Pomiar pola elektrycznego

Pomiar pola elektrycznego

1. Wiadomości podstawowe

1.1. Uwagi ogólne

Pole elektromagnetyczne definiujemy jako stan w przestrzeni, w której na obiekt fizyczny posiadający ładunek elektryczny działają siły o naturze elektromagnetycznej. Pole to występuje w bardzo szerokim zakresie częstotliwości od O Hz (pole stałe) aż do wysokoczęstotliwościowego promieniowania elektromagnetycznego (promieniowanie X, promieniowanie gamma). Pole elektromagnetyczne jest dokładnie opisane równaniami Maxwella, w których ustalony jest formalny związek pomiędzy natężeniami składowych pola elektrycznego i magnetycznego. W zakresie skrajnie niskich częstotliwości od O do kilku kHz obie składowe pola mogą być opisywane i analizowane rozdzielnie.

Pole elektryczne opisywane jest przez wektor natężenia pola elektrycznego E. Rozkład pola elektrycznego jest definiowany przez linie sił pola i linie ekwipotencjalne, przy czym obie rodziny linii są wzajemnie ortogonalne. Linią sił pola nazywa się więc linię w przestrzeni, do której styczna w dowolnym punkcie ma kierunek wektora natężenia pola. Istnienie pola elektrycznego można stwierdzić wprowadzając do niego ładunek q, gdyż będzie na niego działać siła F zależna od wartości liczbowej tego ładunku. Aby ładunek nie zniekształcał pola jest pożądane, aby był on znikomy. Defmicyjnie przyjmuje się zatem, że wektor natężenia pola elektrycznego jest ilorazem siły F działającej na ładunek elektryczny q znajdujący się w tymże polu elektrycznym do wartości tego ładunku.

E= F/q

Rozpisując jednostki dla powyższego wzoru można wyprowadzić powszechnie stosowaną jednostkę natężenia pola elektrycznego:

1[E] = ^1[F]/_1[q] = 1^N/_C = 1 ^J/_mAs = 1^Vas/_mAs = 1^V/_m

Przy pomiarze silniejszych pól elektrycznych posługiwać się można jednostką kV/m, gdzielkV/m= 1000V/m.

Źródłem pola elektrycznego są wszelkie pracujące urządzenia elektryczne i elektroenergetyczne. Składowa elektryczna pola elektromagnetycznego (natężenie pola elektrycznego E) determinowana jest potencjałem obiektu (napięciem), nie zależy zaś od wartości natężenia prądu. Należy więc pamiętać, że mimo iż natężenie prądu równa się O to pole elektryczne istnieje. Duże znaczenie ma także odległość od źródła pola. Cechą charaktery styczną jest bowiem bardzo szybkie malenie wartości natężenia pola elektrycznego wraz z odległością (np. dla linii wysokiego napięcia wartość natężenia pola maleje odwrotnie proporcjonalnie z kwadratem odległości od przewodów roboczych linii). Ważnym z punktu widzenia zagrożenia od pola elektrycznego jest możliwość ekranowania tego pola. W przypadku pola pochodzącego od napowietrznej linii przesyłowej linie sił pola elektrycznego biegną niemal prostopadle do powierzchni ziemi w jej pobliżu. W wyniku tego, rozkład natężenia pola elektrycznego jest praktycznie równomierny w odległości 2 do 3 metrów od powierzchni ziemi. Obiekty przewodzące zakłócają tę równomierność. Linie sił pola elektrycznego koncentrują się wtedy w częściach elementów przewodzących o dużej krzywiźnie. Natężenie pola składowej elektrycznej rośnie, a jednocześnie pole jest osłabiane lub nawet ekranowane w innych miejscach przestrzeni. Stąd pole elektryczne pochodzące od linii wysokiego napięcia może być redukowane przez specjalne rozwiązania techniczne lub przez obiekty znajdujące się pod wpływem tego pola np. budynek. W wyniku ekranującego wpływu zewnętrznych ścian budynku i jego dachu, w jego wnętrzu natężenie pola

elektrycznego może być zredukowane nawet o 95%. Właściwości ekranujące posiada także ciało człowieka. Przewodząca powierzchnia ciała praktycznie całkowicie zwiera pole wewnątrz ciała. Zakłócenie pola elektrycznego przez ciało człowieka musi więc być brane pod uwagę przy wykonywaniu pomiarów natężenia pola. Z tego powodu sonda pomiarowa powinna być oddalona od operatora przynajmniej o około 2m.

1.2. Pomiary pola elektrycznego : :

Metrologia pól elektromagnetycznych w środowisku naturalnym i na stanowiskach pracy jest zagadnieniem złożonym. Poprawne przeprowadzenie pomiarów pola elektrycznego wymaga wiedzy specjalistycznej nie tylko w zakresie samej metrologii, ale również znajomości problemów wynikających z narażenia tym czynnikiem oraz zasad ochrony przed nim. Oprócz wyboru metody pomiarowej, czasu, warunków wykonania pomiarów, w badaniach pola elektromagnetycznego w warunkach terenowych, ważne jest również sporządzenie właściwej dokumentacji i interpretacja wyników pomiarów w ujęciu wymaganym odpowiednimi przepisami z ustawy o ochronie środowiska.

Pole elektromagnetyczne wolnozmienne, które będzie analizowane w ćwiczeniu, występuje zwykle w przestrzeni bliskiej wokół pierwotnych lub wtórnych źródeł promieniowania, czyli w obszarze odpowiadającym polu bliskiemu. Z tego względu do pomiaru tego pola potrzebne jest zastosowanie czujników natężenia pola o małych rozmiarach nie tylko w porównaniu do długości fali, lecz także do najmniejszej odległości, na jakiej ma być prowadzony pomiar oraz rozmiarów przestrzennych źródła pola. Konieczne jest zatem stosowanie anten nie tylko o małych wymiarach falowych, ale także o małych wymiarach geometrycznych, co wiąże się z dokładnością pomiarów. Poza tym konieczny jest tu niezależny pomiar składowej elektrycznej i magnetycznej pola. Do bezpośredniego pomiaru natężenia pola elektrycznego stosuje się szeroko czujniki dipolowe (rys. 1).

Rys.1. Czujnik pola elektrycznego - dipol elektryczny: E=1I_e

Wartości natężenia pola określa się na podstawie pomiaru napięcia indukowanego w tych czujnikach za pomocą specjalnych mierników, które są wyskalowane najczęściej w wartościach skutecznych.

Wyników pomiarów polowych natężenia pola elektrycznego odczytanego bezpośrednio z przyrządu nie można przyjmować jako wartości końcowej. Dla pola elektrycznego należy zastosować współczynnik korekcyjny pozwalający przeliczyć pomierzone chwilowe natężenie pola elektrycznego na wartość odpowiadającą maksymalnemu napięciu roboczemu:

k_u = ^Um /_Up gdzie:

U_m - największa dopuszczalna wartość napięcia,

U_p - wartość napięcia podczas pomiaru.

1.3. Wartości normatywne poziomów natężenia pola elektrycznego w środowisku pracy

Ochrona przed polami elektromagnetycznymi w środowisku zawodowym uregulowana jest przepisami zawartymi w rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej. Generalnie, ochrona ta realizowana jest w systemie strefowym przez ograniczanie natężenia pola na stanowiskach pracy poniżej wartości dopuszczalnych oraz przez ograniczanie czasu pracy przy przekroczeniu wartości dopuszczalnych. Ochrona strefowa polega na wyznaczeniu w otoczeniu źródeł pól elektromagnetycznych trzech stref ochronnych, rozumianych jako obszar w zależności od wartości parametrów pola:

- strefy pośredniej,

- strefy zagrożenia ,

-strefy niebezpiecznej .

W strefie pośredniej przebywanie pracowników dopuszczalne jest w ciągu całej zmiany roboczej. W strefie zagrożenia przebywanie pracowników jest ograniczone, natomiast w strefie niebezpiecznej przebywanie pracowników jest zabronione. Obszar, poza zasięgiem stref ochronnych, jest obszarem strefy bezpiecznej .

Parametrami pola, branymi pod uwagę w ochronie na stanowiskach pracy, które muszą być spełnione jednocześnie, są:

- pasmo częstotliwości (O Hz - 300 GHz),

natężenie pola elektrycznego o ogólnym działaniu na organizm człowieka (O Hz - 300

GHz)[EwV/m],

doza rzeczywista pola elektrycznego strefy zagrożenia, o ogólnym działaniu na

organizm człowieka [D_E w (V/m)²h],

- wskaźnik ekspozycji dla dozy rzeczywistej pola elektrycznego w strefie zagrożenia

[W],

Dopuszczalne poziomy natężenia pola elektrycznego oraz dopuszczalne dozy tego pola w poszczególnych pasmach częstotliwości dla strefy zagrożenia podane są w tabeli 1.

Tabela 1. Dopuszczalne wartości natężenia pola elektrycznego w środowisku pracy w strefie zagrożenia

Lp	Zakres częstotliwości	Ei(f) [V/m]	DdE(f)
1	OHz<f<0.5Hz	20000	3200 (kV/m)^2 ' h
2	0.5Hz<f<300Hz	10000	800 (kV/m)^2 ' h
3	0.3kHz<f<lkHz	100/f	0.08/f^2 (kV/m)^2 ' h
4	1 kHz < f < 3 MHz	100	0.08 (kV/m)^2 ' h
5	3MHz<f<15MHz	300/f	0.72/f^2 (kV/m)^2 ' h
6	15MHz<f<3GHz	20	3200 (V/m)^2 ' h
7	3GHz<f<300GHz	0.16'f+ 19.5	(f/2 + 55)^2V/m)^2'h

W przepisach wyróżnia się trzy graniczne wartości natężenia pola elektrycznego Eo(f)₅ E](f), E₂(f) w ogólnym działaniu na organizm człowieka, gdzie:

Eo(f) - natężenie pola elektrycznego o częstotliwości f, rozgraniczające strefę

pośrednią od strefy bezpiecznej,

E₁(f) - natężenie pola elektrycznego o częstotliwości f, rozgraniczające strefę

zagrożenia od strefy pośredniej,

E₂(0 - natężenie pola elektrycznego o częstotliwości f, rozgraniczające strefę

niebezpieczną od strefy zagrożenia. Pomiędzy tymi wartościami obowiązuj ą zależności:

Eo(f) = E₁(f)/3, E₂(f) = 10 E,(f).

Od tej zasady istnieją wyjątki i tak dla częstotliwości 50 Hz wartości dopuszczalne natężenia pól na stanowiskach pracy wynoszą odpowiednio:

w strefie pośredniej 5 < E < 10 kV/m,

w strefie zagrożenia l O < E < 20 kV/m,

w strefie niebezpiecznej E > 20 kV/m.

l .4. Wartości normatywne poziomów natężenia pola elektrycznego w środowisku komunalnym

Ochrona przed polami elektromagnetycznymi w środowisku naturalnym uregulowana jest przepisami zawartymi w ustawie "Prawo ochrony środowiska" oraz w rozporządzeniach Ministra Ochrony Środowiska. Generalnie, ochrona ta realizowana jest poprzez ograniczenie wielkości emisji pola elektromagnetycznego do poziomów uznanych przez przepisy za dopuszczalne. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 roku w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz. U. Nr 192, póz. 1883) dopuszczalna wartość natężenia pola elektrycznego o częstotliwości 50 Hz dla terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową wynosi l kV/m, natomiast dla miejsc ogólnodostępnych dla ludności poziom ten wynosi 10 kV/m. Według poglądów Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) poziom dopuszczalnej emisji pola elektrycznego wynosi 10 kV/m.

W związku z niepełną wiedzą dotycząca ewentualnych długotrwałych efektów wpływu pola elektromagnetycznego na zdrowie, niezależnie od znormalizowanych, dopuszczalnych wartości natężenia pola elektromagnetycznego, zgodnie z zaleceniami Światowej Organizacji Zdrowia należy stosować zasadę rozsądnego ograniczania i unikania nadmiernych pól elektromagnetycznych.

Pełny zakres wymagań dotyczący emisji pól elektromagnetycznych w środowisku, według przepisów polskich można znaleźć w załącznikach do Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 roku w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz. U. Nr 192, póz. 1883), gdzie podane są dopuszczalne wartości natężeń pól elektromagnetycznych dla ekspozycji w środowisku dla zabudowy mieszkaniowej i dla terenów ogólnie dostępnych. Wyciąg z tych załączników dotyczący składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego zamieszczono w tabelach 2 i 3.

Tabela 2. Dopuszczalna wartość pola elektrycznego o częstotliwości 50Hz dla terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową (Dz. U. Nr 192, póz. 1883)

Parametr fizyczny	Składowa elektryczna
Zakres częstotliwości pola elektromagnetycznego
50 Hz	lkV/m

Tabela 3. Dopuszczalne wartości pola elektrycznego dla określonych zakresów częstotliwości tego pola dla miejsc dostępnych dla ludności (Dz. U. Nr 192. póz. 1883)

Parametr fizyczny		Składowa elektryczna
Zakres częstotliwości pola elektromagnetycznego
1	OHz	10kV/m
2	od 0 Hz do 0,5 Hz	-
3	od 0,5 Hz do 50 Hz	10 kV/m
4	od 0,05 kHz do 1 kHz	-
5	odO,001MHzdo3MHz	20V/m
6	od 3 MHz do 300 MHz	7V/m
7	od 300 MHz do 300 GHz	7V/m

2. Pomiary 2.1.Opis miernika

Do pomiaru składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego użyty zostanie miernik Tracer EF 100 firmy Radiation Technology Inc. Włączenie miernika odbywa się poprzez przełączenie trój położeniowego przełącznika znajdującego się na płycie czołowej z pozycji OFF na pozycję „LOW". Oznacza to jednocześnie wybór zakresu pomiarowego. Pozycja „LOW" oznacza najczulszy zakres pomiarowy. Drugi dostępny zakres „HIGH" wykorzystuje się gdy nastąpi przekroczenie zakresu pomiarowego „LOW", co objawia się pojawieniem się symbolu 1. (jedynka z kropką). Drugi z przełączników znajdujący się na płycie czołowej miernika pozwala na wybór zakresu częstotliwości, dla jakiej pomiary będą wykonywane. Zakres ELF (Extremaely Low Freąuency) oznacza zakres ekstremalnie niskich częstotliwości od 5 Hz do 2 kHz. Głównymi źródłami pól elektromagnetycznych w tym zakresie są instalacje sieci elektrycznej 50 Hz i urządzenia zasilane z tej sieci, a więc ten zakres wykorzystane zostanie w niniejszym ćwiczeniu. Drugi z zakresów VLF (Very Low Freąuency) obejmuje częstotliwości od 2 do 400 kHz.

Biorąc pod uwagę fakt, że pole elektryczne może być silnie zaburzane przez ciało człowieka lub inne przedmioty znajdujące się w zasięgu tego pola, zaleca się wykonywanie pomiarów wykorzystując do tego specjalny wysięgnik.

2.2. Sposób wykonania pomiarów

Pomiar należy przeprowadzić w miejscu wskazanym przez prowadzącego. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli.

2.3. Opracowanie wyników pomiarów

Otrzymane wyniki pomiarów należy przeliczyć na wartości maksymalne możliwe do zaistnienia w miejscu pomiaru. Otrzymane wartości po przeliczeniu należy skomentować odnosząc je do wartości normatywnych podanych w tabelach 1-3.

3. Literatura podstawowa

[1] Ustawa „Prawo Ochrony Środowiska" z dnia 27 kwietnia 2001 r. (Dz.U. 2001.62.627 z dnia 20 czerwca 2001 r.) z późniejszymi zmianami

[2] Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 roku w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz. U. Nr 192, póz. 1883)

[3] Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia. 9 listopada 2004 r. w sprawie określenia rodzajów przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko oraz szczegółowych uwarunkowań związanych z kwalifikowaniem przedsięwzięć do sporządzania raportu o oddziaływaniu na środowisko (Dz. U. Nr 257, póz. 2573)

[4] Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy. (Dz.U. 2002 nr 217 póz. 1833)

[5] Mosiński F., Wira A.: Ekologiczne problemy przesyłu i użytkowania energii elektrycznej. Wyd. PŁ. Łódź, 1999

2

---