Sposoby ograniczania pola magnetycznego 50 Hz we wnętrzowych stacjach transformatorowych SN/nn

Pojawiające się od ponad dwudziestu lat informacje o możliwym niekorzystnym wpływie na zdrowie ludzi pól elektromagnetycznych wytwarzanych przez urządzenia elektroenergetyczne, w tym przez wnętrzowe stacje transformatorowe SN/nn, są przyczyną wielu niepokojów i interwencji mieszkańców budynków czy pracowników przebywających w pomieszczeniach zlokalizowanych w pobliżu takich stacji.

Zagadnienie to wymaga szerszego omówienia, gdyż wiele wątpliwości i obaw wynika ze znikomej wiedzy społeczeństwa na temat oddziaływania pól elektromagnetycznych na środowisko i zdrowie ludzi oraz braku rozeznania w obowiązujących przepisach dotyczących lokalizacji budynków mieszkalnych względem urządzeń elektroenergetycznych, oraz dopuszczalnych wartości natężenia pola magnetycznego w środowisku.

Obawa ludzi o swoje zdrowie jest rzeczą naturalną. Człowiek przebywający w zasięgu urządzeń elektrycznych jest ciągle narażony na oddziaływanie dwóch składowych pola elektromagnetycznego o częstotliwości 50 Hz – składowej elektrycznej (E) i magnetycznej (H). Mechanizm oddziaływania tych składowych, a szczególnie składowej magnetycznej, na struktury biologiczne, w tym na zdrowie i życie człowieka, nie jest do końca poznany.

Choć w ostatnim czasie powstało wiele prac badawczych poświęconych między innymi ryzyku zachorowania na nowotwory u osób narażonych na pola elektromagnetyczne o częstotliwości 50/60 Hz, to wyniki tych badań wcale nie są jednoznaczne. W prawie 40% analiz stwierdzono lepiej czy gorzej udokumentowane zwiększone ryzyko zachorowań na nowotwory, ale w innych badaniach takiego zjawiska w ogóle nie potwierdzano.

W większości badań nie udało się udowodnić, że istnieje związek przyczynowo-skutkowy pomiędzy przebywaniem w polach magnetycznych 50 Hz a zwiększonym ryzykiem zachorowania na choroby nowotworowe. Istnieją jednak doniesienia wynikające z analizy danych epidemiologicznych [1, 2], iż w miejscach stałego przebywania ludzi powinno się, w miarę możliwości, ograniczyć natężenia pola magnetycznego do wartości około 0,32 A/m.

Zidentyfikowane pomiarowo wartości natężenia pola magnetycznego w pomieszczeniach zlokalizowanych w pobliżu stacji transformatorowych zawierają się w granicach od 0,02 do kilku A/m. Są one wielokrotnie mniejsze od wartości dopuszczalnej 60 A/m, sprecyzowanej w odpowiednich przepisach [3], jednakże przewyższają czasami wspomnianą wcześniej wartość 0,32 A/m. W artykule przedstawiono metody ograniczania natężenia pola magnetycznego w rozdzielniach niskiego napięcia, głównie przez stosowanie ekranów oraz odpowiednią konfigurację torów prądowych (oszynowania) stacji.

Podstawowe uciążliwości związane z eksploatacją wnętrzowych stacji transformatorowych SN/nn

W wielu krajach, w tym także w Polsce, od wielu lat stacje elektroenergetyczne SN/nn lokalizowane są w budynkach mieszkalnych lub innych obiektach użyteczności publicznej. Są one budowane najczęściej na najniższej kondygnacji budynku, w wydzielonym pomieszczeniu, do którego dostęp posiadają wyłącznie uprawnieni pracownicy prowadzący ich bieżącą eksploatację. Obowiązujące przepisy [4] zezwalają na taką lokalizację stacji pod warunkiem spełnienia następujących wymagań:

• zostanie zachowana odległość pozioma i pionowa od pomieszczeń przeznaczonych na stały pobyt ludzi co najmniej 2,8 m,
• ściany i stropy będą stanowiły oddzielenia przeciwpożarowe oraz będą miały zabezpieczenia przed przedostawaniem się cieczy i gazów.

W myśl rozporządzenia [4] wszelkie pomieszczenia techniczne (w tym stacje transformatorowe), w których są zainstalowane urządzenia emitujące hałasy lub drgania, mogą być sytuowane w bezpośrednim sąsiedztwie pomieszczeń przeznaczonych na stały pobyt ludzi, pod warunkiem zastosowania rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych, zapewniających ochronę sąsiednich pomieszczeń przeznaczonych na pobyt ludzi przed uciążliwym oddziaływaniem tych urządzeń. Dodatkowo przepisy nakazują, żeby wszystkie urządzenia elektryczne oraz instalacja w budynkach zapewniała ochronę przed emisją drgań i hałasu powyżej dopuszczalnego poziomu, oraz przed szkodliwym oddziaływaniem pola elektromagnetycznego.

Wszystkie obecnie eksploatowane wnętrzowe stacje transformatorowe muszą spełniać szereg wymagań i zgodnie z obowiązującymi przepisami [3, 4] nie mogą stanowić zagrożenia dla zdrowia osób przebywających w ich pobliżu. W praktyce można jednak spotkać się z licznymi protestami użytkowników mieszkań zlokalizowanych bezpośrednio przy stacjach wnętrzowych, którzy skarżą się na różne dolegliwości spowodowane – ich zdaniem – bliską obecnością urządzeń elektroenergetycznych. Coraz częściej ludzie ci traktują rozdzielnie wnętrzowe jako źródła nie tylko hałasu i wibracji, ale również pola elektromagnetycznego przenikającego do sąsiednich pomieszczeń.

Pole to zawiera składową elektryczną (E) oraz magnetyczną (H). Składowa elektryczna zależna od wartości napięcia toru zasilającego (od 6 do 30 kV) oraz odległości od elementów będących pod napięciem, w miejscu przebywania ludzi nie jest nigdy większa od 0,2 kV/m. Składowa ta jest dodatkowo silnie tłumiona przez metalowe elementy konstrukcyjne budynku (np. zbrojenie). Składowa magnetyczna (H) wytwarzana przede wszystkim przez oszynowanie rozdzielni nie jest tłumiona przez konstrukcję budynku i przenika przez większość materiałów, osiągając w miejscach przebywania ludzi wartości rzędu kilku A/m.

Pole magnetyczne w otoczeniu typowych rozdzielni wnętrzowych – identyfikacja i wyniki pomiarów

Pole magnetyczne o istotnych poziomach wytwarzane jest głównie przez tory prądowe (oszynowanie) stacji. Pole wytwarzane przez aparaturę łączeniową stacji SN/nn, a także pole magnetyczne rozproszenia generowane przez pracujący transformator jest w praktyce do pominięcia.

Wartość natężenia pola magnetycznego zależy głównie od prądu płynącego przez szyny w rozdzielni niskiego napięcia. W przypadku zastosowania największych jednostek transformatorowych (630 kVA), maksymalny prąd po stronie niskiego napięcia, wynikający z obciążenia transformatora, wynosi ok. 900 A. Natężenie pola magnetycznego w bezpośrednim otoczeniu szyn przyjmuje wówczas wartości kilkuset A/m. Wartość ta dość szybko maleje w miarę oddalania się od szyn. W odległości ok. 3 m nie jest większa od kilku A/m. Oczywiście prąd o takiej wartości płynie niezwykle rzadko, gdyż zależny jest od chwilowego poboru mocy przez odbiorców zasilanych z danego obwodu.

Znaczne odległości elementów oszynowania stron średnio- i niskonapięciowej od pomieszczeń mieszkalnych oraz zmienne w czasie obciążenie transformatora powoduje, że natężenie pola magnetycznego w pomieszczeniach przyległych do stacji zmienia się również w ciągu doby, jednak nie przekracza nigdy wartości kilkunastu A/m, nawet w przypadku zastosowania największych jednostek transformatorowych (630 kVA) i przy najbardziej rozbudowanych układach oszynowania, przede wszystkim po stronie niskiego napięcia.

W pomieszczeniach sąsiadujących ze stacjami transformatorowymi, poziomy pola magnetycznego wyznacza się pomiarowo, stosując mierniki natężenia pola magnetycznego, spełniające wymagania normy [5]. W celu oszacowania narażenia mieszkańców na działanie pól magnetycznych, przenikających ze stacji transformatorowej do pomieszczeń mieszkalnych, uzyskane przy aktualnym obciążeniu stacji wyniki pomiarów należy przeliczyć na jej obciążenie znamionowe. Przykładowe wyniki pomiarów natężenia pola magnetycznego w pomieszczeniach zlokalizowanych w pobliżu wnętrzowych stacji transformatorowych wykonane przez autora artykułu zaprezentowano w tabeli 1.

Metody ograniczania pola magnetycznego

Obniżenie pola magnetycznego wytwarzanego przez oszynowanie stacji jest możliwe poprzez:

• zastosowanie odpowiednich ekranów magnetycznych,
• odsunięcie szyn zbiorczych od sufitów i ścian przylegających do pomieszczeń, w których przebywają ludzie,
• wzajemne zbliżenie szyn zbiorczych poszczególnych faz.

Ekranowanie

Ekranowanie magnetyczne polega na skupieniu stałego lub wolnozmiennego pola magnetycznego w materiale obudowy ekranującej dzięki jego dużej przenikalności magnetycznej. Strumień magnetyczny pola, którego źródłem może być dowolny tor prądowy, zamyka się w przekroju ekranu ferromagnetycznego dzięki jego małej oporności magnetycznej. Przy zwiększaniu grubości materiału ekranu i dużej przenikalności magnetycznej, strumień powinien zostać całkowicie skupiony w przekroju ekranu i nie przenikać do przestrzeni ekranowanej. W praktyce nigdy jednak tak nie jest.

Współczynnikiem, który charakteryzuje skuteczność ekranowania obiektów i układów elektrycznych przed wpływem pola magnetycznego, jest tłumienie ekranu zwane również skutecznością ekranowania, podawane w decybelach i określone wzorem [6]:

gdzie:

– wektor natężenia pola magnetycznego bez ekranu,

– wektor natężenia pola przenoszonego, które pojawia się za ekranem.

Skuteczność ekranowania, zależna od wielu czynników, zmienia się wraz z częstotliwością, strukturą geometryczną ekranu, rodzajem ekranowanego pola, kierunkiem jego padania i polaryzacją. Fala, która pada na powierzchnię ekranu, jest częściowo przez niego odbijana i częściowo pochłaniana. Mamy więc do czynienia z dwoma efektami zwanymi stratami odbicia i stratami pochłaniania. Całkowita skuteczność ekranowania  materiału jest równa sumie tych strat. W polu bliskim, zarówno straty odbicia, jak i pochłaniania dla pola magnetycznego niskiej częstotliwości są małe. Dlatego też stosowanie miedzi czy stali jako materiałów ekranujących pola magnetyczne o częstotliwości 50 Hz jest praktycznie nieskuteczne.

Obecnie znane są dwie podstawowe metody ekranowania niskoczęstotliwościowych źródeł magnetycznych:

• odchylenie strumienia magnetycznego przez materiały o wysokiej przenikalności magnetycznej,
• generowanie przeciwnego strumienia według prawa Faraday’a – metoda zwoju zwartego.

W metodzie pierwszej stosuje się różne formy ekranów w postaci płyt, przegród w kształcie płaszczyzny, cylindrów czy kul wykonanych z materiałów o małej reluktancji, czyli wysokiej przenikalności magnetycznej. Przy konstruowaniu takich ekranów znajdują zastosowanie głównie materiały amorficzne o małej wartości natężenia koercji i znacznych wartościach przenikalności magnetycznej [7], np. Mumetall (μ_max= 250 000), Vacoperm 100 (μ_max= 350 000,) Permenorm (μ_max= 30 000), Vitrovac (μ_max=100 000).

Stosując takie materiały jako ekrany magnetyczne należy zwrócić uwagę na to, że ich przenikalność magnetyczna maleje wraz ze wzrostem częstotliwości oraz ze wzrostem natężenia pola powyżej nasycenia. Również obróbka mechaniczna, chemiczna czy termiczna takich materiałów może zmienić ich właściwości magnetyczne. W celu uniknięcia zjawiska nasycenia stosuje się ekrany dwuwarstwowe. Ekran pierwszy, umieszczony bliżej źródła pola, wykonany z materiału o małej przenikalności, nasyca się przy dużym poziomie natężenia pola i zmniejsza jego wartość do takiego poziomu, przy którym nie następuje nasycenie drugiego ekranu, wykonanego z materiału o dużej przenikalności magnetycznej. Ekran drugi wprowadza zatem większą część tłumienia pola magnetycznego.

W metodzie zwoju zwartego umieszcza się wokół źródła pola przewodzącą pętlę, tak że padające pole magnetyczne indukuje w niej prąd. Prąd ten wytwarza strumień magnetyczny o kierunku przeciwnym do źródłowego pola magnetycznego. W ten sposób pole to jest w pobliżu pętli redukowane.

Zarówno pierwsza, jak i druga metoda znalazły zastosowanie przy ekranowaniu różnych urządzeń energoelektronicznych, ekranowaniu kabli i przewodów pomiarowych, ekranowaniu sieci przewodów sterowniczych na statkach i samolotach, ekranowaniu urządzeń elektromedycznych oraz w technice komunikacyjnej. Nie stosuje się ich jednak do ograniczenia pola magnetycznego generowanego przez urządzenia eksploatowane na stacjach elektroenergetycznych.

W przypadku stacji wnętrzowych, choć istnieje techniczna możliwość pokrycia ścian i sufitu ekranem magnetycznym wykonanym z materiału o dużej przenikalności magnetycznej, to ze względów ekonomicznych taka forma obniżenia wartości natężenia pola magnetycznego nie jest stosowana. Pole to mierzone w pomieszczeniach przyległych do stacji jest bowiem zawsze dużo mniejsze od wartości dopuszczalnej 60 A/m. Spółki dystrybucyjne będące właścicielami takich stacji nie są zainteresowane budową w nich ekranów magnetycznych gdyż stacje te spełniają wszelkie wymagania zawarte w odpowiednich przepisach.

Konfiguracja szyn zbiorczych

Jak już wcześniej wspomniano, potencjalne możliwości obniżenia pól magnetycznych wytwarzanych przez oszynowanie stacji kryją się przede wszystkim w odsunięciu szyn zbiorczych od sufitów i ścian przylegających do pomieszczeń, w których przebywają ludzie, oraz we wzajemnym zbliżeniu szyn zbiorczych poszczególnych faz. W celu zobrazowania wpływu konfiguracji szyn na wartość natężenia pola magnetycznego generowanego przez tory prądowe przeprowadzono symulację rozkładów pola magnetycznego za pomocą programu RESICALC.

Program ten ze względu na swoje możliwości nadaje się szczególnie do symulowania rozkładów pól magnetycznych wytwarzanych przez oszyowanie wnętrzowych stacji transformatorowych. Umożliwia wyznaczenie przestrzennych rozkładów pola magnetycznego wokół dowolnie skonfigurowanych układów szynowych obciążonych różnymi prądami. Poprzez odpowiednie zdefiniowanie płaszczyzny, na której symulowany będzie rozkład pola, możliwe jest jego wyznaczenie na dowolnej wysokości (odległości od oszynowania). Wyniki symulacji mogą być przedstawione w formie liczbowej lub graficznej w postaci trójwymiarowych, lub konturowych wykresów indukcji magnetycznej.

Dla potrzeb artykułu przeprowadzono symulację rozkładów pola magnetycznego dla dwóch różnych układów szyn: poziomego i pionowego przy różnych odstępach między szynami poszczególnych faz (rys. 1.). Rozkłady te symulowano na płaszczyznach oddalonych od szyn od 0,5 m do 10 m. Obliczenia przeprowadzono przy przepływie przez szyny prądu o wartości 900 A (maksymalne obciążenie transformatora o mocy 630 kVA po stronie 0,4 kV). Wybrane wyniki obliczeń przedstawiono graficznie na rysunku 2. i rysunku 3.

Na podstawie przeprowadzonych symulacji określono podstawowe zależności między maksymalną wartością natężenia pola magnetycznego a odległością od szyn i odstępem między szynami dla układu poziomego i pionowego. Wyniki przedstawiono graficznie na rysunku 4., rysunku 5., rysunku 6. i rysunku 7.

Na podstawie przeprowadzonych symulacji można stwierdzić następujące prawidłowości:

• stosując układ pionowy szyn można ograniczyć pola magnetyczne w bliskiej odległości od szyn (do 1 m) o ok. 30% w porównaniu z poziomym układem szyn; w miarę wzrostu odległości od szyn maksymalne wartości natężenia pola magnetycznego są bardzo zbliżone przy obu ich układach,
• zarówno w układzie poziomym, jak i pionowym znaczne osłabienie pola magnetycznego można uzyskać poprzez zbliżenie szyn poszczególnych faz; dwukrotne zmniejszenie odstępu między szynami powoduje obniżenie maksymalnej wartości natężenia pola magnetycznego o ok. 50 %,
• przy przepływie przez szyny prądu o natężeniu 900 A już w odległości 1 m od szyn natężenie pola magnetycznego jest mniejsze od wartości dopuszczalnej w środowisku 60 A/m; wartości mniejsze od 0,3 A/m uzyskuje się jednak dopiero w odległościach większych od 10 m od szyn.

Podsumowanie

W myśl obowiązujących przepisów lokalizacja stacji transformatorowych SN/nn w budynkach mieszkalnych i innych obiektach użyteczności publicznej jest dopuszczalna. Stacje te postrzegane są jednak jako uciążliwe i zagrażające zdrowiu ludzi przebywających w sposób ciągły w ich pobliżu.

Pole magnetyczne wytwarzane przez urządzenia stacji wnętrzowych (głównie oszynowanie), przenikające do sąsiednich pomieszczeń mieszkalnych czy biurowych, uznawane jest przez ludzi tam przebywających jako najistotniejszy czynnik fizyczny wpływający niekorzystnie na ich zdrowie. Poziomy pól magnetycznych stwierdzone pomiarowo w lokalach sąsiadujących ze stacjami wnętrzowymi SN/nn są wielokrotnie mniejsze od wartości dopuszczalnej sprecyzowanej w stosownych przepisach. W warunkach najbardziej niekorzystnych (przy maksymalnym obciążeniu transformatora) wartości te mogą wynosić ok. 18 A/m.

Ekranowanie magnetyczne rozdzielni nie jest obecnie stosowane. Wynika to przede wszystkim z wysokich kosztów, jakie należy ponieść na specjalne materiały o dużej przenikalności magnetycznej. Pokrycie sufitów i ścian takim materiałem może nie przynieść zadawalających rezultatów, gdyż ekran prostopadłościenny lub płaski jest najmniej korzystny i ma najmniejszą skuteczność w porównaniu z ekranami cylindrycznymi czy kulistymi.

Znaczne obniżenie natężenia pola magnetycznego można uzyskać przez odpowiednią konfigurację szyn. Odsunięcie ich od sufitów i ścian przylegających mieszkań, wzajemne zbliżenie szyn poszczególnych faz oraz zmiana układu poziomego na pionowy powodują znaczne osłabienia pola. Rozwiązania takie nie powodują istotnego wzrostu kosztów budowy stacji, szczególnie jeśli przygotowane zostały na etapie projektowym. Stanowią one jednak typowy przykład realizacji zasady, według której narażenie na czynnik oddziałujący potencjalnie niekorzystnie należy ograniczyć w taki sposób, jak jest to technicznie możliwe i ekonomicznie uzasadnione.

Literatura

1. A. Ahlbom i wsp., A pooled analysis of magnetic fields and childhood leukemia, Britisch Journal of Cancer, 2000, Vol. 83, No. 5.
2. S. Greenland, A. R. Sheppard i wsp., A pooled analysis of magnetic fields, wirecodes and childhood leukemia, Epidemiology, 2000, Vol. 11.
3. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (DzU nr 192, poz. 1883).
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, zmiany: DzU z 2003 r. nr 33, poz. 270 oraz z 2004 r. nr 109, poz. 1156).
5. PrPN-T-06580-3 Ochrona pracy w polach i promieniowaniu elektromagnetycznym o częstotliwości do 300 GHz. Metody pomiaru i oceny natężenia pola na stanowisku pracy.
6. L. Kiełtyka, Teoria i praktyka ekranowania przed wpływem pól magnetycznych niskiej częstotliwości, materiały konferencyjne „Pola Elektromagnetyczne a Energetyka i Środowisko”, Bielsko-Biała, XI 1992.
7. Weichmagnetische Werkstoffe und Halbzeuge, Vacuumschmelze GMBH, Hanau, 1996.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!