Technologie

Metrologia pól elektrycznych i magnetycznych niskiej częstotliwości w otoczeniu elektroenergetycznych linii wysokiego napięcia w środowisku ogólnie dostępnym

opublikowany przez redakcja 22 września 2016 0 komentarzy

Streszczenie

W artykule omówiono mierniki stosowane do pomiarów pól elektromagnetycznych niskiej częstotliwości występujących w otoczeniu obiektów elektroenergetycznych. Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów przedstawiono zasadność ich stosowania.

Wstęp

W artykule omówiono rodzaje aparatury pomiarowej stosowanej do pomiarów pól elektrycznego i magnetycznego o częstotliwości 50 Hz, przedstawiono sposób pomiaru wartości natężeń pól elektrycznego i magnetycznego o częstotliwości 50 Hz w otoczeniu linii elektroenergetycznych wysokiego napięcia oraz zasady ich przeliczania na warunki odpowiadające znamionowemu ich obciążeniu.
Szczególną uwagę zwrócono na niepewność pomiarów i czynniki składające się na budżet niepewności.

Sposób postępowania – wymagania ogólne

Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów elektrycznego i magnetycznego o częstotliwości 50 Hz należy zlokalizować źródła mierzonych pól elektrycznych i magnetycznych oraz ustalić na podstawie dokumentacji technicznej tych źródeł granice zmienności wartości natężeń tych pól.
Dodatkowo zaleca się sprawdzić, czy w otoczeniu tych źródeł nie występują inne źródła, które mogą wpływać na wynik pomiarów. Szczególnie dotyczy to urządzeń elektroenergetycznych będących źródłem pola magnetycznego (np. instalacje klimatyzacyjne i ogrzewanie podłogowe).

Mierniki natężenia pola elektrycznego 50 Hz

Do pomiarów natężenia pola elektrycznego o częstotliwości 50 Hz w otoczeniu obiektów elektroenergetycznych zaleca się stosować mierniki dipolowe złożone z odizolowanych od siebie elektrod. Zasada pomiaru miernikiem dipolowym oparta jest na zależności miedzy prądem I wywołanym przepływem ładunku indukowanego w obydwu elektrodach, a natężeniem zewnętrznego – pierwotnie niezakłóconego obecnością przyrządu – przemiennego pola elektrycznego E.
Dla najczęściej stosowanego miernika w postaci dipola sferycznego funkcja przetwarzania E = f (I) może być określona analitycznie:

IEN_wzor_1 (1)

 

gdzie: kU – współczynnik zależny od promienia kuli miernika, I – wartość prądu wywołana przepływem ładunku indukowanego w obydwu elektrodach tworzących dipol elektryczny miernika.
Dodatkowo mierniki natężenia pola elektrycznego powinny spełniać wymagania normy PN-IEC 833: 1997 Pomiary pól elektrycznych częstotliwości przemysłowej [1].
Mierniki natężenia pola elektrycznego składają się zwykle z sondy dipolowej wykonanej w formie dwu płytkowej lub dwóch pół czasz , przetworników AC/f i f/DC oraz izolacyjnego drążka manewrowego, przy czym dipol i przetworniki mogą stanowić odrębne elementy lub być wykonane w jednej obudowie. Miernik powinien być tak skonstruowany, aby umożliwił pomiar przy odległości nie mniejszej niż 1,6 m między sondą pomiarową a osobą podtrzymującą miernik [1]. Drążek izolacyjny służący do podtrzymania sondy powinien mieć wystarczające właściwości izolacyjne by przy wilgotności do 75 % nie wpływał na wynik pomiaru. Dopuszcza się smarowanie drążka pastą hydrofobową.
Dodatkowo na wskazanie miernika nie powinny mieć wpływu pola magnetyczne, wyższe harmoniczne lub zakłócenia radioelektryczne, które mogą wystąpić w warunkach pomiaru natężenia pola elektrycznego niskiej częstotliwości 50 Hz (EMC).
Na rysunku 1 przedstawiono widok miernika natężenia pola elektrycznego typu ZCMP-1 wyposażonego w dipol sferyczny w formie dwupłytkowej.

Rys. 1. Widok miernika natężenia pola elektrycznego typu ZCMP-1

Rys. 1. Widok miernika natężenia pola elektrycznego typu ZCMP-1

Metody pomiarów pola elektrycznego 50 Hz

Pomiary należy wykonywać w miejscach dostępnych dla człowieka na wysokości 2,0 m nad poziomem ziemi.
W przypadku balkonów i tarasów w budynkach mieszkalnych pomiary należy wykonywać dodatkowo na wysokości poręczy w odległości poziomej 1,0 m od poręczy.
Położenie osi pomiarowej miernika w stosunku do źródła mierzonego pola elektrycznego powinno być takie, aby miernik wskazywał największą wartość w tym punkcie. Największą wartość zwykle otrzymuje się, gdy oś pomiarowa miernika jest skierowana w kierunku źródła pola.
W czasie pomiarów miernik powinien znajdować się pomiędzy źródłem pola a osobą trzymającą drążek z miernikiem. Ma to na celu zminimalizować wpływ odkształcenia pola przez tę osobę na wynik pomiaru. Dopuszcza się pomiar z drążkiem w pozycji równoległej do osi linii WN.
W otoczeniu istniejących budynków mieszkalnych pomiary muszą być wykonywane w odległości nie mniejszej niż 1,5 m od ściany budynku. W uzasadnionych przypadkach dopuszcza się pomiary w odległościach mniejszych.
Z obszaru pomiarów trzeba usunąć wszystkie przedmioty ruchome, które w istotnym stopniu mogą wpłynąć na wyniki pomiarów.
Pomiary na terenach z zaroślami, zbożem, czy trawą o wysokości większej niż 0,5 m nie są miarodajne. W przypadkach koniecznych na takich terenach należy wyznaczyć natężenie pola elektrycznego 50 Hz w inny sposób, np. drogą obliczeń.

Warunki środowiskowe przy pomiarach pola elektrycznego 50 Hz

Pomiary należy wykonywać przy dobrej pogodzie.

Wilgotność względna powietrza nie powinna być większa niż 75 %. Technicznie możliwy jest pomiar przy wilgotności większej, jeżeli istnieje pewność, że wpływ przewodności drążka izolacyjnego przy wzroście danej jest pomijalnie mały nie uwzględniany przy sporządzaniu budżetu niepewności.
Temperatura otoczenia w czasie pomiarów nie powinna być niższa niż ustalona w instrukcji obsługi miernika. Nie zaleca się z uwagi na wyświetlacz ciekłokrystaliczny wykonywania pomiarów poniżej 0°C.

Sposób wykonania pomiarów natężenia pola elektrycznego 50 Hz

Sposób przeprowadzania pomiarów reguluje Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz. U. nr 192, poz. 1883) [2].
Przed wykonywaniem pomiarów, miernik powinien być kondycjonowany tzn. znajdować się, przez co najmniej 10 min. w otoczeniu, w którym mają być wykonywane pomiary.
Pomiary wykonuje się umieszczając miernik w pionach pomiarowych na wysokościach od 0,3 m do 2,0 m włącznie nad ziemią lub inną płaszczyzną na której mogą przebywać ludzie, przyjmując za wynik pomiaru maksymalną zmierzoną w danym pionie wartość natężenia pola elektrycznego 50 Hz.
Sondę miernika należy tak zorientować, aby w danym punkcie pomiarowym uzyskać maksymalną wartość, wskazywaną przez miernik (zgodnie z instrukcją obsługi).
Pomiary natężenia pola elektrycznego 50 Hz należy w miarę możliwości wykonywać w takich warunkach pracy źródeł pola elektrycznego 50 Hz, przy których na obszarze pomiarowym występuje maksymalne natężenie pola.
W przypadku występowania natężenia pola elektrycznego 50 Hz o wartościach przekraczających wartości dopuszczalne należy wyznaczyć obszar na którym występują przekroczenia
Wyniki pomiarów należy zapisać, co będzie stanowić m.in. podstawę do sporządzenia budżetu niepewności.
Do wyników pomiarów należy wprowadzić następujące poprawki, uwzględniające możliwy wzrost natężenia pola elektrycznego 50 Hz w stosunku do warunków pomiarów.
1) Poprawka na największą dopuszczalna wartość napięcia roboczego w sieci, którą oblicza się z zależności:

IEN_wzor_2
(2)

 

gdzie: Um – największa, dopuszczalna wartość napięcia źródła warunkach normalnej eksploatacji, Up – wartość napięcia źródła w czasie wykonywania pomiarów.

2) Poprawka na największy zwis przewodów fazowych linii, którą można wyznaczyć według wzoru:

IEN_wzor_3

 

(3)

 

gdzie: ht – odległość przewodu roboczego linii od ziemi w temperaturze pomiaru, htemp – odległość przewodu roboczego od linii do ziemi w temperaturze największego zwisu normalnego ( + 60 °C lub -5 °C z sadzią normalną wg PN-E-05100-1:1998 [3]).

Poprawkę tą uwzględnia się w przypadku obszarów bezpośrednio pod przewodami roboczymi linii WN w środkowej części przęsła. W pobliżu słupów oraz w odległościach większych niż 10 m od skrajnej fazy przewodu roboczego linii WN poprawka ta jest praktycznie równa jedności.
Wyniki pomiarów należy pomnożyć przez współczynniki poprawkowe:

IEN_wzor_4 (4)

 

gdzie: Ep – zmierzona wartość natężenia pola elektrycznego 50 Hz, Em – wartość natężenia pola elektrycznego 50 Hz, która może wystąpić w najbardziej niekorzystnych warunkach.
Poprawki na największy zwis przewodów można nie uwzględniać, gdy mierzone wartości są znacznie mniejsze (np. o rząd wielkości) od wartości dopuszczalnych.

Mierniki natężenia pola magnetycznego 50 Hz

Do pomiarów natężenia pola magnetycznego o częstotliwości 50 Hz w otoczeniu obiektów elektroenergetycznych mogą być stosowane mierniki wyposażone w sondy cewkowe (do pomiarów wartości natężenia pola magnetycznego nie przekraczających 2000 A/m) oraz mierniki wyposażone w sondy hallotronowe (do pomiarów wartości natężenia pola magnetycznego z zakresu kA/m).
Zasada pomiaru miernikiem pola magnetycznego o częstotliwości 50 Hz oparta jest na indukowaniu się prądu I w cewce lub w hallotronie.
Dla najczęściej stosowanych mierników natężenia pola magnetycznego funkcja przetwarzania H = f (I) może być określona analitycznie:

IEN_wzor_5 (5)

 

gdzie: kI – współczynnik zależny od parametrów cewki lub hallotronu, I – wartość prądu indukowanego w cewce lub hallotronie.

Dodatkowo mierniki natężenia pola magnetycznego powinny spełniać wymagania normy PN-90/T-06584: Mierniki i metody pomiarów natężenia pola magnetycznego o częstotliwości 50 Hz [4].
Mierniki natężenia pola magnetycznego 50 Hz składają się zwykle z sondy wykonanej z cewki lub hallotronu, oraz przetworników AC/f i f/DC, przy czym sonda i przetworniki mogą stanowić odrębne elementy lub być wykonane w jednej obudowie. Z uwagi na pomijalny wpływ osoby wykonującej pomiary na wskazania miernika natężenia pola magnetycznego 50 Hz nie jest wymagane wyposażenie miernika w drążek izolacyjny. Dotyczy to szczególnie pomiarów wykonywanych w sąsiedztwie linii WN.
Z uwagi na fakt, że pole magnetyczne 50 Hz pochodzące od obiektów elektroenergetycznych w tym również od linii WN jest polem wirowym, wymagana jest podczas wykonywania tych pomiarów właściwa orientacja sondy pomiarowej miernika w celu określenia maksymalnej wartości natężenia pola magnetycznego 50 Hz dla pomiarów sondami kierunkowymi. W przypadku mierników izotropowych problem orientacji sondy nie ma takiego wpływu na wynik.
Dodatkowo na wskazanie miernika nie powinny mieć wpływu pola elektryczne, wyższe harmoniczne lub zakłócenia radioelektryczne, które mogą wystąpić w warunkach pomiaru natężenia pola magnetycznego niskiej częstotliwości 50 Hz (EMC).
Na rysunku 2 przedstawiono widok miernika natężenia pola magnetycznego 50 Hz typu ESM-100 wyposażonego w 3 osiową sondę hallotronową.

Rys.2. Widok miernika natężenia pola magnetycznego ESM-100

Rys.2. Widok miernika natężenia pola magnetycznego ESM-100

Metody pomiarów pola magnetycznego 50 Hz

Pomiary należy wykonywać w miejscach dostępnych dla człowieka na wysokości 2,0 m nad poziomem ziemi.
W przypadku balkonów i tarasów w budynkach mieszkalnych pomiary należy wykonywać dodatkowo na wysokości poręczy w odległości poziomej 1,0 m od poręczy.
Położenie sondy pomiarowej miernika w stosunku do źródła mierzonego pola magnetycznego 50 Hz powinno być takie, aby miernik wskazywał największą wartość w tym punkcie.
W otoczeniu istniejących budynków mieszkalnych pomiary muszą być wykonywane w odległości nie mniejszej niż 1,5 m od ściany budynku. W uzasadnionych przypadkach dopuszcza się pomiary w odległościach mniejszych.

Warunki środowiskowe i poprawki pomiarowe

Pomiary należy wykonywać przy dobrej pogodzie.
Wilgotność względna powietrza nie powinna być większa niż 75 %. Możliwy jest pomiar przy wilgotności większej, jeżeli istnieje pewność, że wpływ przewodności obudowy miernika i sondy pomiarowej przy wzroście wilgotności powyżej 75 % jest pomijalnie mały i nie uwzględniany przy sporządzaniu budżetu niepewności.
Temperatura otoczenia w czasie pomiarów nie powinna być niższa niż ustalona w instrukcji obsługi miernika. Nie zaleca się z uwagi na wyświetlacz ciekłokrystaliczny wykonywania pomiarów poniżej 0° C.

Sposób wykonania pomiarów natężenia pola magnetycznego 50 Hz

Sposób przeprowadzania pomiarów reguluje Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz. U. Nr 192, poz. 1883) [2].
Przed wykonywaniem pomiarów, miernik powinien być kondycjonowany tzn. znajdować się, przez co najmniej 10 min. w otoczeniu, w którym mają być wykonywane pomiary.
Pomiary wykonuje się umieszczając miernik (lub jego sondę) w pionach pomiarowych na wysokościach od 0,3 m do 2,0 m włącznie nad ziemią lub inną płaszczyzną, na której mogą przebywać ludzie, przyjmując za wynik pomiaru maksymalną zmierzoną w danym pionie wartość natężenia pola magnetycznego 50 Hz.
Sondę miernika należy tak zorientować, aby w danym punkcie pomiarowym uzyskać maksymalną wartość, wskazywaną przez miernik (zgodnie z instrukcją obsługi).
Pomiary natężenia pola magnetycznego 50 Hz należy w miarę możliwości wykonywać w takich warunkach pracy źródeł pola magnetycznego 50 Hz, przy których na obszarze pomiarowym występuje maksymalne natężenie pola.
Dopuszcza się inne warunki pracy źródeł pola magnetycznego 50 Hz w czasie wykonywania pomiarów, przy czym wyniki pomiarów należy przeliczyć wówczas na warunki odpowiadające występowaniu maksymalnych natężeń pól wg zależności:

IEN_wzor_6
(6)

 

gdzie: Hmax – największa wartość natężenia pola magnetycznego, jaka może wystąpić w danym punkcie pomiarowym przy znamionowym prądzie obciążenia, Hpom – zmierzona wartość natężenia pola magnetycznego w punkcie pomiarowym, Izn – znamionowa wartość prądu obciążenia toru prądowego, Ipom – wartość prądu w czasie pomiarów.

W przypadku występowania natężenia pola magnetycznego 50 Hz o wartościach przekraczających wartości dopuszczalne należy wyznaczyć obszar, na którym występują przekroczenia.
Wyniki pomiarów należy odnotować w zapisie, który będzie stanowił m.in. podstawę do sporządzenia budżetu niepewności.

Budżet niepewności

Przy sporządzaniu budżetów niepewności należy stosować zasady podane przez GUM w wytycznych do obliczania i wyrażania niepewności pomiaru [5].
W budżetach tych, musi być uwzględniona niepewność standardowa typu A oraz typu B. Oznacza to, że przy ich szacowaniu musi być uwzględniona niepewność wynikająca z zastosowanej aparatury pomiarowej oraz przyjętej metodyki pomiarów. Przy wyznaczaniu budżetu niepewności warto uwzględnić wszystkie czynniki zakłócające lub mogące mieć wpływ na poprawność wskazań przyrządów.
Proponuje się, aby laboratoria badawcze posiadające akredytację na ten rodzaj pomiarów, we własnym zakresie sporządzały budżety niepewności i przedstawiały go w czasie audytów okresowych do akceptacji audytorom technicznym.

Literatura

[1] PN-IEC 833: 1997 Pomiary pól elektrycznych częstotliwości przemysłowej
[2] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz. U. nr 192, poz. 1883)
[3] PN-E-05100-1:1998 Elektroenergetyczne linie napowietrzne – Projektowanie i budowa – Linie prądu przemiennego z przewodami roboczymi gołymi
[4] PN-90/T-06584: Mierniki i metody pomiarów natężenia pola magnetycznego o częstotliwości 50 Hz
[5] Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik. Główny Urząd Miar. 1999

mgr inż. Piotr Papliński, Instytut Energetyki, Instytut Badawczy
ul. Mory 8, 01-330 Warszawa 

mgr inż. Hubert Śmietanka, Instytut Energetyki, Instytut Badawczy
ul. Mory 8, 01-330 Warszawa

Warto zobaczyć

Zostaw komentarz