i UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAŞI CERCETĂRI ASUPRA MĂSURĂRII ȘI LIMITĂRII NIVELULUI PERTURBAȚIILOR ELECTROMAGNETICE -REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT- Ing. Bogdan Dumitru Alistar Conducător de doctorat : Prof. dr. ing. Alexandru Sălceanu IAŞI, 2019
99
Embed
CERCETĂRI ASUPRA MĂSURĂRII ȘI LIMITĂRII ......mijlocii. De asemnea, sunt definite metrici pentru expunerea la câmpuri electrice și magnetice multiple (de frecven țe diferite)
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
i
UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAŞI
CERCETĂRI ASUPRA MĂSURĂRII ȘI LIMITĂRII NIVELULUI
PERTURBAȚIILOR ELECTROMAGNETICE
-REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT-
Ing. Bogdan Dumitru Alistar
Conducător de doctorat : Prof. dr. ing. Alexandru Sălceanu
IAŞI, 2019
iii
Mulţumiri
Adresez cele mai respectuoase mulțumiri Domnului Prof. Univ. Dr. Ing.
Alexandru Sălceanu pentru șansa și încrederea necondiționat acordate, pentru,
sprijinul constant și ajutorul oferit pe întreaga perioadă a stagiului doctoral
precum și pentru oportunitatea acestei experiențe stiințifice unice.
Totodată mulțumesc colectivului din cadrul Laboratorului de Compatibilitate
Electromagnetică și întregului colectiv didactic al Departamentului de Măsurări
Electrice și Materiale Electrotehnice pentru contribuția Dumnealor la educarea și
formarea mea profesională.
Toată recunoștința și mulțumirile mele domnilor referenți științifici,
Prof.univ.dr.ing. Radu-Ioan Munteanu, Prof.univ.dr.ing.Sorin Dan Grigorescu și
Conf.univ.dr.ing. Eduard Luncă pentru atât de necesarele sugestii oferite cu
prilejul recenzării tezei dar și pentru amabilitatea de a accepta să fie referenți
oficiali în Comisia de Susținere Publică a prezentei lucrări.
Îmi exprim deosebita recunoștiință familiei, pentru sprijinul necondiționat,
încurajările și înțelegerea pe care mi le-au oferit pe toată perioada stagiului
doctoral.
Iași, Septembrie 2019 Drd. Ing. Bogdan Dumitru ALISTAR
iv
CUPRINS REZUMAT TEZ Ă DE DOCTORAT
Pagina
Structura tezei 1
Capitolul 1. Analiză sintetică a spectrului electromagnetic din perspectiva efectelor biologice 3
1.1 De la compatibilitate la biocompatibilitate electromagnetică 3
1.2 Criterii de diferențiere și clasificări aferente 3
Capitolul 2. Dinamică și diversitate în legislație și reglementări specifice 9
2.1 Directiva Europeană 2013/35/UE, armonizări cu normativele ICNIRP si IEEE 9
2.2 Expunerea la câmp electric și magnetic, de la valori limită de expunere (ELV) la nivele
de acțiune (AL)
11
Capitolul 3. Sprijin logistic pentru întreprinderile micro, mici si mijlocii 21
3.1 Senzori externi (probe) de câmp electric și magnetic, realizați artizanal, în laborator 21
3.2 Definirea unor metrici pentru expunerea la câmpuri electrice și magnetice multiple (de
frecvențe diferite). Aplicare și studiu de caz
25
3.3 Studiu asupra emisiilor de câmp electric și magnetic asociate monitoarelor PC 31
3.4 Concluzii 35
Capitolul 4. Studiu asupra câmpurilor magnetice și electrice generate de LEAÎT 36
4.1 Relevanța dispunerii (transpunerii) fazelor asupra câmpului magnetic generat de
LEAÎT
36
4.1.1 Cadrul general 36
4.1.2 Simulări realizate cu software FEMM 4.2 40
4.1.3 Simulari realizate cu software EMFACDC. Influenţa distribuţiei fazelor asupra
intensităţii câmpului magnetic
46
4.1.4 Concluzii 50
4.2 Relevanța transpunerii fazelor asupra câmpului electric generat de LEAÎT 51
4.2.1 Studiu comparativ al eficienței transpunerii fazelor în reducerea intensității
câmpului electric generat, pentru toate cele trei tipuri de configurații posibile
51
4.3 Influența conductivității solului asupra câmpului magnetic produs de LEAÎT. 57
4.4.1 Comparatii cu modelări software 58
4.4.2 Concluzii 63
4.4 Influența caracteristicilor electrice ale solului asupra câmpului electric generat de LEAÎT 64
v
4.4.1 Influența conductivității solului asupra câmpului electric asociat LEAÎT 64
4.4.2 Concluzii 69
Capitolul 5. Modelări și simulări ale curenților induși în corpul uman de câmpurile electrice și
magnetice asociate LEAÎT
71
5.1 Liniile electrice aeriene, surse importante de câmpuri electrice și magnetice de
Extrem de Joasă Frecvență (EJF-50 Hz)
71
5.2 Modelul cilindric eliptic al corpului uman dezvoltat în cadrul CST SUITE STUDIO 72
5.3 Rezultate ale simulării și relevanța practică 74
5.4 Concluzii 77
Concluzii generale, rezultate cu valoare de contribuții si abordări viitoare 79
BIBLIOGRAFIE 84
Lucrări publicate 92
vi
CUPRINS TEZĂ DE DOCTORAT
Pagina
Definiții, Acronime, Abrevieri, Notații și Simboluri 1
Capitolul 1. Analiză sintetică a spectrului electromagnetic din perspectiva efectelor biologice 13
1.3 De la compatibilitate la biocompatibilitate electromagnetică 13
1.4 Criterii de diferențiere și clasificări aferente 13
1.5 Specificitatea câmpurilor electrice și magnetice de foarte joasă frecvență (10 Hz-
100kHz) din perspectiva studiului efectelor biologice
18
Capitolul 2. Dinamică și diversitate în legislație și reglementări specifice 34
2.3 Clasificări ale surselor de câmp electromagnetic, standarde și norme 34
2.4 Exemple reprezentative, valori orientative 35
2.5 Directiva Europeană 2013/35/UE, armonizări cu normativele ICNIRP si IEEE 37
2.6 Expunerea la câmp electric și magnetic, de la valori limită de expunere (ELV) la nivele
de acțiune (AL)
40
Capitolul 3. Sprijin logistic pentru întreprinderile micro, mici si mijlocii 49
3.5 Argumente privind necesitatea susținerii IMM-urilor din punct de vedere al obligațiilor
ce decurg din Directiva 2013/35/UE
49
3.6 Senzori externi (probe) de câmp electric și magnetic, realizați artizanal, în laborator 50
3.7 Definirea unor metrici pentru expunerea la câmpuri electrice și magnetice multiple (de
frecvențe diferite). Aplicare și studiu de caz
55
3.8 Studiu asupra emisiilor de câmp electric și magnetic asociate monitoarelor PC 62
3.9 Concluzii 66
Capitolul 4. Studiu asupra câmpurilor magnetice și electrice generate de LEAÎT 67
4.2 LEAÎT-surse importante de câmpuri magnetice și electrice în ambientul rezidențial și
ocupațional
67
4.3 Relevanța dispunerii (transpunerii) fazelor asupra câmpului magnetic generat de
LEAÎT
70
4.1.5 Cadrul general 70
4.1.6 Simulări realizate cu software FEMM 4.2 73
4.1.7 Simulari realizate cu software EMFACDC. Influenţa distribuţiei fazelor asupra
intensităţii câmpului magnetic
79
vii
4.1.8 Concluzii 85
4.3 Relevanța transpunerii fazelor asupra câmpului electric generat de LEAÎT 85
4.2.2 Studiul transpunerii în cazul unei linii trifazate duble de 110 kV (rețea de
distribuție din zona limitrofă marilor aglomerări urbane)
85
4.2.3 Studiu comparativ al eficienței transpunerii fazelor în reducerea intensității
câmpului electric generat, pentru toate cele trei tipuri de configurații posibile
87
4.4 Influența conductivității solului asupra câmpului magnetic produs de LEAÎT. 94
4.4.3 Dimensionarea curenților imagine induși de câmpul magnetic 95
4.4.4 Comparatii cu modelări software 97
4.4.5 Concluzii 103
4.5 Influența caracteristicilor electrice ale solului asupra câmpului electric generat de LEAÎT 103
4.4.3 De la tensiune la densitate de sarcină 104
4.4.4 Influența conductivității solului asupra câmpului electric asociat LEAÎT 109
4.4.5 Influența permitivității relative a solului 114
4.4.6 Concluzii 115
Capitolul 5. Modelări și simulări ale curenților induși în corpul uman de câmpurile electrice și
magnetice asociate LEAÎT
116
5.2 Liniile electrice aeriene, surse importante de câmpuri electrice și magnetice de
Extrem de Joasă Frecvență (EJF-50 Hz)
116
5.3 Cadrul legislativ și științific 117
5.3 Efecte dăunătoare produse de câmpurile electrice și magnetice de EJF 118
5.4 Simulări, rezultate, comparări 121
5.5 Modelul cilindric eliptic al corpului uman dezvoltat în cadrul CST SUITE STUDIO 124
5.6 Rezultate ale simulării și relevanța practică 127
5.7 Concluzii 131
Concluzii generale, rezultate cu valoare de contribuții si abordări viitoare 132
BIBLIOGRAFIE 137
Lucrări publicate 145
1
Structura tezei
Teza de doctorat intitulată “CERCETĂRI ASUPRA MĂSURĂRII ȘI LIMITĂRII
NIVELULUI PERTURBAȚIILOR ELECTROMAGNETICE” este structurată pe cinci capitole,
precedate de capitolul introductiv cu Definiții, Acronime, Abrevieri, Notații și Simboluri. La
finalul tezei de doctorat sunt prezentate Concluzii generale, rezultate cu valoare de contribuții
aduse în cadrul lucrării pe parcursul studiilor doctorale si abordări viitoare. De asemenea, tot
la sfârșitul lucrării de găsește și o listă a articolelor publicate ca prim autor, respectiv ca și
coautor. Structura tezei va fi prezentată pe scurt, pe capitole, în cele ce urmează:
Capitolul 1 conține o scurtă Analiză sintetică a spectrului electromagnetic din perspectiva
efectelor biologice. De asemenea, sunt descrise succint informațiile privind spectrul de
frecvențe, energia fotonului și acronimele internaționale. Capitolul 1 se încheie cu o succintă
descriere a câmpurilor electrice și magnetice de foarte joasă frecvență (10 Hz-100kHz) din
perspectiva studiului efectelor biologice.
Capitolul 2 prezintă succint legislația și reglementările specifice prin clasificări ale surselor
de câmp electromagnetic, standarde și norme de testare a câmpurilor electromagnetice,
exemple reprezentative și valori orientative încheindu-se cu prezentarea valorilor limit ă de
expunere și nivelele de acțiune a expunerii la câmp electric și magnetic.
Capitolul 3 prezintă o serie de echipamente ieftine, analizor spectral Spectran NF5035 și
senzori realizabili în condițiile unui laborator obișnuit, pentru prelucrarea simplă a
rezultatelor relativ complexe care pot fi un sprijin logistic pentru întreprinderile micro, mici si
mijlocii. De asemnea, sunt definite metrici pentru expunerea la câmpuri electrice și magnetice
multiple (de frecvențe diferite) cu aplicații și studiu de caz. În încheiere s-a pus accent pe
studiul asupra emisiilor de câmp electric și magnetic asociate monitoarelor de calculator,
certificări specifice, restricții, măsurări și analiză comparativă.
Capitolul 4 este dedicat prezentări și exemplificării studiului asupra câmpurilor magnetice și
electrice generate de LEAÎT și a relevanței transpunerii fazelor asupra câmpului electric și
magnetic generat de acestea. Metoda dispunerii fazelor este utilizată în cadrul simulărilor
efectuate, pentru șase transpuneri de faze (primul circuit fix și al doi-lea transpuns) a șase
tipuri de stâlpi pilon a unei rețele electrice trifazate duble, cu soft-urile FEMM 4.2 si EMF
ACDC. De asemnea, au fost scoase imagini cu modelările efectuate, au fost exportate
rezultatele obținute și au fost trasate grafice comparative. Tot în acest capitol sunt prezentate
influența conductivității solului asupra câmpului electric și magnetic produs de LEAÎT
2
comparând rezultatele analitice obținute cu exemple de modelări realizate cu ajutorul a trei
software: FEMM 4.2, EMF ACDC și respectiv CST Studio.
Capitolul 5 este concentrat pe modelări și simulări ale curenților induși în corpul uman de
câmpurile electrice și magnetice asociate LEAÎT. Sunt prezentate simulările, relevanța
practică și rezultatele experimentale obținute pentru modelul corpului uman dezvoltat în
cadrul CST SUITE STUDIO.
Capitolul 6 prezintă concluziile și contribuțiile aduse în urma cercetării efectuate pe parcursul
stagiului doctoral.
3
Capitolul 1
Analiză sintetică a spectrului electromagnetic din perspectiva efectelor biologice
1.1 De la compatibilitate la biocompatibilitate electromagnetică
Emisiile (radiațiile) electro-magnetice, asociate unui potențial electric sau unui curent
electric, pot avea cauze naturale (fenomene independente de activitatea umană) sau cauze
artificiale (direct asociate unei activități umane).
Pentru început aceste emisii au fost studiate din perspectiva posibilelor aplicații tehnice.
Ulterior au fost cercetate efectele perturbative pe care aceste emisii, utile pentru o
anumită aplicație, pot să le producă asupra altor echipamente (în special
electrice/electronice/IT) funcționând în mediul respectiv, așa numita compatibilitate
electromagnetică.
În ultimele decenii s-au extins preocupările multor organisme naționale sau
internaționale privind studierea posibilelor efecte dăunătoare pe care aceste emisii pot să le
aibă asupra organismelor vii în general, asupra ființei umane în mod special.
O definiție foarte generală a radiației identifică cele trei elemente esențiale:
a) Sursa (emițătorul) care emite energie;
b) Mediul (sau spațiul) prin care se transmite energia;
c) Receptorul (cel care primește, absoarbe) energia.
Transmisia (radiația) are loc sub forma undelor electromagnetice (plane), fiind valabil
și dualismul undă/particulă stipulat în fizica cuantică pentru frecvențe mai mari de 1012 Hz
(limita inferioară fiind astfel domeniul infraroșu).
În numeroase situații, ”susceptorul” energiei electro-magnetice (termen mai sugestiv
decât ”receptor”, atunci când este vorba de o ”recepție” nedorită, potențial perturbatoare sau
chiar dăunătoare) este OMUL. Atât din perspectiva inginerească cât și din cea medicală,
putem vorbi acum și de biocompatibilitate electromagnetică.
1.2 Criterii de diferențiere și clasificări aferente
Există numeroase clasificări, bazate pe cele mai diferite criterii.
Atât din punctul de vedere al aplicațiilor, cât și din punctul de vedere al potențialelor
efecte dăunătoare asupra ființei umane, radiațiile electromagnetice se împart în neionizante și
ionizante.
4
Aici, principalul criteriu este reprezentat de energia particulelor (fotonilor) asociați
radiației.
Raportul dintre energia vehiculată de un foton și frecvența lui de oscilație este dat de
constanta lui Plank :
ℎ = = 6,63 ∙ 10 ∙ (1.1)
Lungimea de undă a unei radiații este definită ca spațiul parcurs de frontul de undă în
timp de o perioadă:
= ∙ = (1.2)
Pe baza acestor formule se poate stabili o corespondență biunivocă între frecvența de
oscilație, lungimea de undă și energia transportată de particula oscilantă numită foton:
= ℎ ∙ = ℎ ∙ (1.3)
În concluzie, cu cât frecvența de oscilație este mai ridicată, cu atât lungimea de undă
este mai redusă și energia vehiculată mai mare.
O radiație ionizantă va avea suficientă energie pentru a produce ionizarea la nivelul
moleculelor corpului incident, absorbant. Adică, un electron de pe stratul periferic primește
suficientă energie pentru a se desprinde de molecula respectivă, care devine ion pozitiv. O
astfel de modificare la nivelul unei celule vii are efecte direct dăunătoare, ducând la
denaturarea structurii proteice sau, cel mai riscant, la deteriorări ale ADN-ului. Drumul de la
perturbarea codului genetic care controlează creșterea, funcționarea și reproducerea celulelor
la apariția tumorilor maligne este scurt și direct.
Granița între radiațiile ionizantă-neionizantă este osmotică și aproximativă, depinzând
de natura moleculei supuse radiației.
Pornind de la faptul că peste 60% din corpul unui adult este apă, un punct de plecare ar
fi energia fotonului care produce ionizarea unei molecule de H2O, aproximativ 33 electron-
Volți (eV).
Deși nu este unitate din SI, eV este foarte folosit atunci când se lucrează cu energii
(mici) asociate uneia sau mai multor particule.
Prin definiție, 1 eV este energia (primită sau cedată) de un electron care se deplasează
într-un câmp electric de potențial 1 V, energia fiind egală cu produsul dintre sarcina
vehiculată și potențialul câmpului.
Corespondența dintre unitatea de energie în SI, Joule și eV este stabilită prin relația:
Am realizat măsurări privind intensitatea câmpului electric și inducția câmpului
magnetic emise de 4 tipuri de monitoare de PC ( vârste și tehnologii semnificativ diferite),
din perspectiva verificării încadrării în limitele impuse de ICNIRP si, complementar, de
certificările TCO.
S-au înregistrat depășiri ale limitelor (măsurate pe un cerc cu raza de 50 cm, în jurul
monitorului), în principal pentru monitoare CRT vechi, dar și pentru cele LCD încă utilizate.
Trebuie să precizez că, în general, aceste depășiri erau în părțile din spate sau laterale, ceea ce
înseamnă că protecția suplimentară în ceea ce privește emisia de câmp E & H spre partea
frontală a monitorului,acolo unde sunt ochii care operatorului, are eficiență până la un punct.
Această abordare este doar parțial liniștitoare. Dacă computerul face parte dintr-o rețea a unei
săli de laborator sau a unei săli de lectură a unei biblioteci, capul (creierul și nervul optic)
operatorului care stă într-un anumit rând este situat, de asemenea, aproximativ la o distanță
36
comparabilă de calculatorul din spate sau din lateral. În concluzie, toate laturile unui monitor
trebuie tratate în mod egal din perspectiva ecranării electrice și magnetice.
Problema emisiilor de pe câmp a fost tratată mai atent de producător în ultimii ani, cele
mai noi monitoare având nivele acceptabile în jurul lor, considerate ca fiind nepericuloase
pentru sănătatea operatorului.
Fără îndoială, monitoarele cu LED-uri de ultima generație, toate având cel puțin
eticheta "TCO'03 Certified" sau chiar "TCO'05 Certified" respectă limitele TCO. Eticheta
TCO este în principal o garanție pentru emisii electro-magnetice reduse, în contextul
dezvoltării durabile generale.
37
Capitolul 4
Studiu asupra câmpurilor magnetice și electrice generate de LEAÎT
4.1 Relevanța dispunerii (transpunerii) fazelor asupra câmpului magnetic generat de LEAIT 4.1.1 Cadrul general
În principal am studiat modul în care transpunerea fazelor influențează valorile maxime
și distribuția în profilul transversal a câmpului electric, respectiv magnetic rezultat.
Transpunerea fazelor (mai scurt, fazarea) este distribuția relativă a celor trei faze ale
unui circuit, în raport cu poziționarea fixă a fazelor unui circuit apropiat, simetric, considerat
drept referință. Evident, problematica transpunerii efective a fazelor se pune doar în cazul
unor circuite trifazate duble sau chiar quadruple, [Salce1, 2018]. Este doar unul dintre
numeroșii factori care influențează valoarea câmpurilor electrice și magnetice generate de
LEAÎT, [Salce2, 2018].
Inițial, problema permutărilor circulare între pozițiile spațiale ale celor trei faze (defazaj
de 1200), preponderent denumite în literatura europeană R, S și T a fost abordată din
perspectiva echilibrării pierderilor celor trei faze. Alături de efectul corona și de pierderile
prin efect caloric, pierderile datorită cuplajului capacitiv între fază și pământ, dar și între faze,
au un anumit rol. Dacă pierderile datorate acestor cuplaje capacitive sunt diferite pentru cele
trei faze (datorită în principal, distanței diferite față de pământ), apar dezechilibre între faze
care afectează receptorii aflați la capătul liniei de transport.
Singura soluție posibilă o reprezintă intercalarea unor piloni având construcție specială,
care permit aceste permutări ale poziției relative a fazelor față de pământ. Sigur, această
soluție implică niște costuri, dar care sunt justificate financiar în cazul liniilor mai lungi de 50
km. Pentru o astfel de linie, intercalarea a 2 stâlpi de permutare a pozițiilor celor trei faze are
eficiență economică. Sugestiv, această soluție este prezentată în Figura 4.1.
Figura 4.1. Principiul transpunerii fazelor în cazul unei rețele trifazate simple
R S T
0° 120° 240°
38
Odată cu dezvoltarea sistemului de transport a energiei electrice, au devenit foarte
răspândite rețelele trifazate duble, când 2 circuite trifazate distincte, dar foarte asemănătoare
ca parametri, sunt plasate simetric, la stânga și la dreapta stâlpului de susținere. În perioade
mai recente, s-a pus problema dacă transpunerea fazelor nu ar avea efect și asupra
compensării (parțiale), a câmpurilor electrice și magnetice generate de aceste rețele, față de
situația nedorită când aceste câmpuri s-ar suma.
În mod evident, pentru studiul eficienței efective a transpunerii fazelor, efectuarea de
măsurări ”in situ”, [AARON, 2016], [AARON,2017] nu poate constitui decât un argument
orientativ, datorită multitudinii de variante ce trebuie considerate. În etapa de proiectare,
suportul oferit de software de simulare electromagnetică este obligatoriu, [Vujev, 2011],
[Xiao, 2014].
Noi am utilizat 2 software open source, FEMM 4.2[Meeke, 2015], [FEMM4, 2018]și
respectiv EMFACDC [EMFAC, 2016], [ITU-T, 2018] dorind simularea câmpurilor generate,
pentru 6 configurații reprezentative de circuite trifazate duble. Caracteristicile rețelelor
selectate sunt sintetizate în Tabelul.4.2.
Am inclus în acest tabel și coordonatele punctului de conectare la stâlp al conductorului
de protecție (de împământare) N1 și eventual N2, doar ca un detaliu constructiv, contribuția
lui la valoarea și distribuția câmpurilor electrice și magnetice din ambient fiind neglijabilă.
Tabelul 4.2. Coordonatele punctelor de conectarea a izolatorilor de sticlă pentru 6
configurații reprezentative de rețele trifazate duble. (Centrul axelor de coordonate este
considerat la intersectia dintre axa de simetrie a stalpului si sol)
Tipul Stâlpului și al
Coordonatele punctului de conectare la stâlp a izolatorilor de sticlă verticali (m)
Sn 110252 110KV,640 A,
triunghi isoscel vertical
(0; 31.1)
(-3.05; 27.3)
(-4.55; 22.3)
(-3.05; 17.3)
- (3.05; 27.3)
(4.55; 22.3)
(3.05; 17.3)
Sn 110402 110 kV, 640 A
triunghi isoscel
orizontal
(-3.15; 29.5)
(-5.65; 26.5)
(-7.65; 22)
(-3.65; 22)
(3.15; 29.5)
(5.65; 26.5)
(7.65; 22)
(3.65; 22)
Sn 220202 220 kV,920 A
triunghi
(0; 41.4)
(-5; 35)
(-8; 28.5
(-5; 22)
- (5; 35)
(8; 28.5)
(5; 22)
39
isoscel vertical
Sn 220252 220 kV,920 A,
Linie orizontală
(-10.6; 26.5)
(-15; 21.5)
(-10; 21.5)
(-5; 21.5)
(10.6; 26.5)
(15; 21.5)
(10; 21.5)
(5; 21.5)
Sn 400232 400 kV, 2760
A triunghi isoscel
orizontal
(-14.3; 41.5)
(-10.3; 39)
(-13.3; 27)
(-7.3; 27)
- (10.3; 39)
(13.3; 27)
(7.3; 27)
Sn 400202 400 kV, 1840
A triunghi
isoscel vertical
(0; 58)
(-7; 50)
(-11; 41)
(-7; 32)
- (7; 50)
(11; 41)
(7; 32)
Așa cum am precizat și în prima coloană a tabelului1, există în practică numai 3
configurații de rețele trifazate duble (și simetrice), reprezentate schematic în Figura 4.2, a), b)
și c): cu fazele amplasate în triunghi isoscel (obtuzunghic) având baza verticală, cu fazele
amplasate în triunghi isoscel (ascuțitunghic) cu baza orizontală și respectiv, cu fazele
distribuite în linie orizontală.
a) b) c)
Figura 4.2. Cele trei configurații posibile pentru distribuirea fazelor în cazul rețelelor trifazate
duble: triunghi isoscel cu baza verticală (a), triunghi isoscel cu baza orizontală (b), linie
orizontală (c).
Un studiu detaliat al inflenței transpunerii fazelor asupra câmpurilor electrice și
magnetice generate de liniile de înaltă tensiune trifazate duble este prezentat în [Salce1, 2018]
și [Salce2, 2018].
40
4.1.2 Simulări realizate cu software FEMM 4.2
Softul FEMM abordează câteva cazuri ale ecuațiilor lui Maxwell. Problemele abordate
sunt cele care pot fi considerate probleme de joasă frecvență în care curenții de deplasare pot
fi ignorați. Curenții de deplasare sunt de obicei relevanți pentru problemele magnetice doar la
frecvențele radio.
Meniul de editare a acestui program este unul interactiv si uşor de utilizat prin care se
pot efectua multe sarcini utile.
Cele mai importante funcţii care trebuie avute în vedere în simulările realizate cu acest
soft sunt cele de a selecta tipul de problemă, de a defini problema, de a defini materialul,
frontiera şi circuitul modelului realizat.
Definirea problemei se face selectând din bara de meniu opţiunea „Problem” (Figura
4.3.). Accesând această opţiune avem posibilitatea de a alege unitatea de măsură, frecvenţa,
adâncimea şi precizia pentru rezolvarea problemei.
Figura 4.3. Fereastra pentru ”definirea problemei”
Selectând din bara de meniu opţiunea “Properties” avem posibilitatea de a defini
materialul, frontiera şi circuitul. Materialul se poate defini în totalitate, denumire, proprietăţi
electrice, conductivitate electrică, curent etc. sau poate fi selectat din biblioteca programului,
având toate caracteristicile specifice.
Frontiera este proprietatea folosită pentru a defini liniile și arcele de cerc ce vor urma să
fie limite pentru domeniul de calcul al soluției. Figura 4.3’ arată fereastra care se deschide
atunci când se dorește impunerea unor condiții de frontieră.
41
Figura 4.3’. Fereastră pentru stabilirea frontierei
Tipul frontierei trebuie ales în funcţie de geometria modelului. Pentru un rezultat cât
mai corect se recomandă selectarea tipului prescris de program.
Scopul definirii proprietăților circuitelor este pentru a-i permite utilizatorului să
stabilească valoarea curentului şi tipul circuitului (serie sau paralel) și să controleze trecerea
curentului în unul sau mai multe blocuri.
Postprocesorul magnetic din FEMM este folosit pentru a vedea soluțiile generate de
simulator. Fereastra postprocesorului magnetic poate fi accesată fie încărcând o soluție
anterioară fie pentru a vedea o nouă soluție.
Postprocesorul operează în trei moduri (Figura 4.4.):
• Proprietățile punctului: în acest mod avem posibilitatea de a prelua rezultatele
procesate intr-un anumit punct dat.
• Contur – în acest mod prelua și exporta rezultatele din contururi arbitrare pentru a
se observa variația diferitelor mărimi pe întregul contur.
• Aria – în acest mod putem prelua rezultate integrale de volum pentru modelul
definit.
Figura 4.4. Moduri de operare ale postprocesorului
Pentru simulările efectuate am luat în considerare coordonatele (în metri) a centrului
secţiunilor transversale ale cablurilor de fază la mijlocul distanței dintre stâlpi, caz cel mai
defavorabil admis de standard, când firele sunt cel mai aproape de sol (Tabelul 4.2).
42
Principalele caracteristici pentru cele 6 configuraţii de stâlpi simulate în FEMM 4.2
sunt sintetizate în Tabelul 4.3.
Tabelul 4.3. Caracteristici aconfiguraţii LEAÎT
Tipul Stâlpului Tensiunea LEA ÎT
(kV)
Imax acceptabil
(rms-valoare efectivă)
A
Conductor activ
(ACSR) secțiune
transversală a
conductorul de
aluminiu, mmm2
Sn 110252 110 640 3x240
Sn 110402 110 640 3x240
Sn 220202 220 920 3x450
Sn 220252 220 920 3x450
Sn 400202 400 1840 3x450
Sn 400232 400 2760 3x450
Conductorul ACSR de 240/40 mm2 are diametrul exterior de 22 mm, din care 8 mm
este conductorul Ol iar cel de 450/40 mm2 are diametrul exterior de 28 mm din care 8 mm
este oţel. Conductorul din oţelul este folosit pentru susţinerea conductorului din aluminiu.
Proprietăţile electrice a acestor materiale sunt: conductivitatea electrică a aluminiului
σ=37MS/m, conductivitatea electrică a oţelului σ=5,6 MS/m şi permitivitatea relativă εr=1.
Prima etapă din programul de simulare estea cea în care am definit si modelat tipul de
conductor specific fiecarui tip de stâlp (Figura 4.4’). conform descrierilor anterioare.
Figura 4.4’. Conductor Oţel-Aluminiu (ACSR)
43
În următoarele etape am trecut la realizarea modelul de stâlp conform Tabel 4.1,
stabilrea frontierei (de zece ori înalţimea stâlpului), procesării şi stocării rezultatelor.
Întrucât circuitele sunt defazate cu 120o fazele în program au fost definite pentru fiecare
tip de stâlp conform Tabel 4.3, astfel: faza R - Imax , faza S conform formulei 4.1. iar faza T
conform formulei 4.2.
Kabcbd = Kebf g− # + K √
j = Kebfk−0,5 + K ∙ 0,865l (4.1)
Kabcbm = Kebf g− # − K √
j = Kebfk−0,5 − K ∙ 0,865l (4.2)
Modelul simulat în soft pentru cele trei configurații posibile privind distribuirea fazelor
în cazul rețelelor trifazate duble este prezentat în figura 4.5.
Figura.4.5.a) Configurație stâlp în linie
Figura.4.5.b) Configurație stâlp în triunghi isoscel cu baza orizontală
44
Figura.4.5.c) Configurație stâlp în triunghi isoscel (cu baza verticală)
În cadrul studiului întreprins am insistat asupra relevanței efective a acestor transpuneri,
atât prin raportare relativă, cât și prin referire la valorile maxime considerate nepericuloase și
acceptate de standarde. Simulările au fost făcute atât pentru câmpul magnetic cât și pentru cel
electric, dovedint faptul că fazarea contribuie într-o măsură mai mare la compensarea
reciprocă a câmpurilor magnetice decât a celor electrice.
Simulările au fost efectuate pentru fiecare din cele 6 configurații din Tabelul 4.2.
Pentru fiecare din aceste configurații, există câte 6 poziții relative în care pot fi plasate
cele trei faze (din dreapta stâlpului de susținere) prin raportare la cele trei faze din stânga,
considerate fixe, de referință (permutări de 3 faze, P3=3!=6).
Din punct de vedere al prelucrării, comparării și stocării datelor, o facilitate pe care o
permite software FEMM 4.2 este salvarea rezultatelor în format text, ce poate fi imediat
importat in Excel, cu avantajele bine cunoscute. În Figura 4.6. prezentate pe același grafic,
profilurile laterale (+/- 50 metri la stânga și la dreapta stâlpului de susținere) ale inducției
magnetice (densitatea de flux magnetic), trasate la 1 metru înălțime față de sol, pentru o rețea
trifazată dublă de 110 kV, echilibrată (vehiculând curenți aproximativ egali de 640 A rms) și
utilizând stâlpi de susținere tip SN 110 252.
45
Figura 4.6. Influența transpunerii fazelor asupra densității de flux magnetic pentru o rețea
trifazată dublă tip SN 110252
O altă facilitate pe care o are acest soft este cea de a extrage diverse imagini, după
procesarea modelului, inclusiv cu distribuția densității de flux magnetic și trasarea acesteia în
jurul conductoarelor electrice (Figura 4.7.).
Figura.4.7. Vizualizarea distrubuției densității de flux magnetic, stâlp Sn 110252
46
4.1.3 Simulari realizate cu software EMFACDC. Influenţa distribuţiei fazelor asupra intensităţii câmpului magnetic Pentru studiul câmpului magnetic am utilizat aceleași 6 transpuneri de faze ale rețelelor
trifazate duble pentru cele 3 configurații de stâlpi electrici,triunghi isoscel obtuzunghic,
triunghi isoscel ascuțitunghic și în linie (Figura 4.2).
Pentru fiecare tip de configurație am stocat imagini cu grafice cu intensitate câmp
magnetic pe orizontală (Figura 4.8) și pe verticală (Figura 4.9.), cazurile sol conductor
(conductivitate mare), respectiv sol neconductor (sol uscat, rezistivitate mare).
a) b)
Figura 4.8. Intensitate câmp magnetic pe orizontală, configuraţie în triunghi isoscel optuzunghic RST-RST: a)sol conductor, b) sol neconductor
Figura 4.9. Intensitate câmp magnetic pe verticală, configuraţie în triunghi isoscel
optuzunghic RST-RTS
Se poate observa în Figura 4.9 că valoarea maximă a intensității câmpului magnetic,
respectiv 40 A/m, se atinge la înăltimea de 14 m față de sol.
Putem observa în Figura 4.10.distribuția (colorată) a câmpului magnetic în jurul
fazelor, pentru o configurație (RST-STR).
47
Figura 4.10. Conturarea câmpului magnetic în jurul conductoarelor (RST-STR triunghi
isoscel optuzunghic)
După cum se poate vedea, conductivitatea solului influențează câmpul magnetic. Un sol conductor va determina creșterea valorilor câmpului magnetic.
Pentru configuraţia în triunghi echilateral cu transpunerea fazelor RST se înregistrează
cele mai mari valori ale câmpului magnetic (Figura 4.11.). După cum se observă și din Figura
4.12. valorile câmpului din jurul conductoarelor sunt considerabil mai mari.
Figura 4.11. Intensitate câmp magnetic pe verticală, configuraţie în triunghi isoscel baza
orizontală, RST-RST
48
Figura 4.12. Distribuția câmpului magnetic în jurul conductoarelor (triunghi isoscel
ascuțitunghic, RST-RST)
Dupa cum se vede din Figura 4.13, pentru configuraţie în linie RST-RST, valoarea maximă a intensitatii câmpului magnetic pe verticală, respectiv 47 A/m, se atinge la înalțimea de 4 m față de sol.
Figura 4.13. Distribuția intensitate câmp magnetic pe verticală, configuraţie în linie RST-RST
În Tabelul 4.4 care sintetizează rezultatele obținute, au fost selectate (din motive de
spațiu și de coerență) doar trei din aceste configurații, reprezentative atât pentru distribuția
fazelor cât și pentru tensiunile înalte utilizate în sistemele de transport și distribuție din
Romania:
• SN 110402 (110 kV, dispunere a fazelor în triunghi isoscel ascuțitunghic, cu
baza orizontală),
• SN 220252 (220 kV, dispunere a fazelor în linie orizontală) și
• SN 400202 (440 kV, dispunere a fazelor în triunghi isoscel obtuzunghic, cu
baza verticală).
49
Pentru fiecare din aceste structuri am luat în calcul ambele variante, cu sol conductor,
respectiv neconductor, iar valorile reținute pentru câmpul magnetic au fost cele selectate în
trei puncte relevante: valoarea maximă, valoarea exact sub stâlpul de susținere și respectiv
valorile la +/- 20 m în laterala lui.
Tabelul 4.4. Valorile comparative ale intensității câmpului magnetic generat de linii trifazate
duble, simetrice, funcție de transpunerea fazelor, în profil orizontal
Intensitatea campului magnetic H (A/m)-Profil orizontal
Configuratie Nr.
per
Succesiunea
fazelor
Sol conductor Sol neconductor
H axa
vert
H
maxim
H
(+20;-
20m)
H axa
vert
H
maxim
H
(+20;-
20m)
SN 400202
(baza
verticală)
1 R S T 19 19.2 2.8 11.5 12.5 2.5
2 R T S 14.8 15.8 2.1 11 11.2 2.2
3 S R T 18.3 18.5 3 11.8 12.7 2.3
4 S T R 11.3 14 2.2 11.4 11.7 1.8
5 T R S 11.2 14 2.1 11.2 11.5 1.7
6 T S R 8.1 12.4 1 11.7 11.7 1
Raport max/min 2.35 1.55 2.8 1.07 1.13 2.5
SN 110402
(baza
orizontală)
1 R S T 40 44 22.5 22.5 34.8 20
2 R T S 14.9 37.5 25 8 30.2 20.3
3 S R T 39.8 45.2 30 27.8 39.8 20.2
4 S T R 22 42.5 30 25 36 20
5 T R S 22 42.6 30 24.8 35.8 20
6 T S R 28 39.8 22 29 32 16.5
Raport max/min 2.68 1.17 1.36 3.47 1.31 1.23
SN 220252
(linie
orizontală)
1 R S T 43 43 15 27.5 28 8
2 R T S 27.5 27.5 15 16.5 24 9
3 S R T 42.5 42.5 13.5 27.4 27.8 8.5
4 S T R 22.4 25.3 15 14 22.6 10
5 T R S 22.4 25.3 15 14 22.6 10
6 T S R 16.3 25.8 15 11 19 10
Raport max/min 2.63 1.7 1.11 2.5 1.47 1.25
50
În Tabelul 4.5. am sintetizat valoarile maxime de la baza stâlpului în profil vertical și
înălțimea față de sol pentru aceleași trei configurații, pentru sol conductor și respectiv, sol
neconductor.
Tabelul 4.5. Valorile comparative ale intensității câmpului magnetic generat de linii trifazate duble, simetrice, funcție de transpunerea fazelor, în profil vertical
Configuratie Nr. per-mu-tare
Succesiunea fazelor Intensitatea câmpului magnetic H, (A/m), profil
vertical Sol conducător Sol neconducător
Val. Max
H (A/m)
Inaltime fata de sol
(m)
Val. max H
(A/m)
Inaltime fata de sol
(m)
SN 400202 (baza verticală)
1 R S T 37 14 39 14 2 R T S 40 14 43 14 3 S R T 17 9 42 9 4 S T R 36 16 35 16 5 T R S 36 16 35 16 6 T S R 39 16 39 16
Raport max/min 2.35 1.23 SN 110402
(baza orizontală) 1 R S T 52,5 15 59 14,8 2 R T S 53 12,5 57 12,5 3 S R T 44 17 47 15 4 S T R 45,5 9 47 9 5 T R S 45,5 9 47,5 8 6 T S R 51,5 8 55 8
Raport max/min 1.19 1.25 SN 220252
(linie orizontală) 1 R S T 47 4 37,5 8 2 R T S 58 6,5 54 6,5 3 S R T 47 4 37,5 8 4 S T R 62 6 58 7 5 T R S 62 7 57 7 6 T S R 64 7 60 7
Raport max/min 1.36 1.6
4.1.4 Concluzii
Alegerea corectă a distribuirii relative a fazelor, în cazul circuitelor trifazate duble
poate duce la reduceri foarte importante, de până la 58% ale intensității câmpului magnetic
(raportul dintre valoarea intensității câmpului magnetic, într-un anume punct de interes, în
cazul fazelor netranspuse, respectiv a fazelor optim transpuse). Chiar dacă acest procent este
51
în valoare absolută foarte mare, prin compararea acestor rezultate cu valoarea maximă
considerată nepericuloasă a intensității câmpului magnetic (800 A/m la 50 Hz), rezultă un
procent de maxim 7%. În concluzie, costurile impuse de intercalarea unor stâlpi de
construcție specială pentru realizarea transpunerii fazelor sunt justificate doar atunci când
beneficiul este dublu: echilibrarea încărcărilor capacitive și reducerea câmpurilor electrice și
magnetice. În cazul în care avem o distribuție în linie orizontală a celor 2x3 faze, echilibrarea
din punct de vedere capacitiv este practic rezolvată (înălțimea față de pământ este aceeași),
iar o reducere (orientativă) de la 5% la 3% (raportată la valoarea acceptată de standarde) nu
justifică eventualele cheltuieli suplimentare de montaj.
4.2 Relevanța transpunerii fazelor asupra câmpului electric generat de LEAÎT
4.2.1 Studiu comparativ al eficienței transpunerii fazelor în reducerea câmpului
electric generat, pentru toate cele tipuri de configurații posibile
Prin intermediul software-ului EMFACDC am simulat pentru 3 configuraţii ale
stâlpilor în triunghi isoscel ascuțitunghic, în linie şi în triunghi isoscel optuzunghic, câte 6
transpuneri de faze (Tabelul 4.2). Modelele reprezentate sunt circuite trifazate duble cu
primul circuit fix şi al doilea circuit transpus. Identificarea fazelor este făcută utilizând un cod
al culorilor aplicat în marea majoritate a convențiilor: faza R-culoarea roșie,faza S-culoarea
galbenă, faza T-culoarea albastră.
În figura 4.16. avem reprezentarea schematică pentru configuraţia stâlpului cu fazele în
triunghi isoscel ascuțitunghic, cu fazele netranspuse (RST-RST).
Figura 4.16. Configuraţie stâlp cu faze în triunghi echilateral faze netranspuse (RST-RST)
52
În figura 4.17.a) avem profilul lateral ( o distanţă pe orizontală de +/- 60 m) al
intensității câmpului electric (în kV/m), pentru configuraţia fazelor în triunghi isoscel
ascuțitunghic, cu fazele netranspuse (RST-RST) cu solul conductor iar în Figura 4.17.b)
același profil lateral în cazul solului neconductor.
Figura 4.17.a) Profil lateral intensitate câmp electric pe orizontală, configuraţie în triunghi
isoscel ascuțitunghic, RST-RST (netranspus)– sol conductor
Figura 4.17.b) Profil lateral intensitate câmp electric pe orizontală, configuraţie în triunghi
isoscel ascuțitunghic, RST-RST(netranspus) – sol neconductor
În figura 4.18. a), b) avem aceleași profile laterale ale intensității câmpului electric
(cazul sol conductor, respectiv neconductor), dar în varianta fazelor transpuse.
Figura 4.18.a) Profil lateral intensitate câmp electric pe orizontală, configuraţie în triunghi isoscel ascuțitunghic, RST-RTS (transpus)– sol conductor
53
Figura 4.18.b) Profil lateral intensitate câmp electric pe orizontală, configuraţie în triunghi
isoscel ascuțitunghic, RST-RTS (transpus)– sol neconductor
Putem observa în Figura 4.19.a), b) distribuția intensității câmpului electric în jurul
secțiunii transversale a conductoarelor asociate celor 2x3 faze, pentru cazurile distincte sol
conductor-sol neconductor.
a) b)
Figura 4.19. Distribuția intensității câmpului electric în jurul secțiunii transversale a conductoarelor asociate celor 2x3 faze: a) sol conductor, b) sol neconductor
Pentru configurația RST-SRT am simulat distribuția intensității câmpului electric pe
verticală până la o înălțime de 40 metri față de nivelul solului, tot în cele doua variante, cazul
sol conductor vs. sol neconductor (Figura 4.20.a), respectiv 4.20 b)).
54
a) b)
Figura 4.20. Profilul transversal al intensității câmpului electric pe verticală, configuraţie în triunghi isoscel cu baza orizontală, faze transpuse RST-SRT: a) sol conductor, b) sol
neconductor
Se poate observa că de regulă, un sol conductor determină valori mai mari ale
intensității câmpului electric în vecinătatea LEAÎT.
Pentru cazul configurației în linie orizontală, intensitatea pe orizontală la aceleași
repere ca la configurația în triunghi intensitatea câmpului electric este mai mare iar forma
graficului rezultat este diferită pentru ambele situații.(Figura 4.21. a), b) configurația RST-
RST).
a) b) Figura 4.21. Profil lateral intensitate câmp electric pe orizontală, configuraţie în linie, RST-
RTS (netranspus) a) respectiv RST-TSR (transpus), b
Urmatoarele simulări vor argumenta influenţa transpunerii fazelor în configuraţia triunghi isoscel optuzunghic dar şi a solului conductor sau nu, asupra intensităţii câmpului electric (Figura 4.22.a),b)).
55
a) b)
Figura 4.22. Profilul lateral al intensității câmpului electric, LEAÎT în configuraţie triunghi isoscel optuzunghic RST-RST(netranspus): a)sol conductor, b)sol neconductor
Distribuția câmpului electric în jurul secțiunii transversale a celor 6 conductori de fază,
pentru configurația triunghi isoscel optuzunghic, varianta netranspusă, cazurile sol conductor-
sol neconductor, este prezentată în Figura 4.23. a), b)) .
a) b) Figura 4.23. Distribuția câmpului electric în jurul secțiunii transversale a celor 6 conductori
de fază, pentru configurația triunghi isoscel optuzunghic, varianta netranspusă: a)sol conductor, b)sol neconductor
Pentru fiecare configuraţie am simulat în EMFACDC şi am exportat datele pentru
intensitatea câmpului electric, în varianta cu sol conductor şi cu sol neconductor, profil lateral
pe o distanţă de -/+ 20 m, în linie orizontală (Tabelul 4.7) şi respectiv de-a lungul unei linii
verticale (de la baza stâlpului până la o înălţime de 40 m (Tabelul 4.8).
Tabelul 4.7. Valorile comparative ale intensității câmpului electric generat în linie orizontală pentru 3 configuraţii ale stâlpilor, funcție de transpunerea fazelor şi de sol Intensitatea campului Electric E (kV/m)-Linie orizontala
Configuratie Nr.caz R S T Sol conductor Sol neconductor
E pe E E E pe E E
56
Tabelul 4.8. Valorile comparative ale intensității câmpului electric generat, pe linie verticală
pentru 3 configuraţii ale stâlpilor, funcție de transpunerea fazelor şi de sol
Intensitatea campului electric E (kV/m)-Linie verticala
Configurat
ie
Nr
.
cz
R S T
Sol conductor Sol neconductor
Val.
Max
E
(V/m
)
Inalti
me
fata de
sol (m)
Val.
Min
E
(V/m
)
Inalti
me
fata de
sol (m)
Val.
max
E
(V/m
)
Inalti
me
fata de
sol (m)
Val.
min
E
(V/m
)
Inalti
me
fata de
sol (m)
A.Triungh
i
Isoscel
1 R S T 4.7 16 0.5 40 3.2 14 0.3 40
2 R T S 4.7 14 0.2 40 3.3 14 0.1 40
3 S R T 4.8 9 0.25 40 3.3 9 0.2 40
axa maxim (+20;-
20m)
axa maxim (+20;-
20m)
A.Triunghi
isoscel
obtuzunghic
1 R S T 2.65 2.7 0.25 0.78 0.88 0.25
2 R T S 2.3 2.4 0.2 1.02 1.08 0.22
3 S R T 2.3 2.35 0.4 0.75 0.83 0.18
4 S T R 1.6 1.9 0.1 1.1 1.2 0.1
5 T R S 1.6 1.9 0.2 1.1 1.2 0.1
6 T S R 1.17 1.65 0.1 1.04 1.04 0.1
B.Triunghi
echilateral
1 R S T 4.6 5.2 2.8 1.7 2.6 1.4
2 R T S 2.5 4.6 3 0.8 2.3 1.6
3 S R T 4.5 5.2 3.3 2.2 3 1.5
4 S T R 2.5 4.7 3 1.8 2.7 1.4
5 T R S 2.5 4.7 3.2 1.9 2.7 1.4
6 T S R 2.7 4.2 2.6 2.3 2.4 1.1
C.Linie 1 R S T 6.7 6.7 2.6 3.3 3.4 0.7
2 R T S 5.5 5.5 2.6 2.4 3.2 0.9
3 S R T 4.5 5.2 3.2 2.2 3 1.5
4 S T R 2.5 4.7 3 1.9 2.6 1.4
5 T R S 2.5 4.6 3.2 1.9 2.7 1.3
6 T S R 2.8 4.25 2.6 2.3 2.4 1.1
57
obtuzungh
ic
4 S T R 4.6 16 0.2 40 3.2 6 0.1 40
5 T R S 4.55 16 0.2 40 3.2 6 0.1 40
6 T S R 5.1 16 0.1 40 3.55 6 0.1 40
B.Triungh
i
echilateral
1 R S T 5.2 15 0.2 27 4.2 15 0.4 40
2 R T S 5.2 12 0.2 26 3.8 14 0.3 27
3 S R T 4.5 16 0.3 40 3.7 15 0.4 40
4 S T R 5.2 9 0.4 40 3.7 9 0.5 40
5 T R S 5.2 9 0.4 40 3.7 8 0.5 40
6 T S R 5.6 8 0.2 16 4.3 8 0.4 16
C.Linie
1 R S T 7.5 4 0.1 40 4.6 4 0 6
2 R T S 11.5 6 0.1 40 7.3 6 0.2 40
3 S R T 7.5 4 0.05 40 4.5 4 0.2 40
4 S T R 12 6 0.1 40 7.8 6 0.2 40
5 T R S 12 6 0.1 40 7.8 6 0.2 40
6 T S R 12.5 6 0.1 40 8 6 0.2 40
Valorile câmpului electric măsurate la nivelul solului în apropierea LEAÎT depășesc
nivelul maxim rezidențial permis, fiind destul de apropiate chiar și de nivelul maxim
ocupațional permis. Aceasta justifică efortul de menținere a intensității câmpului E cât mai
scăzut posibil, o distribuție optimă a celor trei faze ale circuitelor simetrice fiind o abordare
care nu implică costuri deosebite. Dar pentru aceasta, trebuie să fie asumată și implementată
încă din faza proiectării și apoi a construirii LEAÎT trifazate duble, simetrice.
4.3 Influen ța conductivității solului asupra câmpului magnetic produs de LEAÎT
Valoarea câmpului magnetic produs de liniile aeriene de înaltă tensiune este calculată
prin metode de superpoziție (suprapunere), la calcul participând atât curenții aerieni cât și cei
induși în (sub)sol de către câmpurile magnetice variabile produse de liniilor aeriene de
transport și distribuție.
De regulă, proprietățile solului din regiunile parcurse de LEAÎT au fost inițial studiate
din perspectiva prizelor de pământ ale pilonilor de susținere, care sunt destinate preluării
supratensiunilor induse în linia de nul (protecție) a sistemului de către fenomene tranzitorii
rapide și extreme, [X.Legr1, 2007]. Din punct de vedere electric, solul are proprietăți care pot
varia în mod obișnuit chiar și în raportul 1:1000, funcție de gradul de umiditate (un sol umed
58
este mult mai bun conducător) dar și de natura straturilor de sol, de prezența anumitor
minerale în aceste straturi. Concret, conductivitatea solului poate varia de la 1000 S/m
(pentru solurile foarte umede) până la valori foarte mici, de 0.001 S/m, [Direct1 2004]. În
limbajul curent al studiilor privind influența câmpurilor electrice și magnetice ambientale
asupra sănătății omului, se spune despre solul care are σ=103 S/m că este un conductor
perfect. Sigur, această exprimare are justificare prin raportare la conductivitatea medie a
corpului omenesc la frecvențe joase, care este de ordinul 0.2 S/m și în niciun caz prin
comparare cu conductivitatea metalelor (de ordinul MS/m).
Permitivitatea relativă a solului la aceste frecvențe poate varia într-o marjă mult mai
redusă, orientativ între 1 și 50.
În majoritatea cazurilor, solul nu are proprietăți magnetice, permeabilitatea relativă variind în
jurul unității. Chiar și solurile care conțin diverși oxizi de fier (așa numitele magnetite), care
determină anomalii ale câmpului magnetic terestru datorită magnetizării lor permanente sau
doar remanente), nu au efect asupra câmpului magnetic ambiental produs de liniile de înaltă
tensiune, având frecvența de 50 Hz. Magnetizarea permanentă a rocilor magnetice este un
fenomen magnetostatic.
Din acest punct de vedere se pune în mod legitim întrebarea referitoare la influența
solului din preajma LEAIT asupra câmpurilor magnetice astfel generate. În ce condiții este un
fenomen ce trebuie considerat și în ce procente?
4.3.1 Comparatii cu modelări software
Am comparat rezultatele analitice astfel obținute cu modelări realizate cu ajutorul a trei
software: FEMM 4.2, EMFACDC si respectiv CST Studio, [CST, 2017].
Fiecare din aceste 3 soft-uri are posibilități diferite de a defini solul.
Pentru CST Studio, care este un program 3D, am definit domeniul de lucru aer-sol ca
un paralelipiped dreptunghic.
59
Figura 4.25. Domeniul paralelipiped dreptunghic sol+aer (și rețeaua aferentă)
Lăţimea acestui paralelipiped am fixat-o la 100 m (adică de la -50 m la +50 m, zona de
maxim interes pentru calculul profilului lateral). Adâncimea am definit-o variabilă, funcție de
him la care se formează curentul imagine, care depinde, la rândul ei, de valoarea asumată
pentru conductivitatea solului. Desigur, adâncimea la care se definește materialul ”pământ”
trebuie adunată cu înălțimea subdomeniului „aer”, care trebuie și el să fie cel puțin de 3-4 ori
mai mare decât înălțimea la care se află firul conductor aerian. Dacă definim o adâncime mai
mare decât este necesar, crește nejustificat timpul de rezolvare prin metode numerice, a
ecuațiilor diferențiale. Dacă însă definim o adâncime prea mică, este riscul ca valoarea
curentului imagine indus (simulat) să fie mai mică decât valoarea reală. In esență, este
necesară o estimare analitică a ordinului de mărire al adâncimii him, înainte de setarea
mărimilor de intrare. Lățimea acestui paralelipiped am fixat-o la numai 10 m, nu are influență
deosebită asupra profilului lateral al câmpului magnetic pentru că, în secțiune transversală,
problema noastră are în principal o natură 2D.
Orice conduită de bune practici a unei modelări-simulări impune că rezultatele furnizate
de modelarea numerică să fie validate, fie prin calcule analitice, fie prin măsurări reale, fie
măcar prin comparări cu alte softuri de aproximativ același tip.
Am considerat pentru început un singur conductor din aluminiu prin care să treacă un
curent alternativ având frecvența de 50 Hz și valoarea efectivă maximă de 1840 A.
Acceptând o densitate de curent maximă pentru Al de 1.2 A/mm2 (conductor aerian, cu
posibilitate bună de răcire), a rezultat din calcul o rază a acestui conductor circular de 22 mm.
Am plasat acest conductor la o inalțime față de sol de 14 m (situație intâlnită în mod curent la
jumătatea distanței dintre 2 stălpi de susținere consecutivi). Pentru sol am fixat niște valori
60
uzuale, situate la mijlocul domeniului real de variație: permitivitate relativa (εr) 40,
[Willi, 2000] Tim Williams, Keith Armstrong, 2000, EMC for Systems and
Installations, Newnes, Great Britain, ISBN 0 7506 4167 3
[Wu, 2018] X. Wu, D. J. Meisner, K. D. Stechschulte, V. Simha. R. J. Wellman, M.
Thakur and K. R. Posey, “Induced Voltage & Current Simulations, Safety
Criterion, and Mitigations for EHV Transmission Lines in Close
Proximity”, 2018 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting
(IAS), pp. 1 – 8, 2018.
[Xiao, 2014] L. Xiao, K.E. Holbert, "Development of software for calculating
electromagnetic fields near power lines", North American Power Symp.
(NAPS), Sep. 7-9, 2014, Pullman, U.S., pp. 1-6.
[Xudon, 2012] Xudong, D, Guangning, W. et al.,Influence Analysis of Soil Resistivity to
Induced Voltage and Current for Transmission Systems, 2012 IEEE
Symposium on Electrical & Electronics Engineering (EEESYM), Kuala
Lumpur, Malaysia, 06 August 2012.
92
Lucr ări publicate
In timpul stagiului doctoral am participat la manifestările științifice de prestigiu internațional organizate sau coorganizate de Facultatea de Inginerie Electrică, Energetică și Informatică Aplicată, Universitatea Tehnică ”Gheorghe Asachi” din Iasi:
• Conferința internațională EPE (aflată la a X-a ediție) • Conferința internațională SIELMEN (aflată la a XII-a ediție) • Simpozionul IMEKO TC 4 (aflat la a 24-a ediție)
Cu această ocazie am publicat în calitate de prim autor sau coautor, următoarele lucrări științifice:
1. Bogdan-Dumitru Alistar , Andrei Salceanu, Gabriel Lupuleasa, 2014, Approach on Simulating and Measuring the SAR, Proceedings of 8-th International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering (EPE), 16-18 October 2014 , lucrare indexata in WoS
2. Bogdan Dumitru Alistar , George Daniel Costin, Constantin Dan Neagu, Dragos Florin Bordeianu, 2019, Phasing Relevance on Magnetic Fields Generated by Overhead Power Lines, accepted paper (ID 142), Proceedings of the 12-th International Conference on Electromechanical and Power Systems, SIELMEN, 10-11 October 2019, Chisinau, Republic of Moldova, lucrarea va fi indexată in IEEExplore și ulterior în WoS, conform protocolului semnat între IEEE și Comitetul de organizare al Conferintei SIELMEN 2019
3. Alexandru Salceanu, Marius Paulet, Bogdan Dumitru Alistar , Oana Asiminicesei, 2019, Upon the Contribution of Image Currents on the Magnetic Fields Generated by Overhead Power Lines, accepted paper (ID 144), Proceedings of the 12-th International Conference on Electromechanical and Power Systems, SIELMEN, 10-11 October 2019, Chisinau, Republic of Moldova, lucrarea va fi indexată in IEEExplore și ulterior în WoS, conform protocolului semnat între IEEE și Comitetul de organizare al Conferintei SIELMEN 2019
4. Alexandru Salceanu, Eduard Lunca, Bogdan Dumitru Alistar , Silviu Ursache, 2019, Upon the Influence of Charge Image on the Electric Field Intensity, accepted paper (ID 146), Proceedings of the 12-th International Conference on Electromechanical and Power Systems, SIELMEN, 10-11 October 2019, Chisinau, Republic of Moldova, lucrarea va fi indexată in IEEExplore și ulterior în WoS, conform protocolului semnat între IEEE și Comitetul de organizare al Conferintei SIELMEN 2019
5. M.V. Paulet, A. Salceanu, C. Lazarescu, O. Bejenaru, Bogdan Dumitru Alistar “Study Upon the Influence of Human Body Torso Stance on the Inductive Coupling”, Proceedings of
24th IMEKO TC4 International Symposium, September 17-20, 2019,Xi’an, China, lucrarea va fi indexată in Scopus, conform protocolului semnat între Elsevier și Comitetul de organizare al Simpozionului IMEKO TC4 2019