים להיות בעלי כושר העמסה שונה כאשר אחד מותקן בתנאים המאפשרים פיזור חום יעיל יותר מהשני.

לכן לשאלה "איזה שטח חתך מתאים לזרם מסוים?" אין תשובה שניתן לקבוע על סמך הזרם בלבד. לצורך בחירת החתך יש לבחון גם את נתוני המעגל, סוג המוליך והבידוד, שיטת ההתקנה ותנאי ההתקנה הרלוונטיים.

אילו נתונים צריך לדעת לפני שבוחרים שטח חתך לכבל?

לפני שקובעים את שטח החתך, יש להגדיר את נתוני המעגל ואת תנאי ההתקנה בפועל. נתונים אלה משמשים לקביעת כושר ההעמסה המתאים לבחירת מקדמי התיקון הרלוונטיים ולבדיקות הנדרשות לצורך בחירת החתך.

הנתונים המרכזיים שיש לבחון

זרם העבודה של המעגל :(Ib) זרם העברה הממושך המרבי שעבורו תוכנן המעגל. נקודת מוצא לבחירת שטח החתך.

חומר מוליך: יש לזהות אם מדובר מוליך נחושת או אלומיניום. חומר המוליך משפיע על כושר ההעמסה ועל בחירת שטח החתך הנדרש.

סוג הבידוד: סוג הבידוד וטמפרטורת העבודה המותרת שלו משפיעים על כושר ההעמסה של המוליך, לכן יש להביא אותם בחשבון בבחירת שטח החתך .

שיטת ההתקנה: יש לזהות כיצד הכבל או המוליך מותקנים מכיוון ששיטת ההתקנה משפיעה על יכולת פיזור החום ועל כושר ההעמסה.

טמפרטורת הסביבה: טמפרטורת האוויר או הקרקע שבה מותקן הכבל עשויה להשפיע על יכולת פיזור החום ועל כושר ההעמסה שלו.

קיבוץ כבלים או מעגלים: כאשר מספר כבלים או מעגלים מועמסים מותקנים בסמיכות החום הנוצר בהם משפיע על פיזור החום. יש להביא בחשבון את מקדמי התיקון הרלוונטיים בהתאם לתנאי ההתקנה.

תנאי התקנה בקרקע: כאשר הכבל מותקן בקרקע יש להביא בחשבון את התנאים המשפיעים על פיזור החום. טמפרטורת הקרקע, התנגדות התרמית של הקרקע, אופן הנחת הכבלים והמרווחים ביניהם.

אורך המעגל ונפילת מתח: אורך המעגל הוא אחד הגורמים המשפיעים על נפילת המתח. לכן גם כאשר שטח החתך מתאים מבחינת כושר ההעמסה, יש לבדוק את נפילת המתח ולוודא שהחתך מתאים גם מבחינה זו.

אמצעי ההגנה של המעגל: יש לבדוק את התיאום בין זרם העבודה, כושר ההעמסה של המוליך וזרם המבטח כך שהמוליך יהיה מוגן מפני זרם יתר.

לאחר שהנתונים האלה ידועים ניתן להתחיל בבחירת שטח החתך. נקודת המוצא היא זרם העבודה של המעגל  (Ib)שממנו מתקדמים לבחינת כושר ההעמסה ותנאי ההתקנה, מקדמי התיקון והתאמת אמצעי ההגנה.

מה ההבדל בין In, Ib, Iz, I’z?

בבחירת שטח חתך ובהתאמת ההגנה למוליך משתמשים במספר ערכי זרם, שלכל אחד מהם משמעות שונה. ההבחנה ביניהם חשובה כדי להבין כיצד עוברים מדרישות המעגל לכושר ההעמסה הנדרש מהמוליך.

קשורים זה לזה?  Ib, Iz, I’z, In איך

הערכים Ib, Iz, I'z וIn  משמשים לבדיקת ההתאמה בין זרם העבודה של המעגל, כושר ההעמסה של המוליך ואמצעי ההגנה.

כאשר מדובר במבטח המגן על מוליך מפני זרם העמסת יתר בלבד, נדרש להתקיים:

Ib ≤ In ≤ I'z

כלומר, הזרם הנקוב של המבטח (In) צריך להיות שווה לזרם העבודה של המעגל (Ib) או גדול ממנו, אך לא לעלות על הזרם המתמיד המרבי המתוקן של המוליך (I'z) .

את הזרם המתמיד המרבי המתוקן מחשבים לפי:

I'z = Iz × c

כאשר:

Iz: הזרם המתמיד המרבי של המוליך בהתאם לתנאי הייחוס ולשיטת ההתקנה הרלוונטית

C: מקדם התיקון המשוקלל, המתקבל ממקדמי התיקון הרלוונטיים לתנאי ההתקנה בפועל

I'z: הזרם המתמיד המרבי לאחר החלת מקדמי התיקון

המשמעות היא שלא מספיק לבחור ערך Iz המתאים לכאורה לזרם העבודה. כאשר תנאי ההתקנה בפועל מחייבים שימוש במקדמי תיקון יש לחשב את I'z ולבדוק שההתאמה בין המוליך למבטח נשמרת.

בהגנה בפני זרם העמסת יתר נדרש להתקיים גם:

I₂ ≤ 1.45 × I'z

כאשר I₂  הוא זרם הבדיקה הגבוה של המבטח.

איך שיטת ההתקנה משפיעה על שטח החתך?

שיטת ההתקנה משפיעה על יכולת פיזור החום של המוליך ולכן גם על כושר ההעמסה שלו.

כבל המותקן בתנאים המאפשרים פיזור חום יעיל אינו מתנהג מבחינה תרמית כמו כבל המותקן בתנאים שבהם פיזור החום מוגבל. לכן גם כאשר חומר המוליך, סוג הבידוד ושטח החתך זהים, ערך כושר ההעמסה עשוי להיות שונה בהתאם לשיטת ההתקנה.

תקנות החשמל מבחינות בין שיטות התקנה שונות וקובעות ערכי זרם מתמיד מרבי בהתאם לשיטת ההתקנה ולנתוני המוליך.

לכן לא ניתן לבחור שטח חתך באופן מקצועי באמצעות טבלה כללית של אמפר מול ממ"ר בלבד. יש לזהות תחילה את שיטת ההתקנה הרלוונטית ולאחר מכן להשתמש בנתוני כושר ההעמסה המתאימים לה.

איך טמפרטורת הסביבה משפיעה על כושר ההעמסה?

טמפרטורת הסביבה משפיעה על יכולתו של המוליך לפזר את החום הנוצר בזמן מעבר הזרם.

ערכי כושר ההעמסה נקבעים בתנאי ייחוס מוגדרים ובהם טמפרטורת סביבה של 35°C באוויר ו30°C בקרקע. כאשר הטמפרטורה בפועל שונה מתנאי הייחוס, יש לבחון את מקדם התיקון המתאים.

התקנות כוללות מקדמי תיקון המתייחסים לטמפרטורת האוויר או הקרקע בהתאם לסוג ההתקנה ולנתונים הרלוונטיים.

לכן חתך שנמצא מתאים בתנאי ייחוס אינו בהכרח בעל אותו כושר העמסה כאשר הוא מותקן בתנאי טמפרטורה שונים.

איך קיבוץ כבלים משפיע על כושר ההעמסה?

כאשר מספר כבלים או מעגלים מועמסים מותקנים בסמיכות החום הנוצר בהם עשוי להשפיע על יכולת פיזור החום.

מסיבה זו קיימים מקדמי תיקון המתייחסים למצבי קיבוץ שונים. כאשר מקדם קיבוץ רלוונטי לתנאי ההתקנה יש להביא אותו בחשבון בקביעת מקדם התיקון המשוקלל ובחישוב I'z.

המשמעות היא שגם אם שטח חתך מסוים מתאים לפי ערך Iz לאחר החלת מקדם הקיבוץ ומקדמי תיקון נוספים אם נדרשים יש לוודא שה I'z  המתקבל עדיין מתאים לדרישות המעגל.

מהו מקדם תיקון ואיך הוא משפיע על בחירת שטח החתך?

מקדם תיקון מבטא את השפעת ההבדל בין תנאי ההתקנה בפועל לבין תנאי הייחוס ששימשו לקביעת הזרם המתמיד המרבי.

כאשר יותר ממקדם תיקון אחד רלוונטי, משתמשים במקדם תיקון משוקלל המסומן c ומתקבל מהכפלת מקדמי התיקון הנוגעים לעניין.

לאחר קביעת מקדם התיקון המשוקלל מחשבים:

I'z = Iz × c

כך מתקבל הזרם המתמיד המרבי המתוקן בהתאם לתנאים שנלקחו בחשבון.

מקדמי התיקון יכולים להתייחס בהתאם למקרה לגורמים כגון טמפרטורת הסביבה, קיבוץ מעגלים ותנאי התקנה בקרקע.

לא כל מקדם תיקון חל בכל שיטת התקנה ולכן יש לבחור את מקדמי התיקון בהתאם לשיטת ההתקנה ולתנאים הרלוונטיים בפועל.

איך סוג הבידוד משפיע על כושר ההעמסה?

סוג הבידוד וטמפרטורת העבודה המרבית המותרת שלו הם חלק מהנתונים המשפיעים על כושר ההעמסה של המוליך.

בתקנות קיימת הבחנה בין נתוני כושר העמסה המתייחסים בין היתר לבידוד בעל טמפרטורת עבודה מרבית של 70°C לבין בידוד בעל טמפרטורת עבודה מרבית של 90°C. לכן בעת בחירת ערך Iz יש להשתמש בנתונים המתאימים לסוג הבידוד של המוליך או הכבל הנבדק.

חשוב להבחין בין טמפרטורת העבודה המרבית של המוליך בהתאם לסוג הבידוד לבין טמפרטורת הסביבה. אלה שני נתונים שונים ושניהם עשויים להיות רלוונטיים לבחירת החתך.

גם כאשר בידוד מסוים מאפשר טמפרטורת עבודה מרבית גבוהה יותר אין להסיק מכך באופן אוטומטי שניתן לבחור שטח חתך קטן יותר. הבחירה הסופית תלויה במכלול נתוני המעגל והבדיקות הנדרשות.

איך חומר המוליך נחושת או אלומיניום משפיעים על בחירת שטח החתך?

חומר המוליך משפיע על התכונות החשמליות ועל כושר ההעמסה ולכן הוא אחד הנתונים שיש לזהות לפני בחירת שטח החתך.

תקנות החשמל מבחינות בין מוליכי נחושת לבין מוליכי אלומיניום בטבלאות כושר ההעמסה הרלוונטיות. לכן אין להניח שאותו שטח חתך בנחושת ובאלומיניום יהיה בעל אותו כושר העמסה.

לנחושת מוליכות חשמלית גבוהה יותר מאלומיניום ולכן עבור אותה דרישה חשמלית עשוי להידרש במוליך אלומיניום שטח חתך שונה מזה של מוליך נחושת.

בחירת החומר והחתך צריכה להתבצע בהתאם לנתוני המעגל, סוג הכבל, תנאי ההתקנה והדרישות החלות על המתקן.

איך התקנה בקרקע משפיעה על בחירת שטח החתך?

כאשר כבל מותקן בקרקע פיזור החום שלו מושפע מתנאי הקרקע ומאופן ההתקנה.

בין הנתונים שעשויים להשפיע: טמפרטורת הקרקע, ההתנגדות התרמית הסגולית של הקרקע, אופן הנחת הכבלים, מספר המעגלים והמרווחים ביניהם.

כאשר תנאי ההתקנה בפועל שונים מתנאי הייחוס, יש לבחון את מקדמי התיקון המתאימים ולהביא אותם בחשבון בקביעת  I'z.

לכן גם בהתקנה בקרקע לא ניתן לקבוע את שטח החתך לפי זרם העבודה בלבד אלא יש להתייחס לתנאי ההתקנה בפועל ולנתונים הרלוונטיים לכבל.

איך אורך הכבל ונפילת המתח משפיעים על בחירת שטח החתך?

עמידה בדרישות כושר ההעמסה אינה בהכרח סוף תהליך בחירת שטח החתך. נפילת מתח המכונה גם מפל מתח, היא בדיקה נוספת שיש להביא בחשבון.

אורך הכבל הוא אחד הגורמים המשפיעים על נפילת המתח. לכן ייתכן ששטח חתך מסוים יהיה מתאים מבחינת כושר ההעמסה אך לאחר בדיקת נפילת המתח יתברר שנדרש שטח חתך אחר.

בדיקת נפילת המתח נעשית בהתאם לנתוני המעגל הרלוונטיים ולא לפי אורך הכבל בלבד. לכן אין כלל שלפיו אורך מסוים של כבל מחייב באופן אוטומטי שטח חתך מסוים.

לאחר בחירת החתך מבחינת כושר ההעמסה וההגנה יש לוודא שהוא מתאים גם מבחינת נפילת המתח בהתאם לדרישות החלות על המתקן.

האם צריך לבדוק גם זרם קצר בבחירת שטח החתך?

כן. התאמת שטח החתך מבחינת זרם העבודה וכושר ההעמסה אינה מחליפה את בדיקת ההגנה בפני זרם קצר.

יש לוודא שהמוליך ואמצעי ההגנה מתאימים גם לתנאי הקצר הצפויים במעגל ובהתאם לדרישות החלות על המתקן.

לכן חתך שעומד בדרישות כושר ההעמסה עדיין אינו בהכרח החתך הסופי עד להשלמת הבדיקות הנוספות הנדרשות ובהן בדיקת ההגנה בפני זרם קצר.

סיכום תהליך בחירת שטח החתך

לאחר שהכרנו את הגורמים המשפיעים על הבחירה ניתן לסכם את התהליך במספר שלבים.

הגדרת זרם העבודה של המעגל  :(Ib)קובעים את זרם העברה הממושך המרבי שעבורו מתוכנן המעגל.

זיהוי חומר המוליך וסוג הבידוד: בודקים את חומר המוליך ואת סוג הבידוד וטמפרטורת העבודה המרבית הרלוונטית.

זיהוי שיטת ההתקנה: קובעים את שיטת ההתקנה המתאימה לאופן שבו הכבל או המוליך יותקנו בפועל.

קביעת  :Izמאתרים את ערך הזרם המתמיד המרבי המתאים בהתאם לשטח החתך, חומר המוליך, סוג הבידוד ושיטת ההתקנה.

בחינת תנאי ההתקנה ומקדמי התיקון: בודקים אילו מקדמי תיקון רלוונטיים לתנאים בפועל כגון טמפרטורה, קיבוץ ותנאי התקנה בקרקע.

חישוב  :I'zקובעים את מקדם התיקון המשוקלל ומחשבים:

I'z = Iz × c

התאמת המבטח: בודקים את ההתאמה בין זרם העבודה, כושר ההעמסה המתוקן והמבטח בהתאם לדרישות ההגנה הרלוונטיות.

בדיקת נפילת מתח: בודקים שהחתך מתאים גם מבחינת נפילת המתח לאורך המעגל.

בדיקת ההגנה בפני זרם קצר: מוודאים שהמוליך ואמצעי ההגנה עומדים בדרישות הרלוונטיות במקרה של קצר.

בדיקת דרישות נוספות: בוחנים אם קיימות דרישות נוספות הנובעות מסוג המתקן, סביבת ההתקנה, הציוד המחובר, התקנים או הוראות היצרן.

רק לאחר בחינת מכלול הנתונים והבדיקות הרלוונטיות ניתן לקבוע את שטח החתך המתאים למעגל.

שאלות נפוצות על בחירת שטח חתך לכבל

איזה חתך כבל צריך לזרם מסוים?
לא ניתן לקבוע את שטח החתך לפי הזרם בלבד. יש להתייחס גם לחומר המוליך, סוג הבידוד, שיטת ההתקנה, תנאי הסביבה ומקדמי התיקון הרלוונטיים, וכן להשלים את יתר הבדיקות הנדרשות לבחירת שטח החתך.

איך מחשבים חתך כבל לפי זרם ואורך?
בחירת שטח החתך אינה מתבצעת לפי הזרם והאורך בלבד. תחילה יש לבדוק את כושר ההעמסה בהתאם לחומר המוליך, סוג הבידוד, שיטת ההתקנה ותנאי ההתקנה בפועל. אורך המעגל מובא בחשבון גם בבדיקת נפילת המתח שעשויה להשפיע על שטח החתך הסופי.

אפשר לבחור חתך כבל לפי טבלת אמפר בלבד?
לא. טבלה כללית המקשרת בין זרם לשטח חתך אינה מספיקה לבחירה מקצועית. כושר ההעמסה תלוי בין היתר בחומר המוליך, סוג הבידוד, שיטת ההתקנה ותנאי הסביבה ולכן אותו שטח חתך עשוי להתאים לזרמים שונים בתנאי התקנה שונים.

איך שיטת ההתקנה משפיעה על חתך הכבל?
שיטת ההתקנה משפיעה על פיזור החום הנוצר במוליך ולכן על כושר ההעמסה שלו. כתוצאה מכך אותו שטח חתך עשוי להיות בעל כושר העמסה שונה בשיטות התקנה שונות ויש לבחור את הנתונים המתאימים לשיטת ההתקנה בפועל.

אורך הכבל משפיע על שטח החתך?
כן, אורך המעגל עשוי להשפיע על בחירת שטח החתך, בין היתר בשל נפילת המתח. עם זאת, אין לקבוע את שטח החתך לפי האורך בלבד ויש לבצע את הבדיקה בהתאם לנתוני המעגל ולדרישות הרלוונטיות.

אותו שטח חתך מתאים גם לנחושת וגם לאלומיניום?
לא בהכרח. חומר המוליך משפיע על תכונותיו החשמליות ועל כושר ההעמסה ולכן אין להניח שמוליך נחושת ומוליך אלומיניום באותו שטח חתך הם בעלי אותו כושר העמסה. יש להשתמש בנתונים המתאימים לחומר המוליך הנבחר.

בידוד 90°C מאפשר לבחור שטח חתך קטן יותר מבידוד 70°C?
לא בהכרח. טמפרטורת העבודה המרבית של הבידוד משפיעה על כושר ההעמסה אך בחירת שטח החתך תלויה גם בחומר המוליך, שיטת ההתקנה, תנאי הסביבה, מקדמי התיקון ויתר נתוני המעגל. לכן אין לבחור שטח חתך קטן יותר על סמך דירוג הטמפרטורה של הבידוד בלבד.

אפשר לבחור חתך כבל לפי גודל המבטח?
לא לפי גודל המבטח בלבד. בבחירת שטח החתך יש לבדוק את ההתאמה בין זרם העבודה של המעגל, כושר ההעמסה המתוקן של המוליך ואמצעי ההגנה בהתאם לדרישות ההגנה הרלוונטיות.

האם קיבוץ כבלים משפיע על שטח החתך הנדרש?
כן. כאשר מספר כבלים או מעגלים עמוסים מותקנים בסמיכות פיזור החום עלול להיפגע וכושר ההעמסה עשוי להשתנות. כאשר הקיבוץ רלוונטי יש להביא בחשבון את מקדם התיקון המתאים בעת קביעת הזרם המתמיד המרבי המתוקן .(I'z)

לסיכום

בחירת שטח חתך לכבל אינה מתבצעת לפי זרם העבודה בלבד. יש להתייחס לחומר המוליך ולסוג הבידוד, לשיטת ההתקנה ולתנאי הסביבה, לכושר ההעמסה ולמקדמי התיקון הרלוונטיים וכן להתאמת המוליך ואמצעי ההגנה.

בנוסף לכושר ההעמסה יש להשלים את הבדיקות הרלוונטיות ובהן נפילת מתח והגנה בפני זרם קצר ולהתייחס לדרישות החלות על המתקן.

לכן בחירת שטח החתך צריכה להתבסס על מכלול נתוני המעגל ותנאי ההתקנה בפועל ולא על התאמה כללית של זרם לשטח חתך בלבד.

הערה מקצועית: המידע במדריך נועד להציג את השיקולים המרכזיים בבחירת שטח חתך ואינו מחליף תכנון, חישוב וביצוע בהתאם לחוק החשמל, לתקנות החלות על המתקן, לתקנים ולהוראות היצרן.