PRZESYŁ I DYSTRYBUCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Laboratorium

Ćwiczenie 1. Pole elektromagnetyczne w otoczeniu urządzeń elektrycznych i elektroenergetycznych.

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest określenie natężenia pola magnetycznego na podstawie pomiaru indukcji magnetycznej w otoczeniu urządzeń elektrycznych i elektroenergetycznych a także zapoznanie się z procedurami przeprowadzania takich pomiarów.

2. Podstawowe wiadomości o polu elektromagnetycznym.

W otoczeniu ładunków elektrycznych i przewodów wiodących prąd istnieje pole elektromagnetyczne, będące wzajemnym powiązaniem pola elektrycznego i pola magnetycznego w obszarze. Istnienie i zmiany czasowe jednego pola wytwarzają drugie pole, wskutek czego oba pola są ze sobą nierozerwalnie związane. Pole elektromagnetyczne charakteryzuje 5 wielkości wektorowych (czcionką pogrubioną zaznaczono wielkości wektorowe):

• natężenie pola elektrycznego E [V/m],

• indukcja elektryczna D [C/m²],

• gęstość prądu J [A/m²],

• natężenie pola magnetycznego H [A/m],

• indukcja magnetyczna B [T].

Pole elektromagnetyczne oddziałuje na poruszający się z prędkością v ładunek q z siłą:

Wielkość qE jest siłą, z jaką oddziałuje pole elektryczne a q(v × B) jest siłą, z jaką oddziałuje pole magnetyczne. Zależność (1) znana jest w literaturze jako wzór Lorentza. Na podstawie tego wzoru otrzymuje się formalne określenie natężenia pola elektrycznego E oraz indukcji magnetycznej B.

Dla dalszych rozważań założyć można, że q oznacza bardzo mały (bliski zeru) ładunek próbny. Gdyby ponadto ładunek ten był nieruchomy (v = 0), to na podstawie wzoru (1) otrzyma się:

Wobec powyższego, natężenie pola elektrycznego określa się jako granicę ilorazu siły działającej na nieruchomy ładunek próbny przez ten ładunek, gdy dąży on do zera. Jednostką natężenia pola elektrycznego jest wolt na metr [V/m].

Przypuszczając, że założony wcześniej ładunek q porusza się w polu elektromagnetycznym z prędkością v. Indukcję magnetyczną B można wówczas określić z zależności (1), w której natężenie E pola elektrycznego zostało już uprzednio zdefiniowane. Określenie indukcji otrzymuje się więc na podstawie siły, z jaką pole magnetyczne oddziałuje na poruszający się ładunek. Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla [T] = [
].

Otrzymane w ten sposób określenia natężenia pola elektrycznego i indukcji magnetycznej mają charakter formalny, a ich wykorzystanie do celów pomiarowych jest w dużej mierze ograniczone, ponieważ mogą one znaleźć fizyczne odbicie tylko w przypadku pól stałych w czasie lub zmieniających się bardzo powoli.

Dielektrykami nazywamy ciała nie przewodzące prądu elektrycznego. Pole elektryczne w dielektryku charakteryzują dwie wielkości wektorowe: natężenie pola elektrycznego oraz indukcja elektryczna D. W liniowych środowiskach izotropowych, których własności nie zależą od kierunku, wektory D i E są do siebie proporcjonalne, czyli indukcja elektryczna:

gdzie ɛ - przenikalność elektryczna.

Jednostką indukcji elektrycznej jest kulomb na metr kwadratowy [C/m²], a przenikalności elektrycznej - farad na metr [F/m]. Należy jednakże dodać, że wzór (3) zasadny jest tylko dla niezbyt silnych pól elektrycznych.

Przenikalność elektryczna ɛ charakteryzuje dielektryki. Wielkość tę przedstawiamy w postaci

gdzie

jest przenikalnością elektryczną próżni, a ɛ_r - względną przenikalnością elektryczną środowiska.

3. Sposoby pomiaru i aparatura pomiarowa.

Ponieważ pole elektromagnetyczne jest polem przestrzennym, wyróżniamy mierniki pola elektromagnetycznego z jednym ustrojem pomiarowym oraz kilkoma (najczęściej trzema) ustrojami pomiarowymi. W ćwiczeniu wykorzystywane będą oba typy aparatów.

Pomiary miernikiem jednoczujnikowym pola magnetycznego należy wykonać w trzech wzajemnie prostopadłych płaszczyznach: pionowej 1, pionowej 2 oraz poziomej.

Rys. 1. Położenie miernika jednoczujnikowego: pionowe 1, pionowe 2, poziome.

Wartość indukcji magnetycznej mierzonej miernikiem jednoczujnikowym w danym punkcie uzyskuje się wyliczając pierwiastek z sumy kwadratów dla trzech odczytanych z miernika wyników. Wzór ten ma postać:

W przypadku pomiarów wykonywanych miernikiem z trzema ustrojami pomiarowymi wynik pomiaru wyświetlany na ekranie urządzenia jest już wypadkową wartością indukcji magnetycznej w danym punkcie.

Istnieje szereg zależności między jednostkami natężenia pola magnetycznego i indukcji magnetycznej. Zostały one zestawione w tabeli 1.

		[A/m]	[µT]	[G]
Natężenie pola magnetycznego	[A/m]	1	1,25	0,0125
Indukcja magnetyczna	[µT]	0,8	1	0,01
		[G]	80	100	1

Tabela 1.

4. Dopuszczalne wartości natężenia pola elektrycznego i magnetycznego.

Wszystkie urządzenia elektryczne wytwarzają w swoim otoczeniu pola elektromagnetyczne, które powstają na skutek obecności napięcia (pole elektryczne) oraz w wyniku przepływu prądu (pole magnetyczne). W przypadku pól o częstotliwości 50 Hz, powstających np. wokół obiektów elektroenergetycznych, obie składowe pola, tj. elektryczną i magnetyczną, można rozpatrywać oddzielnie. Pola o większych częstotliwościach posiadają inne właściwości i oddzielne rozpatrywanie obu składowych pola jest niemożliwe.

Dopuszczalne wartości natężenia pola elektrycznego i magnetycznego podają rozporządzenia, np. ministra środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów. Rozporządzenie to określa m.in. dopuszczalne poziomy pól elektromagnetycznych w środowisku, zróżnicowane dla terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową oraz miejsc dostępnych dla ludności (tzw. ekspozycja środowiskowa).

Zakres częstotliwości pól elektromagnetycznych, dla których określa się parametry fizyczne charakteryzujące oddziaływanie pól elektromagnetycznych na środowisko, dla terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową oraz dopuszczalne poziomy pól elektromagnetycznych, charakteryzowane przez dopuszczalne wartości parametrów fizycznych, dla terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową przedstawiony został w tabeli 2.

		Parametr fizyczny
Zakres częstotliwości pola elektromagnetycznego		Składowa elektryczna	Składowa magnetyczna	Gęstość mocy
1.	50 Hz	1 kV/m	60 A/m	-

Tabela 2.

Zakres częstotliwości pól elektromagnetycznych, dla których określa się parametry fizyczne charakteryzujące oddziaływanie pól elektromagnetycznych na środowisko, dla miejsc dostępnych dla ludności oraz dopuszczalne poziomy pól elektromagnetycznych, charakteryzowane przez dopuszczalne wartości parametrów fizycznych, dla miejsc dostępnych dla ludności zostały przedstawione w tabeli 3.

		Parametr fizyczny
Zakres częstotliwości pola elektromagnetycznego		Składowa elektryczna	Składowa magnetyczna	Gęstość mocy
1.	0 Hz	10 kV/m	2500 A/m	-
2.	od 0 Hz do 0,5 Hz	-	2500 A/m	-
3.	od 0,5 Hz do 50 Hz	10 kV/m	60 A/m	-
4.	od 0,05 kHz do 1 kHz	-	3/f A/m	-
5.	od 0,001 MHz do 3 MHz	20 V/m	3 A/m	-
6.	od 3 MHz do 300 MHz	7 V/m	-	-
7.	od 300 MHz do 300 GHz	7 V/m	-	0,1 W/m^2

Tabela 3.

Nieco inaczej prezentuje się sytuacja w przypadku obszarów tzw. ekspozycji zawodowej (dla pola o częstotliwości 50 Hz). Obszar dzieli się na 4 strefy:

1. strefę bezpieczną (H < 66,6 A/m), którą stanowią obszary poza strefami ochronnymi, w którym przebywanie ludzi nie podlega ograniczeniom,

2. strefę pośrednią (66,6 A/m < H < 200 A/m), która jest strefą ochronną i mogą w niej przebywać pracownicy w ciągu całej zmiany roboczej, wynoszącej 8 godzin,

3. strefę zagrożenia (200 A/m < H < 2000 A/m), która jest strefą ochronną, w której mogą przebywać pracownicy przez określony czas, krótszy niż 8 godzin, zależy od wartości natężeń pól elektrycznych i magnetycznych występujących na stanowisku pracownika, zgodnie z warunkami dopuszczalnej ekspozycji zawodowej, ustalonymi zgodnie z krajowymi zasadami BHP w polach elektromagnetycznych,

4. strefę niebezpieczną (H > 2000 A/m), która jest strefą ochronną, w której mogą przebywać wyłącznie pracownicy wyposażeni w środki ochrony indywidualnej, zabezpieczające ich przed oddziaływaniem pola elektromagnetycznego, oraz w której dopuszczone jest jedynie trzymanie kończyn zgodnie z warunkami dopuszczalnej ekspozycji zawodowej, ustalonymi przez krajowe zasady BHP w polach elektromagnetycznych.

Wartości natężenia pola elektrycznego i magnetycznego spotykanych w środowisku podano w tabeli 4.

Natężenia pola elektrycznego i magnetycznego 50 Hz wytwarzanych w sąsiedztwie:
Linii napowietrznych	E [kV/m]	H [A/m]	Urządzeń elektrycznych powszechnego użytku	E [kV/m]	H [A/m]
Pod liniami NN	1 - 20	0,8 - 40	Pralka automatyczna	0,13	0,3
								w odl. 30 cm
				W odległości 150 m od linii NN	<0,5	<4	Żelazko	0,12	0,2
								w odl. 30 cm
				Pod liniami WN	0,5 - 4	<16	Monitor komputerowy	0,2	0,1
								w odl. 10 cm
				Pod liniami SN	<0,3	0,8 - 16	Odkurzacz	0,13	5
								w odl. 30 cm
				Na zewnątrz stacji WN	0,1 - 0,3	<0,2	Suszarka do włosów	0,8	4
								w odl. 10 cm
				Maszynka do golenia	0,7	12 - 1200
								w odl. 10 cm

Tabela 4.

5. ELF i VLF.

ELF (Extremely Low Frequency) oznacza zakres częstotliwości w widmie elektromagnetycznym, które zawiera zmienne przebiegi elektryczne i magnetyczne (a więc i pola) w zakresie podstawowym od 30 do 300 Hz. W praktyce zakres ten bywa rozszerzany, np. od 5 do 2000 Hz. Głównymi źródłami pól elektromagnetycznych w zakresie ELF są instalacje elektryczne i urządzenia zasilane z tej sieci.

VLF (Very Low Frequency) - zakres częstotliwości pola elektromagnetycznego od 3 do 30 kHz. W praktyce zakres ten rozszerza się, np. od 2 do 500 kHz. Głównymi, popularnymi źródłami pól elektromagnetycznych VLF są monitory ekranowe i odbiorniki telewizyjne. Pola te wytwarzane są przez układy generatorów odchylania pionowego i poziomego oraz przez zasilacze impulsowe. Innymi źródłami zakłóceń elektromagnetycznych w zakresie VLF są np. nadajniki fal radiowych (długich).

6. Wymagania dotyczące monitorów ekranowych.

W Polsce nie opracowano jeszcze normy, która określałaby wartości graniczne pola elektromagnetycznego wokół monitorów ekranowych. Zrobił to jednak, w 1986 roku, Szwedzki Urząd Miar i Badań, publikując zbiór norm, które zostały zaostrzone w roku 1990. Zalecenia zawarte w normach MPR2 w zakresie ELF i VLF wynosiły odpowiednio:

• dla natężenia pola elektrycznego w zakresie ELF do 25 V/m, w zakresie VLF do 2,5 V/m,

• dla indukcji magnetycznej w zakresie ELF do 0,25 µT, w zakresie VLF do 25 nT,

przy czym wartości te muszą być zachowane w odległości 50 cm od ekranu monitora.

Jeszcze ostrzejsze wymagania zostały opracowane i wprowadzone przez Szwedzką Konfederację Związków Zawodowych (TCO). Podają one wielkości określone dla odległości 30 cm od ekranu. Przewidziano następujące wartości dopuszczalne:

• dla natężenia pola elektrycznego w zakresie częstotliwości ELF do 10 V/m, zakresie VLF do 1 V/m,

• dla indukcji magnetycznej w zakresie częstotliwości ELF do 0,2 µT, w zakresie VLF do 25 nT.

Opracowano już kilka kolejnych standardów TCO, przy czym najnowsze (TCO 6.0) nie różnią się wymaganiami dotyczącymi projekcji pola elektromagnetycznego wokół monitorów.

7. Przebieg ćwiczenia.

Głównym punktem ćwiczenia laboratoryjnego jest wykonanie pomiarów pola magnetycznego w otoczeniu różnych urządzeń elektrycznych i elektroenergetycznych. Ze względu na trudność w wykonaniu jednoznacznych i poprawnych pomiarów pola elektrycznego, procedura ta zostanie tylko zademonstrowana.

1. Dane obiektów pomiarów.

1. Monitor komputerowy CRT:

2. Monitor komputerowy LCD:

3. Lampa biurowa:

4. Czajnik elektryczny:

5. Otoczenie stacji elektroenergetycznej:

Warunki klimatyczne podczas wykonywania pomiarów (wilgotność, temperatura):

Stosowane mierniki:

1. Oględziny sprzętu pomiarowego.

Po wykonaniu powyższych zadań należy zapoznać się z miernikami pola magnetycznego, tzn. dokonać oględzin sprzętu (ewentualne uszkodzenia zgłosić prowadzącemu), sprawdzić stan naładowania baterii itp.

2. Pomiar natężenia pola magnetycznego miernikiem jednoczujnikowym w otoczeniu sprzętu komputerowego.

Kolejnym krokiem jest pomiar indukcji magnetycznej miernikiem jednoczujnikowym w otoczeniu monitorów: CRT oraz LCD. Wyniki pomiarów należy zamieścić w tabeli nr 5.

l	zakres ELF				zakres VLF
		Z pomiarów			Z obliczeń	Z pomiarów			Z obliczeń
		B1	B2	B3	Bw	B1	B2	B3	Bw
[cm]	[µT]				[µT]
Monitor CRT
5
10
15
20
25
30
35
40
50
60
Monitor LCD
5
10
15
20
25
30
35
40
50
60

Tabela 5.

3. Obliczanie natężenia pola magnetycznego w otoczeniu sprzętu komputerowego.

Należy, korzystając z tabeli 1., przeliczyć wartości indukcji magnetycznej na natężenie pola magnetycznego. Wyniki obliczeń należy zestawić w tabeli 6.

l	Zakres ELF	Zakres VLF
		H	H
[cm]	[A/m]	[A/m]
Monitor CRT
5
10
15
20
25
30
35
40
50
60
Monitor LCD
5
10
15
20
25
30
35
40
50
60

Tabela 6.

4. Pomiary miernikiem trójczujnikowym.

Pomiary miernikiem trójczujnikowym należy wykonać w otoczeniu pozostałych, dostępnych w ćwiczeniu urządzeń. Wyniki prób i obliczeń należy zestawić w tabeli 7.

l	Nazwa urządzenia
		……………………		……………………		……………………		……………………
		B	H	B	H	B	H	B	H
[cm]	[µT]	[A/m]	[µT]	[A/m]	[µT]	[A/m]	[µT]	[A/m]
5
10
15
20
25
30
35
40
50
60

Tabela 7.

5. Badania w otoczeniu stacji elektroenergetycznej.

Dane stacji i badanego obiektu:

Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli 8.

	Nr punktu	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
B	[µT]
H	[A/m]

Tabela 8.

8. Sprawozdanie.

Sprawozdanie z niniejszego ćwiczenia powinno zawierać:

1. wypełnione formularze i tabele z punktów 7.1 - 7.6,

2. wykresy zależności B = f(l), H = f(l) (na podstawie wyników pomiarów i obliczeń, dla wszystkich przypadków z punktów 7.1 - 7.5). W przypadku punktu 7.6 wykonać wykres powierzchniowy zależności indukcji i natężenia pola magnetycznego od punktu w przestrzeni,

3. szkic otoczenia stacji elektroenergetycznej z naniesionymi punktami pomiarów,

4. krótką charakterystykę (teoretyczną) wpływu pola elektromagnetycznego na organizmy żywe,

5. ocenę wyników i wnioski.

Instrukcję opracowano na podstawie:

1. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30.10.2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów; Dz. U. nr 192, poz. 1883,

2. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29.11.2002 r. w sprawie dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy; Dz. U. nr 217, poz 1833,

3. Krakowski M.: Elektrotechnika Teoretyczna. Tom 2: Pole elektromagnetyczne, PWN 1995,

4. Frąckowiak J. i in.: Elektrotechnika Teoretyczna. Laboratorium, Wydawnictwo PP 2006.

mgr inż. Bartosz Olejnik

Instytut Elektroenergetyki PP

1

---