docpole elektromagnetyczne w środowisku człowieka i metoda jego
download 
Reklamacja Transkrypt
pole elektromagnetyczne w środowisku człowieka i metoda jego
Katarzyna STRZAŁKA - GOŁUSZKA Przemysław SYREK POLE ELEKTROMAGNETYCZNE W ŚRODOWISKU CZŁOWIEKA I METODA JEGO OBLICZANIA STRESZCZENIE. W artykule przedstawione zostały główne źródła pól elektromagnetycznych oraz skala zagroŜeń i ochrona przed tymi polami. W drugiej części artykułu przedstawiono natomiast metody pozwalające na graficzną interpretację pól elektromagnetycznych występujących w otoczeniu linii napowietrznych. Naturalne natęŜenie pola elektrycznego przy powierzchni Ziemi w warunkach dobrej pogody ma wartość od 100 do 150 V/m. Z kolei w warunkach burzy moŜe dochodzić do około 20 kV/m. Wartości naturalnego pola magnetycznego zaleŜne są od szerokości geograficznej i mogą zawierać się w przedziale od 20 do 60 A/m. Do źródeł pól elektromagnetycznych (PEM) zaliczyć moŜna wszystkie urządzenia i instalacje elektryczne, które uŜytkowane są w energetyce, w przemyśle, w budynkach mieszkalnych i uŜyteczności publicznej, jak równieŜ w transporcie. Słowa kluczowe: pole elektromagnetyczne, kompatybilność elektromagnetyczna mgr inŜ. Katarzyna STRZAŁKA - GOŁUSZKA Doktorantka Wydziału EAIiE AGH e-mail: [email protected] mgr inŜ. Przemysław SYREK Doktorant Wydziału EAIiE AGH e-mail: [email protected] PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 239, 2008 190 K. Strzałka – Gołuszka, P. Syrek 1. WSTĘP W obecnych czasach nikt z nas nie potrafiłby juŜ obejść się bez korzystania z energii elektrycznej. Jej uŜytkowanie pociąga za sobą powstawanie pola elektromagnetycznego. Naturalne i wytwarzane pola elektromagnetyczne towarzyszą więc człowiekowi wszędzie (w miejscu zamieszkania, w pracy), a za ich coraz bardziej intensywne występowanie odpowiedzialny jest rozwój róŜnych dziedzin techniki. Pole elektromagnetyczne stało się ostatnio tematem głębszych rozwaŜań w kontekście jego negatywnego oddziaływania na środowisko i zdrowie człowieka. Przy jego opisie najczęściej omawia się oddzielnie pole elektryczne i magnetyczne. W ostatnich latach coraz większego znaczenia nabierają zagadnienia związane z ochroną środowiska i zdrowia człowieka. Na podstawie badań prowadzonych przez organizacje międzynarodowe wprowadzane są coraz to nowsze przepisy mające ustrzec ludzi przed szkodliwym wpływem czynników pola elektromagnetycznego. W artykule przedstawione zostały główne źródła pól elektromagnetycznych oraz skala zagroŜeń i ochrona przed tymi polami. W drugiej części artykułu przedstawiono metodę pozwalającą wyznaczyć wartość pola w otoczeniu linii napowietrznych. 2. ŹRÓDŁA PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH Podczas omawiania zjawisk i oddziaływań elektromagnetycznych najczęściej rozróŜnia się i oddzielnie omawia pola elektryczne i magnetyczne. Pole elektryczne powstaje w wyniku występującej między dwoma punktami w przestrzeni róŜnicy potencjałów, czyli napięcia, a jednostką jego natęŜenia jest kV/m. Naturalne natęŜenie pola elektrycznego przy powierzchni Ziemi w warunkach dobrej pogody ma wartość od 100 do 150 V/m. Z kolei w warunkach burzy moŜe dochodzić do około 20 kV/m. Pola elektryczne są w zasadzie ekranowane przez wierzchnie warstwy przewodzącej materii organizmów Ŝywych, przez co praktycznie nie przenikają one do wnętrza tych organizmów. Pole elektromagnetyczne w środowisku człowieka i metoda jego obliczania 191 Pole magnetyczne natomiast wywoływane jest przez przepływający prąd elektryczny. W tym przypadku wyróŜnić moŜna dwie wielkości fizyczne charakteryzujące to pole. NaleŜy do nich natęŜenie pola magnetycznego, którego jednostką jest A/m oraz indukcja magnetyczna wyraŜana w T. Wartości naturalnego pola magnetycznego zaleŜne są od szerokości geograficznej i mogą zawierać się w przedziale od 20 do 60 A/m. Pola magnetyczne są słabo ekranowane przez materiały przewodzące, stąd przenikają one do wnętrza organizmów Ŝywych, przez co nagrzewają ich ciało. Dlatego podczas rozpatrywania tego pola ocenia się równieŜ gęstość powierzchniową mocy związaną z tym polem promieniowania, mierzoną w W/m2, w odniesieniu do powierzchni ciała lub w W/kg, w odniesieniu do masy człowieka. Wartości natęŜenia PEM jak i częstotliwości promieniowania decydują o szkodliwości pola w stosunku do środowiska. W tabeli 1 przedstawiono dopuszczalne poziomy promieniowania elektromagnetycznego. TABELA 1 Dopuszczalne poziomy promieniowania elektromagnetycznego Rodzaj promieniowania Środowisko pracy (8h) Strefa zamieszkania (24h) Pole elektryczne 10 kV/m 1 kV/m Pole magnetyczne 66,7 A/m 60 A/m Indukcja magnetyczna 83,7 µT 75,36 µT 2 2 Gęstość energii 2 W/m 2 W/m * SAR 10 W/kg (pracownicy) 2 W/kg (ogół ludności) * SAR (specific absorption rate) – szybkość pochłaniania właściwego. Określa ona zagroŜenie termiczne wywołane przez promieniowanie mikrofalowe. Do źródeł pól elektromagnetycznych (PEM) zaliczyć moŜna wszystkie urządzenia i instalacje elektryczne, które uŜytkowane są w energetyce, w przemyśle, w budynkach mieszkalnych i uŜyteczności publicznej, jak równieŜ w transporcie. Źródła PEM zostały podzielone na kilka grup. Do pierwszej zaliczyć moŜna stacje i sieci elektroenergetyczne. Drugą stanowią stacje przekaźnikowe radiowo-telewizyjne i telefonii komórkowej oraz wszelkie inne stacje nadawczo-odbiorcze, które słuŜą do zapewnienia łączności i wykrywania obiektów. Kolejną grupę tworzą urządzenia przemysłowe, a takŜe urządzenia i instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ostatnią grupę stanowią urządzenia uŜytkowane w gospodarstwach domowych, w obiektach uŜyteczności publicznej i handlowej, biurach i środkach transportu. Do grupy tej zaliczyć moŜna teŜ telefony komórkowe i radiotelefony CB. Bardzo waŜną właściwością pól elektromagnetycznych jest ich częstotliwość. Jak widać na rysunku 1 promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje bardzo szerokie spektrum częstotliwości. Z rysunku 1 wynika, Ŝe 192 K. Strzałka – Gołuszka, P. Syrek polem elektromagnetycznym jest zarówno pole pod linią elektroenergetyczną, pole od systemów telefonii komórkowej, jak równieŜ promieniowanie widzialne, rentgenowskie czy promieniowanie pierwiastków promieniotwórczych. Rys. 1. Spektrum promieniowania elektromagnetycznego [9] Wraz ze wzrostem częstotliwości maleje długość fali promieniowania i rośnie energia przenoszona przez promieniowanie. Z długością fali z kolei wiąŜą się pojęcia pola bliskiego i dalekiego. O polu bliskim mówimy, gdy obserwator oddalony jest od źródła promieniowania na odległość mniejszą niŜ długość fali dzielona przez 2π. Natomiast, gdy odległość ta jest większa wówczas mamy do czynienia z polem dalekim. Zaletą pola bliskiego jest moŜliwość rozpatrywania jego składowych oddzielnie, w przypadku pola dalekiego jest to niemoŜliwe. Dla kaŜdej częstotliwości pole elektromagnetyczne posiada więc inne właściwości. Dlatego teŜ w celu ułatwienia, wprowadza się kolejne podziały na zakresy o podobnych właściwościach. Przykładem takiego podziału jest wyróŜnienie promieniowania jonizującego i niejonizującego. W tym przypadku ich granica występuje na poziomie 1016 Hz. Istotnym zakresem pól elektromagnetycznych, o którym naleŜy wspomnieć są pola ekstremalnie niskich częstotliwości (Extremely Low Frequency), które zawierają częstotliwości do 300 Hz. Zakres ten obejmuje tak zwaną częstotliwość techniczną (50/60 Hz), która charakteryzuje całą infrastrukturę elektroenergetyczną. Jego szczególne właściwości wynikają z powszechności występowania oraz z faktu iŜ jest to pole nowe, sztuczne, wymyślone przez człowieka i w dalszym ciągu słabo poznane. WaŜnym Pole elektromagnetyczne w środowisku człowieka i metoda jego obliczania 193 zagadnieniem jest więc problem ekspozycji w polu elektromagnetycznym i jego szkodliwość. DuŜe znaczenie w tym przypadku odgrywa tak zwane naraŜenie środowiskowe, czyli takie, w którego polu moŜe znaleźć się kaŜdy człowiek bez ograniczeń czasowych. Przykładami takich źródeł są instalacje elektroenergetyczne i urządzenia elektryczne powszechnego uŜytku. W tabeli 2 zestawiono przykładowe wartości oddziaływania tych źródeł. Od czasu doświadczalnego potwierdzenia istnienia fal elektromagnetycznych i późniejszego ich zastosowania, naturalne środowisko Ziemi jest sukcesywnie wzbogacane przez człowieka źródłami promieniowania elektromagnetycznego. W przypadku pól wielkiej częstotliwości (powyŜej 100 kHz), jako źródła ich generowania wyróŜnić moŜna systemy radiokomunikacyjne, jak równieŜ urządzenia eksploatowane w przemyśle, nauce Tabela 2 Poziomy pola elektrycznego i magnetycznego o częstotliwości 50 Hz występujące w środowisku Linie napowietrzne Pod liniami najwyŜszych napięć (220-400 kV) W odległości 150 m od linii 400 kV Pod liniami wysokiego napięcia (110 kV) Pod liniami średniego napięcia (6-30 kV) Na zewnątrz stacji elektroenergetycznych wysokiego napięcia NatęŜenie pola elektrycznego [kV/m] 1 – 10 NatęŜenie pola magnetycznego [A/m] 0,8 – 40 poniŜej 0,5 poniŜej 4 0,5 – 0,4 poniŜej 16 poniŜej 0,3 0,8 – 16 0,1 – 0,3 poniŜej 0,2 i medycynie. Z polami tymi związane jest występowanie zjawiska noszącego nazwę efektu termicznego. Polega on na tym, iŜ absorpcja fali elektromagnetycznej przez materię (np. ciało człowieka) moŜe wywołać lokalne lub ogólne podwyŜszenie temperatury. Zjawisko to ma niewątpliwie niebezpieczny charakter, aczkolwiek jest stosowane w sposób zamierzony. Warto wspomnieć równieŜ o promieniowaniu, jakie emitowane jest przez telefony komórkowe, które w dzisiejszych czasach są powszechnie stosowane. Telefony to urządzenia nadawczo-odbiorcze o niewielkiej mocy promieniowanej przez antenę (2W). Korzystają one z cyfrowych systemów przesyłu danych i pracują przy częstotliwościach 900 MHz i 1800 MHz. W momencie nawiązywania połączenia aparat osiąga pełną moc, zmniejsza ją automatycznie po nawiązaniu łączności, przez cały ten czas znajduje się on wtedy najczęściej 194 K. Strzałka – Gołuszka, P. Syrek blisko głowy i tam właśnie koncentruje się cała energia elektromagnetyczna osiągająca dość duŜe wartości. Sugeruje się więc trzymać aparat daleko od głowy podczas nawiązywania łączności, czyli wtedy, gdy aparat szuka połączenia ze stacją bazową. Najlepszym jednak rozwiązaniem będzie ograniczenie przebywania w pobliŜu źródeł promieniowania (skracać czas rozmowy przez telefon trzymany przy głowie). 3. AKTUALNE PRZEPISY, NORMY I ZALECENIA DOTYCZĄCE OCHRONY PRZED ODDZIAŁYWANIEM PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH W Polsce od wielu lat istnieją wymagania prawne, które regulują zasady ochrony środowiska i zdrowia ludzi przed oddziaływaniem pól elektromagnetycznych. Przepisy te dotyczą tych źródeł, które zasięgiem obejmują znaczne obszary. Według prawa obiektami szkodliwymi mogą być linie napowietrzne najwyŜszych napięć a takŜe stacje elektroenergetyczne. Regulacje prawne w omawianej tematyce wyróŜniają dwa środowiska, a mianowicie środowisko pracy i środowisko ogólnie dostępne. Środowisko pracy to obszar (teren), który wykorzystywany jest tylko do celów produkcyjnych i w większości dostępny jest jedynie dla pracowników, którzy naraŜeni są na większe wartości działającego pola lecz stosunkowo krótki czas ekspozycji. Z kolei środowisko ogólno dostępne według przepisów to obszar, na którym bez ograniczeń przebywać mogą ludzie (w tym dzieci, kobiety w ciąŜy itp.), naraŜeni na mniejsze wartości działającego pola lecz zwykle dłuŜszy czas ekspozycji. Podstawowym aktem prawnym regulującym zagadnienia związane z oddziaływaniem pól elektromagnetycznych jest Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów. W przypadku projektowania i budowy linii elektroenergetycznych obowiązywała Polska Norma PN-E-05100-1. Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowanie i budowa. Linie prądu przemiennego z przewodami roboczymi gołymi [12]. W sierpniu 2005 została wprowadzona Polska Norma PN-EN 50341-1, która róŜni się od dotychczasowej normy. W normie tej zamieszczono najmniejsze odległości przewodów fazowych linii napowietrznych od ziemi. PowyŜsze dwa dokumenty nie są w pełni spójne, co wprowadza problemy z interpretacją. Z pośród wymagań Polskiej Normy [12] wymienić moŜna zapis dotyczący wartości natęŜenia pola elektrycznego, które pochodzi od przewodów linii i nie powinno przekraczać 1 kV/m na wysokości 1,8 m od poziomu ziemi na Pole elektromagnetyczne w środowisku człowieka i metoda jego obliczania 195 obszarach lokalizacji budynków mieszkalnych i innych (szpitali, przedszkoli, szkół, internatów itp), w których ludzie przybywają przez czas dłuŜszy niŜ 8 godzin na dobę. Poza tym natęŜenie pola elektrycznego nie powinno przekraczać 10 kV/m na wysokości 1,8 m od poziomu ziemi i innych płaszczyzn (np. dachów i tarasów budynków), na których ludzie przebywają nie dłuŜej niŜ 8 godzin. Wymagania te mają wpływ na ustalenie najmniejszej dopuszczalnej odległości pionowej przewodów roboczych linii napowietrznej od ziemi przy największym jej zwisie. W zakresie ochrony środowiska przed oddziaływaniem pola elektromagnetycznego powyŜsze rozporządzenie określa dopuszczalne poziomy pól elektromagnetycznych w środowisku (róŜne dla: terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową oraz miejsc dostępnych dla ludności), zakresy częstotliwości pól elektromagnetycznych, dla których określane są parametry fizyczne, które charakteryzują oddziaływanie pól elektromagnetycznych na środowisko, jak równieŜ podaje metody wyznaczania i sprawdzania dotrzymania dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych. Wartości graniczne natęŜeń składowej elektrycznej i magnetycznej pola elektromagnetycznego (50 Hz) w róŜnych krajach są zróŜnicowane. Obowiązujące w poszczególnych krajach normatywy ustalane są w oparciu o stale uaktualniane poglądy a takŜe nowe wyniki badań biologicznomedycznych. Do organizacji zajmujących się tego typu badaniami zaliczyć moŜna Międzynarodową Organizację Zdrowia (WHO), Międzynarodowy Komitet Promieniowania Niejonizującego (IRPA/INIRC), Komitet Medyczny Międzynarodowej Konferencji Sieci Elektrycznych (CIGRE), CENELEC itp. Brak jednolitych norm w krajach Unii Europejskiej utrudnia harmonizację zasad dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy, a takŜe przepisów poświęconych ochronie środowiska. W związku z tym w 1995r. powstał projekt zawierający najwyŜsze dopuszczalne natęŜenia pól elektromagnetycznych i został wprowadzony jako nieobowiązujące zalecenie. 4. ODDZIAŁYWANIE PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH NA ŚRODOWISKO CZŁOWIEKA I OCHRONA PRZED PEM Gwałtowny rozwój współczesnej technologii, a tym samym wzrost liczby źródeł PEM spowodował pojawienie się problemu znaczenia tych pól dla organizmów Ŝywych i moŜliwości doprowadzania przez nie do patologicznych 196 K. Strzałka – Gołuszka, P. Syrek reakcji w organizmie człowieka. Zagadnienie oddziaływania urządzeń elektromagnetycznych na ludzi i środowisko moŜna postrzegać jako znacznie szerszy problem, uwzględniając fakt, Ŝe współczesny człowiek jest ze wszech stron otoczony polami elektromagnetycznymi pochodzącymi od róŜnych źródeł. W środowisku występują liczne źródła pól elektromagnetycznych w szerokim zakresie częstotliwości od kilku Hz do GHz. NaraŜenia od pól elektromagnetycznych 50 Hz rozpatrywane są jako bezpośrednie, będące oddziaływaniem na organizmy Ŝywe i obiekty techniczne, oraz pośrednie, poprzez efekty towarzyszące zjawisku ulotu elektrycznego, takie jak: szum akustyczny i zakłócenia radioelektryczne. Od ponad trzydziestu lat w wielu renomowanych ośrodkach naukowych na świecie prowadzone są badania nad wpływem pól elektromagnetycznych na środowisko i zdrowie ludzi. Problem oddziaływania analizowany jest zarówno pod względem technicznym, biologiczno medycznym, jak równieŜ społecznym [11]. Pomimo długoletnich badań doświadczalnych i epidemiologicznych zagadnienie związku pola magnetycznego z zachorowaniem na nowotwory pozostaje nadal zagadnieniem otwartym. ZaleŜności między ekspozycją na pole magnetyczne i rozwojem choroby nowotworowej, które udało się ustalić w licznych badaniach są na tyle silne, Ŝe nie moŜna ich uznać za przypadkowe i lekcewaŜyć, ale i na tyle słabe, Ŝe nie pozwalają na zaakceptowanie istnienia związku przyczynowego. Ochrona przed niepoŜądanymi następstwami ekspozycji na pola elektromagnetyczne opiera się w Polsce od wielu lat na wprowadzaniu stref ochronnych promieniowania elektromagnetycznego i ocenie ekspozycji pracownika. W przepisach odpowiednich dla poszczególnych zakresów częstotliwości zdefiniowane zostały strefy ochronne. Pierwszą z nich jest strefa niebezpieczna, w której to mogą przebywać wyłącznie pracownicy wyposaŜeni w urządzenia zabezpieczające ich przed szkodliwym działaniem pola elektromagnetycznego. Kolejna to strefa zagroŜenia, w której mogą przebywać pracownicy przez określony czas skrócony, poniŜej 8 godzin na dobę, zaleŜny od wartości natęŜenia pola elektromagnetycznego w miejscu ich przebywania. Następnie wyróŜnia się strefę pośrednią, w której mogą przebywać pracownicy nie dłuŜej niŜ 12 godzin na dobę. Ostatnia strefa nazywana jest bezpieczną, jest to obszar, który leŜy poza strefami ochronnymi, w którym przebywanie ludzi nie podlega ograniczeniom. Podobną zasadą moŜemy kierować się w Ŝyciu codziennym w odniesieniu do urządzeń elektrycznych, które znajdują się w naszych domach, albowiem intensywność PEM maleje z kwadratem odległości. Ekranowanie jest jednym ze środków ochrony przed PEM, które stosowane jest w środowisku pracy, jak równieŜ poza nim. Realizacja Pole elektromagnetyczne w środowisku człowieka i metoda jego obliczania 197 ekranowania chroniącego przed polami elektrycznymi jest stosunkowo łatwa i niezbyt kosztowna w realizacji. Niestety w przypadku ochrony przed polami magnetycznymi konieczne stosowanie jest specjalnie skonstruowanych wielowarstwowych ekranów. Z uwagi na niedostateczną wiedzę na temat oddziaływań ekologicznych omawianych pól waŜne znaczenie odgrywa zasada ALARA (As Low As Reasonably Achievable), która zaleca minimalizację naraŜeń do jak najniŜszego poziomu przy zastosowaniu rozsądnych środków technicznych i nakładów kapitałowych. 5. WYZNACZANIE NATĘśENIA POLA ELEKTRYCZNEGO I MAGNETYCZNEGO Druga część artykułu została poświęcona metodom numerycznym wyznaczania natęŜenia pola elektrycznego i magnetycznego w otoczeniu linii wysokich napięć. Ze względu na stosowaną częstotliwość (50 Hz) zarówno pole elektryczne, jak i magnetyczne moŜe być traktowane jako pole statyczne i rozpatrywane oddzielnie. NatęŜenie pola elektrycznego wyznaczane jest pośrednio. Na podstawie napięcia znamionowego linii wyznaczany jest potencjał pola elektrycznego w obszarze, który jest poddawany analizie, natomiast natęŜenie pola elektrycznego obliczane jest jako gradient potencjału. Pole magnetyczne (indukcja) w pobliŜu linii obliczane jest za pomocą Prawa Biota-Savarta [2]. Jest to moŜliwe, gdy w otoczeniu linii nie występują (lub są pomijane) materiały o właściwościach ferromagnetycznych. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe wartość chwilowa pola magnetycznego zaleŜy od obciąŜenia linii, tzn. od prądu płynącego w danej chwili. Wartość maksymalna pola magnetycznego w kaŜdym z analizowanych punktów jest zatem liczona dla maksymalnego prądu obciąŜenia przewodów danej linii. 6. METODA RÓśNIC SKOŃCZONYCH Funkcja potencjału pola elektrycznego w obszarze linii energetycznej jest rozwiązaniem równania Laplace’a. Po przyjęciu uproszczeń (pominięcie słupów, przewody traktowane jako proste nieskończenie długie) najczęściej zagadnienie rozpatrywane jest jako dwuwymiarowe. Precyzyjne obliczenia natęŜenia pola w obszarach linii elektroenergetycznych są niezbędne, i stanowią narzędzie do oceny wpływu wysokości słupów, odległości 198 K. Strzałka – Gołuszka, P. Syrek przewodów względem siebie i całej geometrii linii na natęŜenie pola w otoczeniu linii i takiego projektowania linii, aby pole spełniało określone kryteria. Potencjały przewodów względem ziemi (funkcje zmiennej zespolonej) stanowią warunki brzegowe, wykorzystywane do rozwiązania. PoniewaŜ uzyskanie rozwiązania analitycznego Równania Laplace’a (np. metodą separacji zmiennych) jest bardzo skomplikowane, a w większości zagadnień wręcz niemoŜliwe, naprzeciw wychodzą metody numeryczne [4]. Jedną z metod numerycznych, którą moŜna stosować do tego typu zagadnień jest Metoda RóŜnic Skończonych, polegająca na przybliŜeniach, które pozwalają na zastąpienie równania róŜniczkowego cząstkowego, równaniem róŜnicowym [6]. W MRS rozpatrywany obszar dzielony jest na równomierną siatkę. Dla kaŜdego elementu siatki (węzła) wyprowadzane jest równanie zawierające wartości potencjału w węzłach sąsiednich. Pewna skończona liczba węzłów zawiera stałe wartości (rzeczywiste lub zespolone), odpowiadające potencjałom węzłów oraz ziemi. W zaleŜności od stopnia skomplikowania zagadnienia, istnieje kilka sposobów rozwiązywania układów równań. Zaliczają się do nich następującej metody: pasmowa, iteracyjna, nadrelaksacyjna, przebiegania, mieszana (iteracji i nadrelaksacyjna). Zaletą MRS jest łatwość implementacji, prosta do skonstruowania siatka (najczęściej prostokątna) a co za tym idzie, proste wzory dla siatki ze stałym krokiem, moŜliwość zagęszczenia siatki, w podobszarach szczególnie interesujących (np. otoczenie przewodów wiązkowych). 7. WARUNKI BRZEGOWE – METODA OBRAZÓW Aby Metoda RóŜnic Skończonych mogła być wykorzystana, konieczne jest uzyskanie warunków brzegowych. W przypadku zagadnień związanych z polem w otoczeniu linii WN, brak warunków brzegowych – zagadnienie o brzegu otwartym [5]. Zadany jest jedynie potencjał Ziemii oraz kolejnych przewodów lub wiązek przewodów. Do uzyskania warunków na brzegu całego obszaru, w którym analizowane jest pole, wykorzystana została Metoda Obrazów. Zachowując wymiary analizowanego obszaru, miejsca w których zadawany jest potencjał przewodów, zastępowane są ładunkami. Symetrycznie względem płaszczyzny Ziemi (prostej w przypadku 2D) umieszczane są ładunki o przeciwnych znakach. Przy ich pomocy wyznaczane jest bezpośrednio natęŜenie pola i potencjał w dowolnym punkcie płaszczyzny. Obliczenia za pomocą Metody Obrazów posłuŜą, do oceny skuteczności Metody RóŜnic Skończonych i porównania wpływu warunków brzegowych na dokładność rozwiązania. Pole elektromagnetyczne w środowisku człowieka i metoda jego obliczania 199 Rys. 2. Wysokość i odległości przewodów Potencjały poszczególnych przewodów: L1 : V1 = V n L 2 : V 2 = aV n L3 : V 3 = a 2V n gdzie: a=e j 2π 3 Rys. 3. Warunki brzegowe: a) Metoda Obrazów, b) Metoda RóŜnic Skończonych z warunkami brzegowymi uzyskanymi za pomocą M.O., c) MRS z warunkami brzegowymi równymi 0 200 K. Strzałka – Gołuszka, P. Syrek Rys. 4. Potencjał pola elektrycznego wokół linii: a) Metoda Obrazów, b) Metoda RóŜnic Skończonych z warunkami brzegowymi uzyskanymi za pomocą M.O., c) MRS z warunkami brzegowymi równymi 0 Rysunek 4 przedstawia potencjał pól elektrycznych w obszarze linii trójprzewodowej. Kolejne wykresy mają charakter jakościowy – wartość potencjału w danym punkcie obszaru jest proporcjonalna do przyjętego napięcia znamionowego linii. Aby dokładnie porównać wyniki uzyskane poszczególnymi metodami przedstawione zostają na rysunku 5 – natęŜenie pola na wysokości 2 metrów nad Ziemią pod linią 110 kV. Analizowany obszar o wysokości 15 metrów i szerokości 40 metrów. Krok dyskretyzacji obszaru wynosi 0,1 metra. Pole elektromagnetyczne w środowisku człowieka i metoda jego obliczania 201 Rys. 5. NatęŜenie pola elektrycznego pod linią 110 [kV] na wysokości 2[m] wyznaczane 3 sposobami 8. PODSUMOWANIE W artykule omówiony został stan wiedzy odnośnie szkodliwości pól elektromagnetycznych. Światowe organizacje prowadzące badania nie posiadają potwierdzonych dowodów, na to aby natęŜenia pola 50 Hz występujące w pobliŜu obiektów energetycznych, mogły wywoływać choroby nowotworowe u ludzi. Nie da się jednak definitywnie powiedzieć, Ŝe tak nie jest. Zaleca się więc zasadę rozsądnego ograniczania i unikania tych pól. W Polsce juŜ od wielu lat istnieje system prawny, który reguluje zasady ochrony środowiska przed szkodliwym oddziaływaniem pól elektromagnetycznych. W artykule zamieszczono aktualnie obowiązujące zalecenia normalizacyjne, które dotyczą wartości natęŜenia składowej elektrycznej i magnetycznej. Wartości te w Polsce wynoszą odpowiednio 1 kV/m i 60 A/m (dla ogółu społeczeństwa). Normatywy polskie są jednymi z najbardziej rygorystycznych na świecie. W artykule przedstawione zostały główne źródła pól elektromagnetycznych oraz skala zagroŜeń i ochrona przed tymi polami. W drugiej części artykułu przedstawiono jedną z metod obliczania pól w otoczeniu linii napowietrznych oraz problemy związane z tym zagadnieniem. Przedstawiona metoda obliczania natęŜenia pola, moŜe być stosowane po przyjęciu pewnych uproszczeń, ma jednak zastosowanie z powodu niewielkiego stopnia skomplikowania, do analizy wpływu wysokości przęseł nad Ziemią na wartości pola pod liniami i w ich otoczeniu. 202 K. Strzałka – Gołuszka, P. Syrek LITERATURA 1. Arciszewski J., Komorowska I.: Pole magnetyczne 50 Hz w środowisku, przepisy, wyniki badań praktyka codzienna. 2. Cieśla A.: Elektrotechnika : elektryczność i magnetyzm w przykładach i zadaniach, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2006. 3. Gizicki A.: Kompatybilność elektromagnetyczna Elektrosystemy. Czerwiec 2005, str. 92-97. 4. Griffiths D.J.: Podstawy elektrodynamiki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001. 5. Jabłoński P.: Metoda elementów brzegowych w analizie pola elektromagnetycznego, Wydaw. Politechniki Częstochowskiej, 2003. 6. Majchrzak E., Mochnacki B.: Metody numeryczne, podstawy teoretyczne, aspekty praktyczne i algorytmy, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004. 7. Majka M.: Pola elektromagnetyczne. ATEST nr 8, 2006r., str. 45-46. 8. Missala T.: Kompatybilność elektromagnetyczna urządzeń energoelektroniki. Wymagania dotyczące odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. Przegląd Techniczny nr 7, 1997r., str. 169-173. 9. Mosiński F.: Pola elektromagnetyczne ELF w środowisku naturalnym. WE, nr 6, 2006r., str. 36-40. – przetwornice częstotliwości. 10. Mosiński F., Wira A.: Szkodliwość pola elektromagnetycznego 50 Hz dla organizmów Ŝywych. IV Międzynarodowa Konferencja ”Bezpieczne instalacje elektryczne”, Łódź, 17-18 maja 2001r., str. 87-97. 11. Poradnik InŜyniera Elektryka. Praca zbiorowa. Sieci, instalacje i urządzenia elektroenergetyczne o napięciu powyŜej 1 kV. Część 12. Oddziaływanie pól elektroenergetycznych. Kwiecień 2006r. 12. PN-E-05100-1: 1998. Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowanie i budowa. Linie prądu przemiennego z przewodami roboczymi gołymi. 13. PN-EN 50341-1: 2005. Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyŜej 45 kV, Część 1: Wymagania ogólne, Specyfikacje wspólne. 14. Rozporządzenie Ministra Środowiska w z dnia 30 października 2003r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów. (Dz. U. RP Nr 192. Warszawa 2003r., poz. 1883. 15. Wira A.: Pole elektromagnetyczne – zmiana przepisów w ocenie oddziaływania na środowisko. 16. Zieńczak M.: Ocena oddziaływania pól elektrycznych i magnetycznych linii elektroenergetycznych na środowisko naturalne na podstawie nowej normy PN-EN 503411. IV Lubuska Konferencja NT, Gorzów Wielkopolski, marzec 2006r. Rękopis dostarczono dnia 3.12.2008 r. Opiniował: prof. dr hab. inŜ. Jan SIKORA Pole elektromagnetyczne w środowisku człowieka i metoda jego obliczania 203 ELECTOMAGNETIC FIELD IN HUMAN ENVIRONMENT AND METHOD OF ITS DETERMINATION Katarzyna STRZAŁKA - GOŁUSZKA, Przemysław SYREK ABSTRACT Paper presents examples of sources of electromagnetic fields and possible dangers involved. Last chapters of paper presents methods leading to graphical interpretation of fields around high-voltage lines. Natural intension of electric field over Earth assumes value of 100-150 [V/m] but by thunderstorm reaches 20 [kV/m]. Earth’s magnetic field is optimal for existence of life and its growth. The magnetism of earth reaches 47 [µT]. Live organisms induces a slight magnetic field, that is contrary the magnetic field of the earth. There are many sources of electromagnetic fields, electric installations used in buildings, industry, transport, and wide range of house devices. IEl, Warszawa 2008. Nakład 110 + 10 egz. Ark. wyd. 17,17. Ark. druk. 12,69. Pap. off. Kl.III. 80 g. Oddano do druku w grudniu 2008 r. Druk ukończono w lutym 2009 r. Redakcja − Dział Informacji Naukowo-Technicznej Indeks nr 37656
