ELEKTROMAGNETNA KOMPATIBILNOST UVOD Elektromagnetska kompatibilnost masovno korienje elektrine

ELEKTROMAGNETNA KOMPATIBILNOST

UVOD Elektromagnetska kompatibilnost - masovno korišćenje električne energije - masovno korišćenje uređaja sa elektronskim komponentama l Elektromagnetski uticaji 1. na živi organizam 2. na električne uređaje l Elektromagnetski uticaji kod električnih uređaja 1. Radijacione smetnje (elektromagnetsko zračenje) 2. Kondukcione smetnje (električno provođenje) l Izvori elektromagnetskih smetnji 1. Elektroenergetska postrojenja i vodovi (50 Hz) 2. Transformatorske stanice u zgradama (50 Hz) 3. Električni uređaji koji imaju električne motore (50 Hz – 5 k. Hz) 4. Električni uređaji sa ispravljačima i kontaktorima (1 k. Hz – 50 k. Hz) 5. Telekomunikacioni uređaji (MHz – GHz) 6. Atmosferska pražnjenja u objekte (MHz) 7. Izvori smetnji koji se koriste u vojne svrhe l

Elektromagnetske smetnje kod elektronskih uređaja 1. Smetnje u funkcionisanju uređaja 2. Kvarovi pojedinih komponenti ili uređaja l Zadatak elektromagnetske kompatibilnosti je: 1. Određivanje maksimalnog nivoa smetnji koji sme da emituje uređaj 2. Određivanje sposobnosti uređaja da podnesu elektromagnetske smetnje l Oblast elektromagnetske kompatibilnosti se bavi generisanjem, prenosom i prijemom elektromagnetskih smetnji (za ove smetnje se često koristi i termin - elektromagnetska interferencija) l Slika 1: Sistem generisanja, prenosa i prijema elektromagnetnih smetnji

l l l l Smetnje su posledica struje ili naelektrisanja (promenljivih u vremenu) a prenose se u vidu elektromagnetskog zračenja ili kablovima preko kojih se uređaji priključuju Elektromagnetska kompatibilnost (EMK): sposobnost uređaja da funkcioniše u svom elektromagnetskom okruženju i da ne stvara nedopustive elektromagnetske smetnje drugim uređajima u okruženju Intersistemska (spoljašnja) EMK: kompatibilnost između različitih uređaja Intrasistemska (unutrašnja) EMK: kompatibilnost delova istog uređaja Nivo emisije: nivo posmatrane smetnje koja se emituje iz posmatranog uređaja Granica emisije: najviši nivo emisije koji je dozvoljen standardom Imunost na smetnje: sposobnost uređaja da radi u prisustvu smetnji bez degradacije performansi U sagledavanju problema elektromagnetske kompatibilnosti razmatra se - izvor smetnji - prenosti put - prijemnik smetnji (žrtva)

l l l Standardi: Međunarodne elektrotehničke komisije (IEC), Specijalnog međunarodnog komiteta za radio smetnje (CISPR) Ispunjenje uslova u pogledu EMK na evropskom tržištu: direktiva za EMK evropskog parlamenta (2004/108/EC) U Srbiji je na snazi Pravilnik o elektromagnetskoj kompatibilnosti koji je praktično uveo odredbe Evropske direktive za EMK Standardima se obuhvataju metodi ispitivanja EMK, merne aparature, granične vrednosti, specifičnosti za određene grupe proizvoda Neki harmonizovani standardi koji su na snazi u Evropskoj uniji, nastali su usvajanjem (u potpunosti ili najvećim delom) standarda Međunarodne elektrotehničke komisije (IEC) ili standarda Specijalnog međunarodnog komiteta za radio smetnje (CISPR), na primer: - standard EN 61000 -4 -6 koji se odnosi se na ispitivanje imunosti uređaja na kondukcione RF smetnje je isti kao IEC 61000 -4 -6 - standard EN 55022 koji se odnosi na smetnje emitovane iz uređaja informacionih tehnologija je isti kao CISPR 22

Slika 2: Znak da je ispunjenja Evropska direktiva za EMK

Slika 3: Podela komponenti u odnosu na radijacione smetnje Slika 4: Podela komponenti u odnosu na kondukcione smetnje

l l l l Elektrostatičke smetnje su posledica nagomilanog statičkog naelektrisanja na čoveku ili u njegovom okruženju Čovek se može naelektrisati hodanjem po izolacionoj podlozi pri čemu potencijal čoveka može da dostigne nekoliko k. V Velika statička naelektrisanja mogu nastati u industrijskim pogonima (u štamparijama, tekstilnoj industriji i proizvodnji plastičnih folija), kod fotokopir mašina i laserskih štampača, prilikom upotrebe aerosoli i pri jakim vazdušnim strujanjima) Tokom leta avion se može naelektrisati tako da pri sletanju može nastati varnica Pražnjenje atmosferskog elektriciteta može biti opasno po živi svet, kao i za električne i elektronske uređaje Statičko naelektrisanje nastaje usled trenja (triboelektrični efekat) – pri dodiru dva tela javlja se hemijska veza (athezija), naelektrisanja prelaze sa jednog na drugo telo u cilju izjednačavanja elektrohemijskih potencijala Znak i količina naelektrisanja na telima zavise od vrste materijala, materijali se ponašaju prema triboelektričnom nizu

Tabela 1: Triboelektrični niz materijala

l Elektrostatičko pražnjenje sa čoveka Slika 5: Nastanak elektrostatičkog pražnjenja Slika 6: Zamenska šema po kojoj se vrši elektrostatičko naelektrisavanje i pražnjenje

(1) (2) (3) Slika 7: Vremenska promena struje pri rasterećenju kapaciteta čovekovog tela

l Elektromagnetne smetnje usled atmosferskih pražnjenja Slika 8: Dejastva atmosferskih pražnjenja na objekte DI – kanal groma glavnog pražnjenja PR – preskok na izolaciji voda PT – putujući talasi INM – indukovani prenaponi u mreži IO – indukovani prenaponi u objektu

l Zaštita podataka od neovlašćenog preuzimanja (kompromitujuće elektromagnetsko zračenje, KEMZ , TEMPEST) Slika 9: Zloupotreba emitovanih signala radi pribavljanja podataka l Kompatibilnost sa napojnom mrežom - imunost na propade, kratke prekide i varijacije napona - ispitivanje generisanja flikera i harmonijskih izobličenja - ispitivanje imunosti na elektromagnetsko polje

Slika 10: (a) Idealna sinusoida koja predstavlja napon gradske mreže i ostupanja: (b) harmonijska izobličenja napona (v) propad g) prekid d) fluktuacija napona

1. ELEKTROMAGNETSKA POLJA ELEKTROENERGETSKIH OBJEKATA

1. 1 Elektromagnetska polja l l l l Izloženost čoveka elektromagnetskim poljima i mogući štetni uticaji na ljudski organizam Ne postoji dokazi o povezanosti bolesti i elektromagnetskog polja Projekat svetske zdaravstvene organizacije (World Health Organisation – WHO) Prirodni izvori elektromagnetskih polja - statičko električno polje E=120 V/m - statičko magnetno polje Zemlje B=30 -60 μT Veštački izvori elektromagnetskih polja Podela elektromagnetskih polja prema dejstvu na živi svet - jonizujuća elektromagnetna zračenja - nejonizujuća elektromagnetna zračenja Jonizujuća zračenja: kosmički zraci, gama zraci i x zraci Nejonizujuća elektromagnetska zračenja - elektromagnetna polja jako niskih frekvencija (ELF), 0 - 300 Hz - elektromagnetna polja srednjeg opsega frekvencija (IF), 300 Hz - 10 MHz - elektromagnetna polja radio frekvencija (RF), 10 MHz - 300 GHz

Slika 11: Elektromagnetski spektar

Električno polje niskih frekvencija - potiče od naelektrisanja, odnosno napona niskih frekvencija - jako opada sa udaljavanjem od izvora polja - lako se ograničava provodnim ekranima, kavezima i zaštitnim ogradama, kao i slabo provodnim objektima (drveće, ljudska koža i sl. ) - električno polje podzemnih kablova je zanemarljivo na površini zemlje - jačina električnog polje se izražava u V/m ili u k. V/m l Magnetsko polje niskih frekvencija - potiče od struja niskih frekvencija - jako opada sa udaljavanjem od izvora polja - magnetsko polje se ne može lako ograničiti ekranima i lako prolazi kroz većinu materijala - magnetsko polje se obično karakteriše korišićenjem magnetske indukcije i izražava se u μT: l gde je μ magnetska permitivnost a μr relativna magnetska permitivnost

l Opadanje električnog polja i magnetne indukcije sa rastojanjem Slika 12: Električno polje tačkastog naelektrisanja Slika 13: Električno polje cilindričnog opterećenja

Slika 14: Trofazni nadzemni vod sa označenim naelektrisanjima po fazama (3) (4) (5) - u slučaju simetričnog trofaznog sistema: - magnetna indukcija linijskog provodnika:

1. 2 Proračun jačine električnog polja i magnetske indukcije u blizini nadzemnog voda Proračun električnog polja vrši se metodom ekvivalentnih linijskih naelektrisanja: fazni i zaštitni provodnici se modeluju beskonačno dugim provodnicima koji su paralelni površini zemlje i njihovim odovarajućim likovima u odnosu na ravan ogledanja, suprotnog polariteta 2 ri l Trenutna vrednost potencijala i-tog provodnika: l i hi l Sopstveni potencijalni koeficijent i-tog provodnika: hi i’

l Potencijali 3 fazna provodnika (a, b, c) i 2 zaštitna provodnika visokonaponskog voda (z 1 , z 2) : l Sopstveni i međusobni potencijalni koeficijenti provodnika: i, j = a, b, c, z 1, z 2 i dij hi Dij hi j’ i’ dij j

l Proračun vektora električnog polja u Dekartovom koordinatnom sistemu : i (xi, yi) yi -y 0 ri M hi Ei’ yi+y 0 h i ri’M x 0 - xi i’ (xi, -yi) M(x 0, y 0) Ei Ei+Ei’

Proračun magnetske indukcije se vrši sumiranjem magnetskih indukcija faznih i zaštitnih provodnika koji se smatraju beskonačno dugim provodnicima i paralelni površini zemlje l Povratni put struja kroz zemlju pri frekvenciji 50 Hz se nalazi na velikoj dubini i izračunava se na osnovu Karsonovog obrasca: l l Trenutna vrednost magnetske indukcije i-tog provodnika kroz koji protiče struja Ii(t) :

l Naponi 3 fazna provodnika (a, b, c) i 2 zaštitna provodnika visokonaponskog voda (z 1 , z 2) : l Sopstvene i međusobne induktivnosti provodnika: - za struje industrijske učestanosti (De>>hi, hj) i hi dij j hj - za impulsne struje i, j = a, b, c, z 1, z 2 De De i’ j’

l Proračun vektora magnetske indukcije u Dekartovom koordinatnom sistemu : i (xi, yi) yi -y 0 ri M Byi Bi Bxi M(x 0, y 0) hi x 0 - xi

Slika 15: Raspodela električnog polja u funkciji rastojanja kod horizontalnog rasporeda provodnika nadzemnog voda 400 k. V Slika 16: Raspodela magnetne indukcije u funkciji rastojanja kod horizontalnog rasporeda provodnika nadzemnog opterećenog sa 1000 A

Slika 17: Raspodela električnog polja u funkciji rastojanja kod kontaktnog voda 25 k. V Slika 18: Raspodela magnetne indukcije u funkciji rastojanja kod kontaktnog voda 25 k. V koji napaja lokomotivu 3400 k. W, 136 A

1. 3 Praktični izrazi za izračunavanje jačine električnog polja i magnetske indukcije u blizini nadzemnog voda Elektromagnetsko polje se jako smanjuje sa povećanjem rastojanja r od izvora polja: - za slučaj jednog provodnika: ~1/r - za slučaj jednostrukog trofaznog voda i dvostrukog voda sa transpozijom faza: ~1/r 2 - za slučaj dvostrukog voda sa transpozijom faza ~1/r 3 l Za slučaj jednostrukog voda, maksimalna jačina električnog polja na visini h iznad zemlje može se proceniti na osnovu: l gde je ri poluprečnik provodnika, H srednja geometrijska visina i d srednje geometrijsko rastojanje između provodnika trofaznog sistema:

l Magnetska indukcija oko sistema provodnika koji provode simetrične trofazne struje efektivne vrednosti I se procenjuje iz: gde je rastojanje r tačke u kojoj se računa polje od geometrijske simetrije sistema znatno veće od srednjeg geometrijskog rastojanja provodnika d. l Ako su provodnici nadzemnog voda raspoređeni horizontalno sa rastojanjem susednih provodnika dm, magnetska indukcija je: l Ako su provodnici nadzemnog voda raspoređeni u temenima jednakostraničnog trougla, magnetska indukcija je: l Magnetna indukcija usled nultih komponenti struja je:

Slika 19: Raspodela magnetne indukcije u funkciji rastojanja kod jednog provodnika, jednostrukog trofaznog voda ili dvostrukog voda bez transpozicije faze i kod dvostrukog voda sa transpozicijom faza

1. 4 Merenje električnog i magnetskog polja Vektori električnog i magnetskog polja koje stvara trofazni prenosni vod rotiraju u prostoru tako da vrh vektora opisuje elipsu. l Električno polje je na površini zemlje vertikalno orjentisano sa zanemarljivom horizontalnom komponentom l

Instrumenti za merenje električnog i magnetskog polja sastoje se od senzorskog uređaja (sonde) i dela koji određuje i prikazuje efektivnu (rms) vrednost polja. l Merna sonda može da obezbeđuje merenje po tri ili po jednoj osi, za slučaj merenje po tri ose rezultatno polje je: l Merenja treba izvršiti na visini koja odgovara izloženosti ljudskog tela, kao tipična vrednost ove visine se uzima 1 ili 1. 5 m, što odgovara visini grudnog koša l Sonde se unosi u elektromagnetsko polje na nosaču od izolacionog materijala koji unosi greške pri merenju l Operater treba da se nalazi na određenom rastojanju od merila da bi se ograničio njegov uticaj na rezultate merenja, minimalno rastojanje je 1, 5 m, a preporučena vrednost je 3 m l

l Analizator elektromagnetskog polja sa sondom za merenje jačine električnog polja

l Analizator elektromagnetskog polja sa sondom za merenje magnetske indukcije

l Rezultati merenja se prikazuju krivom linijom na geografskom profilu oblasti u kojoj se vrši merenje

l Uporedni prikaz rezultata merenja i proračuna električnog polja na nadzemnom 400 k. V vodu Beorad 8 – Obrenovac A

l Uporedni prikaz rezultata merenja i proračuna magnetske indukcije na nadzemnom 400 k. V vodu Beorad 8 – Obrenovac A

1. 4 Efekti električnog i magnetskog polja na zdravlje ljudi Fizički efekti električnog i magnetnog polja niskih frekvencija - dejstvo električnog polja na živi organizam - dejstvo magnetnog polja na živi organizam - dejstvo jakih električnih ili magnetnih polja l Opasnost po zdravlje usled delovanja nejonizujućih polja - zabrinutost zbog eventualnih zdravstvenih problema - zaključci Svetske zdravstvene organizacije (WHO) - generalni efekti na zdravlje - efekti na trudnice - katarakta - elektromagnetna polja i kancer - hipersenzitivnost i depresija - fokus današnjih i budućih istraživanja - laboratorijska ispitivanja na ćelijama - ispitivanja na životinjama - epidemiološka istraživanja l

l Elektromagnetna polja po domaćinstvima Tabela 1: Električno polje na rastojanju 30 cm od kućnih aparata (Federalna kancelarija za sigurnost od radijacije, Nemačka 1999. godine) Uređaj Intenzitet električnog polja (V/m) Stereo prijemnik 180 Pegla 120 Frižider 120 Mikser 100 Toster 80 Fen za kosu 80 Kolor TV 60 Automat za kafu 60 Usisivač 50 Električna rerna 8 Klasična sijalica 5 - Granična vrednost električnog polja za stanovništvo: 5000 V/m

Tabela 2: Tipične vrednosti magnetne indukcije u domaćinstvu Magnetna indukcija u blizini električnih aparata (μT) Uređaj Udaljenost 3 cm Udaljenost 30 cm Udaljenost 1 m Fen za kosu 6 – 2000 0. 01 – 7 0. 01 – 0. 03 Električni brijač 15 – 1500 0. 08 – 9 0. 01 – 0. 03 Usisivač 200 – 800 2 – 20 0. 13 – 2 Fluorescentna svetiljka 40 – 400 0. 5 – 2 0. 02 – 0. 25 Mikrotalasna rerna 73 – 200 4– 8 0. 25 – 0. 6 Portabl radio 16 – 56 1 < 0. 01 Električna rerna 1 – 50 0. 15 – 0. 5 0. 01 – 0. 04 0. 8 – 50 0. 15 – 3 0. 01 – 0. 15 8 – 30 0. 12 – 0. 3 0. 01 – 0. 03 Mašina za pranje suđa 3. 5 – 20 0. 6 – 3 0. 07 – 0. 3 Kompjuter 0. 5 – 30 < 0. 01 Frižider 0. 5 – 1. 7 0. 01 – 0. 25 < 0. 01 Kolor TV 2. 5 - 50 0. 04 - 2 0. 01 – 0. 15 Mašina za pranje veša Pegla - Dozvoljena vrednost magnetne indukcije za stanovništvo: 100 μT

Uticaj mobilnih telefona - zračenje baznih stanica - zračenje mobilnih telefona l Smernice Međunarodne komisije za zaštitu od nejonizujućih zračenja (International Comission on Non-Ionizing Radiation Protection ICNIRP) l Tabela 3: Granične vrednosti elektromagnetnih zračenja Evropska industrijska učestanost Frekvencija Bazne stanice mobilne telefonije 50 Hz E (V/m) B (μT) Granična izloženost stanovništva 5000 100 4. 5 9 Granična izloženost zaposlenih 10000 500 22. 5 45 l 900 MHz 1. 8 GHz Mikrotalasne pećnice 2. 45 GHz Gustina snage (W/m 2) 10 Smernice nisu precizno razgraničenje, važno je da nivo indukovanih struja u organizmu bude značajno niži od struja bio-hemijskih procesa i da se spreči zagrevanje organizma usled radiofrekventih polja

1. 5 Zaštita od električnog polja se ostvaruje: - udaljavanjem štićene oblasti od provodnika - postavljanjem mreže uzemljenih provodnika - postavljanjem uzemljenih ekrana l Zaštitni faktor l gde su E 0 i E jačine električnog polja pre i posle preduzetih mera l Stepen redukcije jačine električnog polja ZFe ϵ [1, -∞), Se ϵ [0, 1]

Uticaj uzemljenih provodnika - postavljaju se ispod provodnika dalekovoda na celom kritičnom rasponu ili iznad štićenog objekta, dovoljno daleko od faznih provodnika - moraju biti uzemljeni na oba kraja - ako ima više provodnika postavljaju se horizontalno l Stepen redukcije koji se postiže jednim uzemljenim provodnikom l

l Stepen redukcije koji se postiže sa dva uzemljena provodnika

l Maksimalne vrednosti stepena redukcije na površini tla koje se postižu sa jednim, dva ili tri provodnika i beskonačno gustom mrežom uzemljenih provodnika

l Primena provodnih zaštitnih ekrana - efikasna zaštita se postiže ako je postavljeni ekran uzemljen preko malog otpora uzemljenja

- potencijal na koji dolazi zaštitni ekran: jer se nastoji da se postigne G>>ωC - jačina električnog polja iza ekrana je utoliko manja ukoliko je manji napon U na ekranu - što su razlike između kapaciteta Ck veće, veći je i napon ekrana - kod kablova se koriste metalni ekrani za radijalizaciju električnog polja oko provodnika - kod SF 6 postrojenja se koriste cilindrični ekrani od aluminijuma ili čelika

1. 5 Zaštita od magnetske indukcije se ostvaruje: - udaljavanjem štićene oblasti od izvora - kod trofaznih niskonaponskih kola neutralni provodnik treba da se vodi blizu faznih provodnika - primena kompenzacionih kontura - korišćenjem feromagnetskih štitova - korišćenjem provodnih štitova l Zaštitni faktor l gde su B 0 i B vrednost magnetske indukcije pre i posle preduzetih mera

Primena kompenzacionih kontura: - postavljaju se između izvora i štićene oblasti - kompenzacija može biti aktivna i pasivna - električni otpor kompenzacione konture treba da bude bar tri puta manji od induktivne reaktanse konture - treba imati u vidu da se polje proizvedno kompenzacionog konturom izvan konture sabira sa izvornim poljem - radi boljeg oblikovanja polje obično se koristi više kompenzacionih kontura - struja u kompenzacionoj konturi i postignuti zaštitni faktor l gde je I struja izvora polja, K je koeficijent koji zavisi od rastojanja i konfiguracije kompenzacione konture, BL je magnetska indukcija proizvedena kompenzacionom konturom

- trofazni kablovski sistem i kompenzaciona kontura:

Feromagnetski štitovi: - prave se od materijala čija je permeabilnost μ mnogostruko veća od permaeabilnosti vazduha μ 0 - štite efikasno i promenljivim i pri konstantnim magnetskim poljima - linije magnetskog polja idu duž štita l

- karakteristike feromagnetskih materijala

- kod linijskih provodnika koriste se cilindrični oklopi - kod izvora ograničenih dimenzija koristi se sferni oklop - zaštitni faktor za cilindrični oklop gde je Δ debljina oklopa, a je unutrašnji poluprečnik cilindra - zaštitni faktor za sferni oklop: gde je Δ debljina oklopa, a je poluprečnik sfere

- zavisnost zaštitnog faktora od odnosa Δ/a:

- feromagnetski štitovi u obliku ploča i U profila:

Štitovi od provodnih materijala: - u štitu od provodnog materijala se indukuju ems koje stvaraju struje čija se polja suprostavljaju izvornom polju - navedeni efekata se javlja samo u slučaju promenljivog magnetskog polja - Izvode se kao zatvoreni u obliku cilindra i sfere ili kao otvoreni u obliku ploča ili U-profila l