POLITECHNIKA WROCA
AWSKA
WYDZIAA
ELEKTRYCZNY
Zakład Elektroenergetyki Przemysłowej
Laboratorium Bezpieczeństwa Elektrycznego
Ćwiczenie nr 12
BADANIE ROZKA
ADU POLA ELEKTRYCZNEGO
NA MODELU LINII NAPOWIETRZNEJ
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest pomiarowe wyznaczenie rozkładu pola elektrycznego pod modelem
linii napowietrznej odzwierciedlającym typową jednotorową linię przesyłową 400 kV o płaskim
układzie przewodów roboczych.
Jednym z istotnych elementów ćwiczenia jest badanie wpływu przewodów ekranujących na
rozkład pola elektrycznego pod linią, a także określenie skuteczności ekranowania, w zależności
od konfiguracji geometrycznej przewodów ekranujących.
2. WPROWADZENIE TEORETYCZNE
2.1. Uwagi wstępne
Przesył energii elektrycznej przy coraz wyższych napięciach stwarza pewne uciążliwości
dla środowiska naturalnego, a w pewnych przypadkach można już mówić o zagrożeniu tego
środowiska. Przy obecnie stosowanych napięciach przesyłu (110, 220 i 400 kV) oraz
współczesnych konstrukcjach układów przesyłowych nie do pominięcia są prądy wzbudzane
w organizmie człowieka znajdującego się w zasięgu wolnozmiennego (quasistacjonarnego) pola
elektrycznego (E) lub magnetycznego (H) o częstotliwości 50 Hz, generowanego przez przewody
robocze linii przesyłowych.
W przypadku, gdy człowiek znajdzie się pod linią wysokiego napięcia lub w bezpośrednim
jej sąsiedztwie, prąd indukowany w organizmie na skutek obecności pola elektrycznego może
osiÄ…gać wartoÅ›ci od kilkudziesiÄ™ciu mikroamperów do kilku miliamperów (ok. 15÷17 źA/kV/m).
Prądy o podobnych wartościach wywołuje też pole magnetyczne linii przesyłowych. Jakkolwiek
są to najczęściej wartości leżące poniżej progu odczuwania, to w przypadku dotknięcia przez
człowieka znajdującego się pod linią dużych mas metalowych (np. samochodu, kombajnu,
metalowego płotu itp.), ujawniają się one (składowa nieustalona) w postaci nieprzyjemnego
wyładowania iskrowego.
Warto zdawać sobie sprawę, że w literaturze (szczególnie popularnonaukowej) coraz
częściej pojawiają się doniesienia o potencjalnej szkodliwości pól elektromagnetycznych
wytwarzanych przez linie przesyłowe (220 i 400 kV), a nawet rozdzielcze (110 kV). Niektóre
wyniki badań z tej dziedziny - choć do dzisiaj nie w pełni potwierdzone - sugerują nawet, że pola
magnetyczne o częstotliwości 50 Hz i natężeniach typowych dla obszarów pod liniami
napowietrznymi, mogą przyczyniać się do szybszego rozwoju niektórych, rzadkich schorzeń
nowotworowych (niektórych rodzajów białaczek, guzów mózgu).
2.2. Wielkości charakteryzujące pole elektromagnetyczne
Wielkościami charakteryzującymi pole elektromagnetyczne wytwarzane m.in. przez linie
przesyłowe wysokiego napięcia są:
" natężenie pola elektrycznego E [kV/m],
" natężenie pola magnetycznego H [A/m] lub indukcja magnetyczna B [źT].
Ponieważ pole elektromagnetyczne o częstotliwości 50 Hz zalicza się do pól wolnozmiennych, to
z własności tego rodzaju pól wynika, że obie jego składowe (elektryczna i magnetyczna) są od
siebie niezależne i można je wyznaczać, mierzyć lub obliczać oddzielnie.
2.3. Zagrożenie polem elektrycznym i magnetycznym 
ustalenia obowiązujących przepisów
Problemy dotyczące potencjalnego, szkodliwego wpływu, na środowisko i zdrowie ludzi,
obiektów wytwarzających elektromagnetyczne promieniowanie niejonizujące nie są nowe. Od
wielu bowiem lat intensywne badania nad wpływem pól elektromagnetycznych na środowisko
prowadzi wiele placówek naukowo-badawczych na całym świecie. Wynika to z faktu, że
mechanizmy oddziaływania obu składowych pola elektromagnetycznego na poszczególne
elementy ekosystemu, w szczególności na organizm człowieka, nie zostały jak dotąd dostatecznie
rozpoznane, a wiedza o nich jest jeszcze w wielu przypadkach niedostateczna.
Zagadnienia związane z oddziaływaniem pól elektromagnetycznych 50 Hz, wytwarzanych
przez linie i stacje elektroenergetyczne wysokiego napięcia, reguluje rozporządzenie Ministra
Åšrodowiska z dnia 30 paz
dziernika 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól
elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów
(Dz.U. 2003 nr 192 poz. 1883). Rozporządzenie to określa dopuszczalne poziomy
promieniowania w środowisku, a także podaje szczegółowe zasady ochrony ludzi i środowiska
przed tym promieniowaniem. Zgodnie z postanowieniami tego rozporzÄ…dzenia dopuszczalny
w środowisku (tzw. ekspozycja środowiskowa) poziom elektromagnetycznego promieniowania
niejonizującego o częstotliwości 50 Hz nie powinien przekraczać wartości granicznej:
" natężenia pola elektrycznego (E) - 10 kV/m,
" natężenia pola magnetycznego (H) - 60 A/m.
Wspomniany akt prawny zawiera jednak dwa istotne ograniczenia dotyczące wyżej
wymienionych wartości dopuszczalnych.
·ð Pierwsze z nich odnosi siÄ™ bezpoÅ›rednio do pola elektrycznego powstajÄ…cego w otoczeniu
linii i stacji elektroenergetycznych. Stanowi ono, że na obszarach zabudowy
mieszkaniowej oraz na obszarach, na których zlokalizowane są zwłaszcza szpitale,
żłobki, przedszkola, internaty - składowa elektryczna (E) promieniowania
o częstotliwości 50 Hz nie może przekraczać wartości 1 kV/m.
·ð Drugie ograniczenie dotyczÄ…ce stosowalnoÅ›ci wartoÅ›ci granicznych dla pola
elektromagnetycznego ma charakter bardziej uniwersalny i odnosi się do całego zakresu
elektromagnetycznego promieniowania niejonizującego (do częstotliwości 300 GHz).
Stanowi ono, że dopuszczalnych poziomów elektromagnetycznego promieniowania
niejonizującego (dla częstotliwości 50 Hz: E = 10 kV/m i H = 60 A/m) nie stosuje się w
miejscach niedostępnych dla ludzi.
Warto podkreślić, że pole elektryczne i magnetyczne o wartościach mniejszych niż 1 kV/m
i 60 A/m jest uważane, w myśl aktualnej wiedzy z dziedziny bioelektromagnetyzmu, za zupełnie
nieszkodliwe dla organizmów żywych. Jakkolwiek współczesne układy przesyłowe
konstruowane są w taki sposób, by w ich sąsiedztwie nie występowało pole elektryczne
i magnetyczne o wartościach przekraczających dopuszczalne, to do dziś eksploatowane są krótkie
odcinki linii 400 kV (starszego typu), pod którymi rejestruje się pole elektryczne o natężeniu
przekraczajÄ…cym 10 kV/m.
Problem zagrożenia polem elektrycznym występuje dość wyraz
nie na terenie stacji
elektroenergetycznych, przede wszystkim w obszarach rozdzielni 400 i 220 kV, gdzie w pobliżu
aparatury rozdzielczej (wyłączniki, odłączniki) i pomiarowej (przekładniki) spotyka się miejsca,
w których natężenie pola elektrycznego przekracza niejednokrotnie wartość 15 kV/m. W takich
przypadkach dość powszechnie stosuje się metody powodujące obniżenie natężenia pola
elektrycznego do poziomu dopuszczalnego. Czasami też, szczególnie w sąsiedztwie linii
przesyłowych o napięciu 110 i 220 kV przebiegających bardzo blisko balkonów i tarasów
budynków mieszkalnych, istnieje konieczność zmniejszania natężenia pola do wartości poniżej
1 kV/m. Obniżenie natężenia pola elektrycznego poniżej wartości 1 kV/m może także okazać się
konieczne w sytuacji, gdy planuje się lokalizację budynku mieszkalnego w niewielkiej odległości
od przewodów roboczych linii napowietrznej wysokiego napięcia.
Typowe wartości natężenia pola magnetycznego pod krajowymi liniami przesyłowymi nie
przekraczają na ogół 15-30 A/m, tak więc nie ma konieczności ograniczania pól magnetycznych
w sÄ…siedztwie krajowych linii napowietrznych.
2.4. Wyznaczanie rozkładu pola elektrycznego pod linią przesyłową
Na wartość maksymalną oraz rozkład natężenia pola elektrycznego (E) w otoczeniu linii
napowietrznej wpływają głównie następujące jej parametry:
·ð napiÄ™cie robocze linii,
·ð odlegÅ‚ość od ziemi przewodów fazowych,
·ð odstÄ™py miÄ™dzy przewodami fazowymi,
·ð ukÅ‚ad przewodów fazowych w liniach dwutorowych.
Inne elementy konstrukcyjne linii mają mniejszy wpływ na rozkład natężenia pola
elektrycznego. Ponadto, na rozkład natężenia pola elektrycznego w pobliżu linii wpływają
elementy otoczenia położone w jej sąsiedztwie - takie jak drzewa, zabudowania itp., a określenie
wpływu tych elementów na rozkład pola elektrycznego jest na ogół możliwe jedynie na
podstawie pomiarów.
Przy określonej konstrukcji linii i wartości napięcia roboczego, natężenie pola
elektrycznego w jej otoczeniu zależy przede wszystkim od odległości przewodów fazowych od
ziemi. Natężenie pola rośnie wraz ze zmniejszaniem się tej odległości, a największą wartość
uzyskuje w przekroju linii, w którym jej zwis jest największy - zazwyczaj w środku przęsła.
Zarówno przy określaniu największej wartości natężenia pola elektrycznego (Emax) jak też
szerokości obszaru objętego ponadnormatywnym oddziaływaniem pola elektrycznego1) należy
rozpatrywać warunki, w których zwis przewodów linii jest największy tj. przy temperaturze
przewodów +60°C lub -5°C i obciążeniu przewodów tzw. sadziÄ… normalnÄ…. NajwiÄ™ksza wartość
natężenia pola występuje zwykle pod skrajnymi przewodami linii, nieco na zewnątrz rzutu
poziomego przewodów roboczych. Dla linii o pionowym układzie przewodów maksymalna
wartość natężenia pola elektrycznego występuje zawsze pod przewodami roboczymi (rys.1 i 2).
Należy mieć także na uwadze fakt, że szerokość obszaru, w którym natężenie pola
elektrycznego jest większe niż 1 kV/m zależy przede wszystkim od odległości przewody fazowe
- ziemia. Zależność ta jednak nie jest jednak prosta. Nie zawsze bowiem podwyższenie
wysokości zawieszenia przewodów roboczych powoduje, że obszar pod linią, w którym
natężenie pola elektrycznego jest mniejsze od 1 kV/m ma najmniejszą szerokość (obszar
ograniczonego użytkowania o najmniejszej powierzchni).
1)
Obszar, dla którego graniczną wartością natężenia pola elektrycznego jest 10 kV/m (dla obszarów dostępnych dla ludzi)
lub 1 kV/m (dla obszarów zabudowy mieszkalnej lub dla obszarów, na których przewiduje się lokalizacje budynków
specjalnej troski, takich jak szpitale, żłobki, przedszkola itp.).
2.5. Przewody ekranujÄ…ce - cel i zasady stosowania
Gdy dobór właściwej, z punktu widzenia zapewnienia dostatecznych odstępów
elektroizolacyjnych, konfiguracji przewodów linii przesyłowej lub oszynowania stacji
elektroenergetycznej nie prowadzi do obniżenia wartości natężenia pola elektrycznego do
wymaganego przepisami poziomu, należy zastosować inne środki zmniejszające natężenie pola
elektrycznego. Jednym z takich, najczęściej stosowanych, środków są uziemione przewody
ekranujące podwieszone na pewnej wysokości pomiędzy ziemią a przewodami roboczymi linii
lub oszynowaniem stacji. Umieszcza się je w różnych ilościach i na różnych wysokościach,
najczęściej we fragmentach przęseł linii lub pod elementami oszynowania stacji, gdzie rejestruje
się znaczne wartości pól. W skrajnych przypadkach, przy bardzo dużych natężeniach pola
elektrycznego, jakie występuje w niektórych miejscach na terenie stacji elektroenergetycznych,
zamiast przewodów ekranujących stosuje się siatki ekranujące podwieszane pod fragmentami
oszynowania. Przewody ekranujÄ…ce umieszczane sÄ… na specjalnych konstrukcjach wsporczych -
pod fragmentami torów wysokonapięciowych, które są z
ródłem silnego pola elektrycznego.
Rys.1. Rozkład natężenia pola elektrycznego pod jednotorową linią napowietrzną 400 kV na słupach serii Y25
(płaski układ przewodów roboczych) dla różnych wysokości zawieszenia przewodów roboczych nad ziemią
Rys.2. Rozkład natężenia pola elektrycznego pod dwutorową linią napowietrzną 400 kV na słupach serii Z52
(pionowy układ przewodów roboczych) dla różnych wysokości zawieszenia przewodów roboczych nad ziemią
Działanie ekranujące uziemionych przewodów jest wynikiem indukowania się w nich
ładunków, które są z
ródłem pola reakcji, osłabiającego pole wywołujące te ładunki. Skuteczność
ekranowania S określa się stosunkiem potencjałów V lub natężeń pola E, jakie występują
w określonym obszarze przestrzeni bez przewodów ekranujących i po ich zastosowaniu (Vo, Eo):
S = V/Vo , lub S = E/Eo .
Właściwości ekranujące przewodów można również wyrażać przy pomocy tak zwanego
wskaz
nika skuteczności ekranowania KE, który określa o ile procent zmieniło się pierwotne
natężenie pola elektrycznego po wprowadzeniu przewodów ekranujących. Wskaz
nik ten
wyrażony jest zależnością:
KE = 100% x (E - Eo)/E.
3. UKA
ADY POMIAROWE
Stanowisko pomiarowe składa się z modelu jednotorowej linii napowietrznej 400 kV
z płaskim układem przewodów roboczych (w skali 1:50), zasilanego z trójfazowego generatora
napięcia o częstotliwości ok. 20 kHz.
Podczas ćwiczenia laboratoryjnego pomiary rozkładu pola elektrycznego pod modelem linii
400 kV, zarówno w układzie bez przewodów ekranujących, jak i z przewodami ekranującymi,
wykonuje się przy pomocy sondy pojemnościowej o średnicy 20 mm umieszczonej na wysokości
36 mm w skali modelu (1:50), czyli 1,8 m nad poziomem ziemi w skali rzeczywistej. SondÄ™ tÄ™
łączy się z czułym mikroamperomierzem (V 640) prądu przemiennego. Po załączeniu napięcia
z generatora, przesuwając sondę w płaszczyz
nie prostopadłej do osi linii, w środku przęsła,
odczytuje się wartość prądu z mikroamperomierza.
Skalowanie sondy przeprowadzono w oparciu o obliczenia maksymalnego natężenia pola
elektrycznego, które występuje pod linią przesyłową 400 kV, której model jest przedmiotem
ćwiczeń. Maksymalna wartość natężenia pola elektrycznego wynosi 3,37 kV/m dla wysokości
zawieszenia przewodów 15,32 m nad ziemią. Natężeniu temu odpowiada prąd o wartości
I = 0,114 źA płynący przez sondę pomiarową. Natężenie pola elektrycznego w dowolnym
miejscu pod linią oblicza się według wzoru:
E = (3,37 ×ð I)/0,114 = 29,5 ×ð I ,
w którym:
E - natężenie pola elektrycznego w wybranym punkcie pomiarowym, w kV/m,
I - prąd odczytany z mikroamperomierza, w źA.
Wskaz
nik skuteczności ekranowania KE oblicza się z zależności:
KE = 100% ×ð (E - Eo)/E ,
w której:
E - natężenie pola elektrycznego w wybranym punkcie pomiarowym bez przewodów ekranujących,
Eo - natężenie pola elektrycznego w tym samym punkcie pomiarowym po zastosowaniu przewodów
ekranujÄ…cych.
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Program ćwiczenia obejmuje wykonanie następujących badań:
a) pomiary rozkładu natężenia pola elektrycznego w środku rozpiętości przęsła bez przewodów
ekranujÄ…cych,
b) badanie wpływu wysokości zawieszenia przewodów ekranujących na wartość natężenia pola
elektrycznego pod modelowym układem linii,
c) badanie wpływu ilości przewodów ekranujących oraz ich położenia względem skrajnych
przewodów roboczych linii, na wartość maksymalną natężenia pola elektrycznego pod
modelowym układem linii.
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
W sprawozdaniu z ćwiczenia, poza tabelami zawierającymi wyniki pomiarów rozkładu
natężenia pola elektrycznego dla różnych wariantów (układ bez przewodów ekranujących
i z przewodami ekranującymi w różnej konfiguracji geometrycznej wskazanej przez
prowadzącego), należy przedstawić rezultaty badań w formie graficznej. Na rysunkach należy
zaprezentować wykresy obrazujące rozkład pola elektrycznego pod modelowym układem linii
400 kV (w środku przęsła) w funkcji odległości od osi linii. Wykresy należy sporządzić zarówno
dla układu bez przewodów ekranujących, jak i po ich zastosowaniu - przy różnych ich
konfiguracjach.