הגנה על מערכות קריטיות מנזק חשמלי

אבי דולב, אמירוניק

החיווי על כשל טכני (באם קיים) בשדה הקרב המשולב הנו תנאי יציאה לדרך לכל משימה ומונע פעולות שביצוען עלול לעלות מחיר בלתי נסבל.
בעידן הטכנולגי העכשווי, בו נדרשות יכולות הגנה אקטיביות והדרישה לכלים בלתי מאויישים רק גוברת, מדובר במורכבות לוגיסטית-הנדסית באספקת כח חשמלי הנדרש לכל רכיב. רכיב שבטעות יצרוך זרם חזק מדי יינזק.
מערכות קריטיות מתחומי הצבא, התעופה והחלל הנן יקרות ותקלה בהם עלולה לגרום לנזק דרמטי בחיי אדם או בציוד עצמו ובפלטפורמות עליהן הן מותקנות. על מערכות אלו נדרש להתקין מנגנון בקרה שיהיה אחראי על ההגנה והאמינות. הדרישה העיקרית היא מתן יכולת להבחין בין עומס רגיל לעומס יתר או קצר, ומניעת צריכת זרם חזק שיגרום לשריפתן.
גם הציוד הנלווה כגון: צב”דים, ספקי כח, מערכות מודיעניות, מערכות להפצה או אכסון נתונים כמו גם מערכות תקשורת לרבות מערכות אל-פסק (Uninterruptible Power Supply) חייבות מנגנון הגנה חשמלי.
לשם המחשה, הנזק התרמי הנו פרופורציונלי למכפלת טמפרטורת הסביבה בזרם הריבועי (I2T).
רכיבי הגנה הפכו למרכיב חיוני בתכנון ציוד חשמלי מכיוון שלעתים מוזן זרם חזק דרך קווי התמסורת (כגון: Inrush Current) ונדרשת תגובה מהירה להגנה מפני ההלם או זמן תגובה ארוך עקב Peak חשמלי עוצמתי ומהיר למשך זמן זניח בהפעלת המערכת.
הרכיב העונה על הצורך בהגנת המערכת הנו ה-Circuit Breaker (המאמ”ת- מפסק אוטומטי מגנטי תרמי).
בטכנולוגייה הצבאית או בתחום התעופה והחלל, האתגר אפילו יותר קשה עקב הדרישות הקשיחות לאטימות בפני מים ואבק, עמידה בטווח רחב של טמפרטורות, חוזקה מכנית ודיוק בזמני תגובה קריטיים.
חברת AIRPAX, המובילה בפיתוח וייצור Circuit Breakers באיכות גבוהה בטכנולוגייה הידרו-מגנטית עונה על הדרישות הצבאיות ועוסקת בפיתוח רכיבי הגנה לתעשייה ההולכת וגדלה.
מיקוד פיתוח המאמ”תים הצבאיים היה במתן מענה גם מול הדרישות המחמירות של תקן ה-MIL-PRF-39019 וה-MILPRF-55629 של סוכנות ה- האמריקנית התומכת במתן אחזקה למערכות הגנה ואמל”ח.
קיימות כמה סדרות המומלצות לשילוב בתכנון ציוד או מערכות קריטיות, נסקור כמה מהן.

סדרת ה-AP\UP Series הצבאית (M39019)
בעלת אטימות מלאה בפני מים או אבק, משלבת דיוק ואמינות גבוהים ובעלת מבחר רחב של זמני תגובה אפשריים ובעלת אפיון Trip-Free (מצב בו המפסק יקפוץ ל-OFF כנדרש גם אם הידית תוחזק מכנית על מצב ON).
בניגוד למאמ”ת התרמי, סדרה זו אינה משנה את ערך זרם הקפיצה בתחום רחב של טמפרטורה והיא יכולה להיות בתצורת DC, 50/60Hz או 400Hz בזמני תגובה שיותאמו לדרישת האפיון.
המפסק עובד תחת 50VDC לזרמים של עד 20Amp, מתח של ל-15Amp, ו-240V ל-7.5Amp. סדרה זו מומלצת לשימוש ביישומי התקשורת, הניווט ומערכות בתחום התעופה כמו גם למכ”ם ולספקי מתח ומוסמכת (Qualified Products Listing) לתקן המחמיר MIL-PRF-39010.
קיימת תצורה של עד 3 קטבים.
לסדרת APG\UPG יש את היתרון בהגנת יישומי Stand Alone (יצירת אנרגייה ירוקה כגון: טורבינות רוח, פנלים סולרים וכו’), ומיועדת גם לשימוש למערכות עיבוד נתונים, מערכות שידור, מערכות צבאיות וימיות ואף למערכות מכירה אוטומטיות או כל ציוד הדורש דיוק פעולה. סדרה זו אינה דורשת פיצוי טמפרטורה (צורך הבולט במאמ”תים תרמיים או פיוזים) ולכן נדיר ביותר מצב בו המפסק יוטרג באופן לא רצוני. לסדרה זו טווח רחב של השהיות והיא זמינה בתצורת DC או ב-50/60 Hz ו-400Hz עם עד 4 קטבים ומבחר ידיות בשלל צבעים (סוג Toggle, Rocker או Caps). סוג החיבור לפנל יכול להיות Socket Terminal (להתקנה על כרטיס ללא ברגים), Bullet Terminal (ע”י נעיצת פינים מוזהבים המאפשר החלפת מאמ”ת תוך שניות בודדות) או Stud Terminal. סדרה זו הנה מוסמכת QPL לתקן המחמיר MIL-PRF-55629 ועומדת בזרמים של 2,000 Amp) (65VDC & 250VAC 400Hz), 5,000Amp 277VAC 50/60Hz) (ו-500Amp 65VDC & 250VAC). זרמי הקפיצה הנם בין 0.02Amp ל-50Amp.
סדרת IAL/IUL הנה בעלת מבחר קונפיגורציות חיבור הכוללת חיבור טורי, ידית עזר לחיווי סטטוס המפסק ע”י נורה למשל, חיבור Shunt Trip (לשליטה על 2 עומסים), Dual Coil או Relay Trip בשליטה ממסרית מרחוק (ע”י אפיון סליל עזר נוסף ניתן לשלוט על המפסק גם דרך זרם וגם דרך מתח) או שליטה ע”י מתח בלבד וניתן אף לאפיין אפשרות Switch Only. הסדרה יכולה להיות בתצורת DC או 50/60Hz ו-400Hz, (ועומדת עד 7,000Amp 80VDC ו-5,000Amp 250VAC). זרמי הקפיצה יכולים להיות בין 0.05Amp ל-200Amp וניתן לקבל בתצורה של עד 6 קטבים. ע”י בחירת מאמ”ת דו קוטבי עם ידית משותפת בו הקוטב השני יהיה לזרם בעל ערך שונה, ניתן לגרום לקפיצה למצב OFF ע”י 2 ערכי זרם כך שאפשרות השליטה הנה כלי בידי המהנדס. סדרה זו הנה מוסמכת QPL לתקן MIL-PRF-55629
סדרת ה-APL/UPL (המוכרת גם בוורסיה 205/209 Series) מתאימה לשימוש מצבים הדורשים פעולה קריטית מדויקת ואף היא הותאמה QPL לתקן MIL-PRF-55629. העמידות שלה הנה עד 5,000Amp וטווחי הפעולה הנם עד 20Amp (65VDC) ,50Amp () או 100Amp) 65VDC).
סדרה זו יכולה להיות מאופיינת בעד 9 קטבים.

Low Profile
עקב העלייה המתגברת בשימוש טכנולוגיית ה-Wireless מתחזקת גם החמרת התקנים האזרחיים (כגון ה-UL489A וה-TUV) וניתן להשתמש בסדרות הנחשבות אזרחיות עבור יישומים קריטיים. לצורך כך חברת AIRPAX הכריזה על 2 סדרות ייצור חדשות של מפסקים אוטומטיים שעברו מזעור רכיבים על מנת לחסוך מקום במגירות ופנלים, מקובל לכנות את המוצרים החדשים כ- Low Profile:
1. סדרת IAR – המכונה גם ‘1U’ עקב ההתאמת גובהה ליחידת RU בודדת (1 Rack Unit = 1.75 inches). סדרה זו מאפשרת ניצול נכון של המערכת או הצב”ד ללא התפשרות על ביצועים והעבודה הנה בטווחי טמפרטורה שבין עם עמידות של עד 5,000 Amp במתחים של 65/80VDC או 120/240VAC וטווחי פעולה שבין 2Amp ל-20Amp במתחים 80VDC ו-250VAC.
הרכיבים של סדרה זו יכולים להיות בתצורת Series Trip (טורית) או Mid Trip (מצב שלישי בנוסף ל-ON ו-OFF לזיהוי תקלות מהיר), וקיימת אפשרות לקבל גם ידית עזר (Auxiliary Alarm Switch) לאפשר ניטור מהיר. כמו כן, סדרה זו יכולה להיות בזמני תגובה שונים עפ”י דרישה כולל Delay מספק למערכת עם מנוע הצורך הספק גדול עם הדלקה, וקיימת אפשרות לקוטב בודד או שני קטבים.
2. סדרת LEGA – המכונה גם ‘Low Depth’ אידיאלית לחסכון שטח במערכות ריכוז נתונים ו-PDU‘s, הותאמה לעומק נמוך באמינות גבוהה ובעלת חיבור Screw Terminal על מנת להקל על הרכבת המפסק תוך ניתוב חשמלי יעיל.
סדרה זו, שדומה לסדרת ה-LEG מבחינת הביצועים הגבוהים והאמינות, מקטינה את החדירות לשטח הציוד. יתרה מכך, צורת החיבור מגדילה את העמידות בפני רעידות והיא מומלצת ליישומים הדורשים אמינות מיטבית. ניתן לאפיין את המתג המפעיל שיהיה סוג Short Toggle או Flat Rocker שטוח להגנה מפני הורדת מפסק בטעות ע”י המשתמש.
העמידות בפני זרם היא עד 5,000Amp (בתנאי 120VAC/240VAC, 80VDC) או עד 3,000Amp (בתנאי 250VAC, 240/415VAC) בעוד טווח הפעולה הנו בין 1Amp ל-50Amp.

Military Thermal Circuit Breaker (MS3320, MS25244)4
המאמ”תים התרמיים מומלצים להתקנה על מערכות ופלטפורמוט בהם ההגנה על החיווט הנה קריטית.
חברת KLIXON מובילה בתחום של המאמ”תים התרמיים. הרכיבים עומדים בזרמים של 2Amp עד 200Amp, ועומדים בתקנים צבאיים. ניתן לקבל כל מפסק במוד שמחזיר את הזרם למעגל בצורה אוטומטית ברגע שטמפרטורת האלמנט המגנטי מתקרר או ע”י הטרגת המשתמש.
קו המוצרים הנפוץ והאמין ביותר של חברת KLIXON הנו ה-Aircraft Circuit Breakers המותאם ליישומי חלוקת המתח במטוסים אזרחיים או מטוסי קרב, רכבים צבאיים, לתחומי האוויניקה והים, לתמיכה ביחידות שטח, בקרת שיגור טילים ,מערכות סימולצייה ואף לתחומי החלל.
המפסקים עומדים בזרמים של 0.5Amp עד 100Amp והיתרון שלהם הוא במשקל הנמוך ומזעור הגודל כמו גם בעמידות להלמים ורעידות ועמידה בתקנים צבאיים מחמירים כמו ה MIL-DTL-27715 התעופתי וה-AS58091 של ארגון SAE. סוג המפסק יכול להיות Toggle, PushButton או Rocker.

לסיכום
ה-Circuit Breaker הנו רכיב הגנה המותקן על ציוד יקר ערך ושומר על המערכת ועל כח האדם שבסביבתה. סוג המפסק ואפיונו מאד תלוי במהות הציוד ומה נדרש ממנו ועל המהנדס לקחת שיקולים אלו בחשבון. חברות AIPRAX ו-KLIXON הנן חברות הלומדות את הדרישות והאתגרים העומדים בפני מהנדסי הרכיבים בכדי לתת מענה חסכוני, יעיל עם ביצועים ללא התפשרות כך שמדובר בהתחדשות מתמדת בתחום האלקטרומכניקה.