ANALIZA ROZKŁADU POLA - ELMECOL

Tobiasz Parys, Katarzyna Przytuła, Łukasz Ziętek
Opiekun: dr inż. Paweł Mazurek
SKN ELMECOL
Wydział Elektrotechniki i Informatyki
Politechnika Lubelska
ANALIZA ROZKŁADU POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO 50 Hz NA
TERENIE KAMPUSU POLITECHNIKI LUBELSKIEJ
ANALYSIS OF ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS (50 Hz) ON THE
CAMPUS OF TECHNICAL UNIVERSITY OF LUBLIN
Słowa kluczowe: pomiary natężeń pola elektrycznego i magnetycznego, emisja elektromagnetyczna,
ekspozycja pól elektromagnetycznych, kompatybilność elektromagnetyczna
Streszczenie: Artificial electromagnetic fields increasingly dominate our environment. The
article contains information about the measurements of electric and magnetic fields. It includes
a legally acceptable levels of field strengths E and H. The article presents the results of tests
carried out on the university campus. There was no exceedence values.
Wstęp
Rozwój systemów elektroenergetycznych, systemów radiokomunikacji, przemysłu
przetwarzającego znaczne ilości energii elektrycznej oraz wzrostu liczby urządzeń emitujących
promieniowanie elektromagnetyczne sprawił, że naturalne środowisko elektromagnetyczne
przestało dominować w skali całego globu. Lawinowy wzrost liczby źródeł pól
elektromagnetycznych wprowadził do środowiska naturalnego pola o wcześniej nie
obserwowanych natężeniach i o bardzo złożonym widmie.
Oddziaływania elektromagnetyczne mogą być różne, potencjalnie mogą prowadzić do
poważnych zagrożeń zarówno środowiska biologicznego jak i uszkodzeń sprzętu. Zaburzeń
elektromagnetycznych nie da się całkowicie wyeliminować, należy jednak wykorzystać techniki
i środki redukujące ich wielkość do akceptowalnego przez środowisko poziomu.
Aby zapobiegać niebezpiecznym sytuacjom, każde urządzenie, instalacja czy system, w
którym znajdują się elementy elektryczne i elektroniczne, powinno być tak skonstruowane, aby
emitować jak najmniej zaburzeń. Ponadto każde urządzenie, instalacja czy maszyna powinno
być tak skonstruowane, aby było odpowiednio odporne na zaburzenia emitowane przez inne
urządzenia. Ta zdolność współistnienia obok siebie różnych urządzeń i możliwość ich
poprawnej pracy nazywana jest kompatybilnością elektromagnetyczną.
Oprócz identyfikacji poziomów natężeń pola elektrycznego i magnetycznego w
odniesieniu do kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń środowiska konieczne są
również analizy ekspozycji ludzi na emisję elektromagnetyczną. Związane jest to zarówno z
wymaganiami prawnymi jak i celami informacyjno-naukowymi.
Cel
Celem prowadzanych badań przez członków koła naukowego ELMECOL jest analiza
rozkładu pola elektromagnetycznego o częstotliwości 50 Hz na terenie kampusu Politechniki
Lubelskiej. Uzyskane w badaniach wartości i ich analiza pozwalają określić, czy istniejące na
terenie kampusu instalacje i urządzenia oraz aktualnie prowadzone inwestycje emitują do
środowiska pola elektromagnetyczne wymagane prawem poziomy. Artykuł jest też formą
podniesienia świadomości w akademickim społeczeństwie na temat źródeł i zasięgu
oddziaływania pól elektromagnetycznych oraz ich wpływu na stan zdrowia człowieka.
Metody pomiaru emisji elektromagnetycznej
Pomiary emisji promieniowanej w odniesieniu do wymogów kompatybilności
elektromagnetycznej stanowią jedno z trudniejszych i bardziej kosztownych badań, ponieważ
wymagają odpowiednio dużego stanowiska pomiarowego o dostatecznie niskim poziomie
zaburzeń promieniowanych obcych, pochodzących od innych źródeł. Zalecenia większości
norm dotyczących emisyjności urządzeń zakładają, że pomiary emisyjności promieniowanej
powinny być przeprowadzane na odpowiednim stanowisku pomiarowym tzw. otwartym
poligonie pomiarowym (ang. OATS Open Area Test Site). Klasyczne pomiary promieniowania
wykonuje się w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 1000 MHz, stosując miernik zakłóceń z
detektorem wartości quasi-szczytowej lub średniej. Miernik powinien spełniać wymagania
określone w publikacji CISPR 16.
Rys. 1. Spectrum analyzer FSP30 Rohde & Schwarz (9kHz÷30GHz) z jedną z anten pomiarowych,
rozkład natężenia pola elektromagnetycznego na terenie Politechniki Lubelskiej (w zakresie 30MHz3GHz)
Analizując otrzymane wyniki można wyraźnie potwierdzić istnienie wyraźnych na tle
całego widma prążków emisji obejmujących działanie technologii radiowych (80-120MHz),
telewizyjnych (50-870MHz), transmisji CDMA ( 400-470MHz), radiotelefonii (~200MHz),
technologii „komórkowej” GPRS, EDGE, HSDPA, UMTS od 900MHz do2700 MHz oraz
technologii WiFi w zakresie 2400 - 2485 MHz. A zatem, w „naszym codziennym”, jakże
nowoczesnym życiu, ludzie i urządzenia elektryczne są ciągle narażani na oddziaływanie
sztucznych źródeł pól elektromagnetycznych. Aby temu przeciwdziałać krajowe i
międzynarodowe przepisy wymuszają na specjalnie do tego celu powołanych instytucjach
nadzorowanie widma elektromagnetycznego. Działania są różnorakie. Wśród głównych należy
wymienić racjonalne nadzorowanie gospodarką widma elektromagnetycznego, wydawanie
koncesji na wprowadzanie nowych źródeł nadawczych, terenowe badania emisji w środowisku,
a także edukowanie społeczeństwa o zagrożeniach.
Pomiary określające ekspozycję pól elektrycznych i magnetycznych wobec ludzi, podobnie
jak w przypadku kompatybilności, wymagają bogatego i nowoczesnego zaplecza
aparaturowego. Metody pomiaru są tu „trochę prostsze”, bowiem wymagają porównania
zmierzonej wartości skutecznej odniesionej do całego pasma pomiarowego i porównania jej z
wartością dopuszczalną. Zgodnie z regulacjami prawnymi, nie ma potrzeby badania wszystkich
częstotliwości zadanego pasma widma częstotliwości, zatem sprzęt jest trochę „słabszy” w
porównaniu z wyposażeniem do badań kompatybilności (EMC).
W odniesieniu do badań środowiskowych (ekspozycji) zwiększone jest jednak widmo
pomiaru. W kompatybilności pomiary emisji odnoszą się do pasma 0,03-3GHz. W badaniach
dotyczących oddziaływania pól EM na środowisko pomiary realizowane są od elektrostatyki i
magnetostatyki do 300GHz. Szczególnie ważne są pomiary natężeń pól z zakresu częstotliwości
przemysłowej (tj. 50Hz). Najczęściej badania wykonuje się w paśmie częstotliwości ELF i
VLF. Członkowie koła naukowego wraz z pracownikami Instytutu IPEiE od kilku lat realizują
pomiary terenowe natężeń na terenach ogólnodostępnych dla ludności, np. w rejonie
oddziaływania źródeł emisji PEM (rozdzielnie WN, podstacje energetyczne, rejony wokół linii
WN, trakcji kolejowej i trolejbusowej). Rzeczywisty widok kilku punktów pomiarowych
prezentują zdjęcia poniżej, a uzyskane wartości pomiarów prezentują wykresy na rysunku 3.
Rys.2. Zdjęcia z wybranych punktów pomiarowych w Lublinie (od lewej, rozdzielnia na ul.
Mełgiewskiej, rozdzielnia na ul. Głębokiej, osiedle domków jednorodzinnych - ul. Biskupińska)
Natężenia pól elektrycznego i magnetycznego 5Hz-400kHz
1000
H-Field 3D [nT]
E-Field 3D [V/m]
100
10
1
Biskupińska
Cienista
Głęboka
Inżynierska
Jutrzenki
Mełgiew ska Nałęczow ska
Raabego
Turystyczna Warszaw ska
Altanow a
Bursztynow a Diamentow a
Hutnicza
Janow ska
Kraśnicka Nadbystrzycka Podhalańska Solidarności
W. Witosa
Żeglarska
Rys.3. Uśrednione wartości natężeń pola elektrycznego i magnetycznego z punktów pomiarowych
W wyniku przeprowadzonej analizy uzyskanych wartości pomiarowych na terenie Lublina,
nie stwierdzono przekroczenia dopuszczalnych wartości natężeń pól elektrycznych i
magnetycznych. W trakcie realizacji pomiarów nie zaobserwowano zbyt dużego
zainteresowania pomiarami osób postronnych.
Natomiast, umiejscowienie aparatury
pomiarowej blisko jezdni, odnosiło wyraźniejszy efekt – zwalnianie prędkości samochodów
(kierowcy widzieli miernik na trójnogu !).
Analiza rozkładu pola elektrycznego o częstotliwości 50Hz na terenie kampusu
Politechniki Lubelskiej
Głównym źródłem emisji pola elektrycznego częstotliwości 50 Hz są systemy energetyczne
(linie wysokiego napięcia wraz z urządzeniami rozdzielczo-transformującymi). Lokalne pola
mogą być także efektem oddziaływania innych urządzeń elektrycznych służących zarówno do
wytworzenia, przesyłu jak i przetworzenia energii elektrycznej o dużych napięciach.
Współistnienie dużej ilości urządzeń elektrycznych powoduje, że w efekcie superpozycji emisji
wielu urządzeń, pola nakładają się wzajemnie tworząc mierzalne wartości na znacznym
obszarze, tzw. tło.
Analizując literaturę i własne wyniki badań rozkładów pola elektrycznego, w sytuacjach
absencji urządzeń pracujących z wysokim napięciem składowa elektryczna pola zawiera się w
granicach 5-20 V/m. W miarę oddalania się od źródła energia fal elektromagnetycznych szybko
maleje, a niskie napięcia, jakie występują w instalacjach, jak i niewielkie moce pobierane przez
urządzenia powszechnego użytku powodują, nieznaczne wartości składowej elektrycznej, czego
dowodem były wartości równe z tłem w odległości jednego metra od urządzenia elektrycznego.
Z prawnego punktu, formalne zasady ochrony środowiska przed polami
elektromagnetycznymi zostały określone w ustawie Prawo ochrony środowiska [2] (artykuły
121 – 124), dodatkowe przepisy znaleźć można w aktach prawnych [1,3]. Zgodnie z krajowym
ustawodawstwem, ochrona przed polami elektromagnetycznymi polega na zapewnieniu jak
najlepszego stanu środowiska poprzez utrzymanie poziomów pól elektromagnetycznych poniżej
dopuszczalnych, lub co najmniej na tych poziomach, a także poprzez zmniejszanie poziomów
pól elektromagnetycznych, co najmniej do dopuszczalnych, gdy poziomy te nie są dotrzymane.
Tabela 1. Zakres częstotliwości oraz dopuszczalne poziomy pól elektromagnetycznych dla których
określa się parametry fizyczne charakteryzujące oddziaływanie pól elektromagnetycznych na środowisko,
dla miejsc dostępnych dla ludności [2]
Zakres częstotliwości
elektromagnetycznego
0 Hz
0 Hz ÷ 0,5 Hz
0,5 Hz ÷ 50 Hz
0,05 kHz ÷ 1 kHz
0,001 MHz ÷ 3 MHz
3 MHz ÷300 MHz
300 MHz ÷ 300 GHz
pola Składowa
elektryczna
10 kV/m
10 kV/m
20 V/m
7 V/m
7 V/m
Składowa
magnetyczna
2500 A/m
2500 A/m
60 A/m
3 / f / A/m
3 A/m
-
Politechnika Lubelska, a w szczególności Instytut IPEE wychodząc naprzeciw potrzebom
rynku rozwija zaplecze aparaturowe, a pracownicy naukowi wraz ze studentami prowadzą
badania dotyczące oddziaływań elektromagnetycznych. Realizowane przez członków koła
naukowego pomiary natężeń pola elektromagnetycznego mają przede wszystkim dydaktyczny
charakter, niemniej prowadzone badania wnoszą wiele informacji o rzeczywistych natężeniach
pól elektrycznych i magnetycznych na terenie kampusu politechniki i miasta Lublina.
Do realizacji badań wykorzystano miernik ESM100 Maschek. Miernik wyposażony jest w
izotropowy czujnik pola elektromagnetycznego, co umożliwia wykonanie pomiarów zarówno
składowej pola elektrycznego jak i składowej magnetycznej w paśmie częstotliwości od 5 Hz do
400 kHz w trzech kierunkach przestrzennych Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, Hz oraz łącznie E3D, H3D.
Podczas wykonywania pomiarów miernik umieszczony był na specjalnym maszcie. W trakcie
pomiaru operatorzy (studenci) byli oddaleni od miernika o ok. dwa metry w celu uzyskania
dokładnych (niezaburzonych pojemnością człowieka) wyników.
Rys.4. Zdjęcia z pomiarów natężeń pól E i H na terenie kampusu Politechniki Lubelskiej
Rys.5. Prezentacja uzyskanych wartości pola elektrycznego 50Hz na terenie kampusu Politechniki
Lubelskiej
Wielkość ekspozycji zależy od stopnia uprzemysłowienia danego obszaru i przeciętnie jest
wyższa dla mieszkańców wielkich miast w porównaniu z obszarami wiejskimi. Jak wykazały
badania nigdzie nie zostały przekroczone dopuszczalne poziomy. Największe wartości
natężenia pola elektrycznego E uzyskano w okolicach rozdzielni wysokiego napięcia,
zlokalizowanej tuż przy granicach terenu kampusu politechniki (lewy, narożny punkt
pomiarowy na rys.5).
Analiza rozkładu pola magnetycznego o częstotliwości 50Hz na terenie
kampusu Politechniki Lubelskiej
Pole magnetyczne oddziałuje z obiektami biologicznymi, w tym z organizmem człowieka i
może powodować szkodliwe skutki związane z indukowaniem prądów elektrycznych płynących
wewnątrz ciała człowieka lub wzrostem temperatury eksponowanych tkanek. Oddziaływanie na
ludzi uzależnione jest od natężenia tego pola i charakterystyki jego zmienności w czasie,
częstotliwości pól oraz od warunków i czasu trwania ekspozycji człowieka.
Najpowszechniej występującymi instalacjami będącymi źródłami pól magnetycznych, które
mają istotny wpływ na ogólny poziom pól w środowisku, są linie elektroenergetyczne, prądowe
tory zasilające systemy i urządzenia przemysłowe, urządzenia elektrotermiczne (takie jak
nagrzewnice, piece indukcyjne, zgrzewarki rezystancyjne i pojemnościowe). Pole magnetyczne
jest niebezpieczniejszym niż pole elektryczne medium, szczególnie uciążliwym w zakresie
technik jego ograniczania. Pola elektryczne łatwo zaekranować cienką blachą aluminiową,
silnych pól magnetycznych często nie można ograniczyć nawet wielowarstwowymi
kilkucentymetrowymi ekranami stalowymi. Dlatego tak ważne są pomiary stref oddziaływania
źródeł pola magnetycznego.
Pole magnetyczne jest bardzo niejednorodnym czynnikiem środowiska, który przyczynia
się do niepożądanych zmian stanu zdrowia. Oddziaływanie termiczne występuje przy dużych
mocach i prowadzi do bezpośredniej destrukcji (udar cieplny). Może ono powodować także
zaburzenia funkcji układu nerwowego, hormonalnego, krwionośnego, rozrodczego oraz
zmysłów. U roślin natomiast obserwuje się opóźniony wzrost i zmiany w budowie zewnętrznej.
W wielu publikacjach wskazuje się na zależności, że we wszystkich organizmach
promieniowanie prowadzi do osłabienia odporności, sprzyja rozwojowi raka i wad
genetycznych. Niemniej, analizując oddziaływania pól elektromagnetycznych na organizm
eksponowanego człowieka nie można jednak zapomnieć o ich „dobrym” wykorzystaniu w
ochronie zdrowia do diagnostyki lub terapii medycznej, m.in. w tomografach rezonansu
magnetycznego (RM), fizykoterapeutycznych urządzeniach diatermicznych, urządzeniach
elektrochirurgicznych, urządzeniach do magnetoterapii.
Prezentowane w artykule punkty pomiarowe zostały wyznaczone losowo na terenach
ogólnodostępnych dla studentów i w rejonie oddziaływań źródeł emisji pola od podrozdzielni
energetycznych. Pomiary wykonano w maju 2011r., miernikiem ESM100 Maschek. Zgodnie z
metodyką pomiarową zawartą w rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 30 października
2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz
sposobów sprawdzania tych pomiarów, (Dz. U. Nr 192, poz. 1883) pomiary wykonano w
pionach pomiarowych (punktach pomiarowych położonych na wysokościach od 0,3 m do 2 m
nad powierzchnią ziemi), na których mogą przebywać ludzie, przyjmując za wynik pomiaru
maksymalny poziom pola; w oddaleniu o co najmniej 0,3 m od urządzeń elektrycznych,
obiektów i elementów metalowych i w odległości nie mniejszej niż 1,6 m od ścian obiektów
budowlanych.
Rys.6. Zdjęcia z pomiarów natężeń pól E i H na terenie kampusu Politechniki Lubelskiej
Rys.7. Prezentacja uzyskanych wartości pola magnetycznego 50Hz na terenie kampusu Politechniki
Lubelskiej
W wyniku przeprowadzonych pomiarów, nie stwierdzono przekroczenia dopuszczalnych
wartości natężeń pola magnetycznego. Największe wartości natężeń zaobserwowano w
okolicach akademików (rys. 7, prawy róg mapy). Związane jest to z dużym poborem energii
przesyłanej sieciami/instalacjami kablowymi. Na terenach rekreacyjnych campusu mierzone
wartości spadały do wartości tła. Analizując wartości tła z kilku lat, nie zaobserwowano
znacznych różnic w jego poziomie.
Wnioski
Pomiary wykazały, że na terenie kampusu Politechniki Lubelskiej nie zaobserwowano
żadnych przekroczeń dopuszczalnych norm.
Z uwagi na ciągły rozwój nowych technologii i przyrost źródeł potencjalnych źródeł pól
elektromagnetycznych planowane są dalsze, systematyczne badania pól, a wybrane zagadnienia
pomiarowe będą włączone w proces dydaktyczny na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki
Politechniki Lubelskiej.
LITERATURA
[1] Ustawa z 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska. Dz. U. nr 52, poz. 627, 2001.
[2] Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 11-081998 r. w sprawie szczegółowych zasad ochrony przed promieniowaniem szkodliwym dla ludzi i
środowiska, dopuszczalnych poziomów promieniowania, jakie mogą występować w środowisku
oraz wymagań obowiązujących przy wykonywaniu pomiarów kontrolnych promieniowania. Dz.U.
nr 107, poz. 676, 1998.
[3] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych
poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania tych pomiarów,
(Dz. U. Nr 192, poz. 1883).