BSEE Degree project
Magnetfält alstrade kring
nätstationer i samband med
lokaldistribution av elkraft
Magnetic fields generated by electrical
substations during distribution of electric power
Author: Fredrik Strömberg Date: 2012-06-28
Subject: Electrical Engineering Level: Bachelor
Course code: 2ED14E
This report covers primarily the work of documenting electromagnetic fields generated by one of the later parts in the electrical power distribution chain: The electrical substation, wherein 10 kV is transformed to 400 V for use by private consumers. Thus it is one of the most widespread and frequently occurring parts in the Swedish power grid and of particular interest, as electrical substations are found everywhere in populated areas, often in close vicinity to people and animals.
The report deals with a number of formulated questions and/or hypothesis’ stated at the onset of the work undertaken, theory that is relevant for the topics the report covers, the details of the field work undertaken and the following analysis of the readings, which in term provide answers for the questions stated in the beginning. It also covers what is the currently known short term and long term risks associated with electromagnetic fields in the power frequent spectrum and of varying intensity in the vicinity of humans.
The analysis also provides recommendations and identifies several points to carefully consider when planning for new installations or replacements of some parts of existing installations.
For enhanced reading comprehension there is, aside from sections with pictures and attached explanatory texts and templates, several graphs, one-line diagram and maps of the power grid among the appendixes to the rapport.
Abstract
Innehållsförteckning
1: Introduktion – bakgrund, syfte och frågeställningar ...1
2: Teoretisk bakgrund ...2
2.1: Allmänt om elektromagnetiska fält ...2
2.2: Transformatorer ...4
2.3: Högspänningsställverk ...6
2.4: Lågspänningsställverk ...7
2.5: Risker och gränsvärden för elektromagnetiska fält ...8
2.6: Elektromagnetiska strålbilder i samhället ... 11
2.7: Skärmning och begränsning av elektromagnetiska fält ... 13
2.7.1: Sektionering ... 14
2.7.2: Skruvade kablar ... 15
2.7.3: µ-metaller ... 16
2.7.4: Transformatorkärnplåt ... 17
3: Förberedelser inför mätningar ... 18
3.1: Försöksplan ... 18
3.2: Mätinstrument ... 19
3.3: Varierande last att ta i beaktelse samt övriga påpekanden ... 20
3.4: Beskrivning av mätplattformen i bild och text ... 20
4: Redovisning av mätningarna ... 24
4.1: Dokumentation och mätvillkor ... 24
4.2: Dokumentering via bilder ... 25-30 5: Resultat ... 30
6: Analys/diskussion ... 33
7: Källor ... 37
1:a bilagan: Exempel på enlinjeschema (#1-3) ... 38
2:a bilagan: Exempel på enlinjeschema (#4) ... 39
3:e bilagan: Nätkarta mätobjekt #1 samt kabelförläggning ... 40
4:e bilagan: Nätkarta mätobjekt #2 samt kabelförläggning ... 41
5:e bilagan: Nätkarta mätobjekt #3 samt kabelförläggning ... 42
6:e bilagan: Nätkarta mätobjekt #4 samt kabelförläggning ... 43 7:e bilagan: Mätvärden #1-4 ... 44-121 8:e bilagan: Grafbilaga (översiktsgrafer) ... 122-123
1
1: Introduktion – Bakgrund, syfte och frågeställningar
Högskoleingenjörsutbildningen i elektroteknik som rapportförfattaren och dennes studiekollegor genomför vid Linnéuniversitet har som avslutande delmoment ett examensarbete på 15 högskolepoäng, ett utbildningsmoment där avsikten är att de samlade kunskaperna och erfarenheterna från utbildningen i sin helhet ska brukas för att åstadkomma ett resultat. Innehållet i examensarbetet är, sett utifrån att det är en del av universitetets utbildningsverksamhet, förvånansvärt fritt att utforma av den eller dem som utför arbetet i samarbete med berörda parter så som ansvarig examinator.
Arbetet som denna rapport redogör för genomfördes med hjälp av ett antal samarbetspartners och berör i huvudsak elektromagnetisk strålning alstrad av elkraftinstallationer. Fokus ligger på kartläggning av alstrad strålning med hjälp av mätningar, riskvärdering av densamma och undersökningar via litteratur för att ge förslag som syftar till att minska, dämpa eller skärma den elektromagnetiska strålningen.
Arbetet styrdes i huvudsak av den kravspecifikation som rapportförfattaren,
samarbetspartnerna och ansvarig examinator vid Linnéuniversitetet fastslog under arbetets inledande period, vilket sammanfattas i följande formulerade frågeställningar:
1 Hur ser den elektromagnetiska strålningen generellt ut kring transformatorstationer?
2 Föreligger det i mätobjektens omedelbara närhet någon risk för allmänhetens hälsa (kortvarigt eller långvarigt)? Hur ser strålningen, med jämförbar karaktär, ut i resten av samhället?
3 Går det att framställa en ”generell” visuell sammanfattning av en genomsnittlig station och hur ska detta göras för att representationen ska överrensstämma med verkligheten och vara representativ?
4 Hur stor är skillnaden i alstrad elektromagnetisk strålning mellan en genomsnittligt högsta och lägsta belastning på stationen?
5 Tidigare examensarbete av studenter vid BTH (Blekinge Tekniska Högskola) påvisade belägg för att samlingsskenorna bör belastas så jämnt som möjligt för att reducera den elektromagnetiska styrkan som alstras av samlingsskenan. Om möjligt så skall två samlingsskenor, varav den ena är mycket jämnt belastad och den andra mycket ojämnt belastad, ingå i mätserien och mätresultaten skall jämföras för att ytterligare belägga tidigare slutsatser. Hur mycket skiljer det?
6 Blir den elektromagnetiska strålningen mindre om en specifik
transformatorkapacitet delas upp på två transformatorer med vardera halva kapaciteten hos den första? Om möjlighet finns skall ett mätobjekt i mätserien
innehålla dubbla transformatorer, vars kapacitet motsvarar hälften av de stationerna som har en ensam transformator.
2
2: Teoretisk bakgrund
Även om läsaren av rapporten är kunnig i grundläggande ellära och innehar allmänna kunskaper om det svenska elkraftnätet (trefassystemet, impedans, fasförskjutning m.fl.), så är det ändå nödvändigt att i större detalj känna till och ha insikt för de teoretiska spörsmål som avhandlas under denna huvudrubrik, för att det ska vara möjligt för läsaren att till fullo ta till sig innehållet i rapporten.
2.1: Allmänt om elektromagnetiska fält
Elektromagnetisk strålning är avståndskrafter, likt tyngdkraften, som påverkar massa genom energiöverföring på partikelnivå. Det finns i huvudsak två olika fenomen som går under benämningen ”elektromagnetiska fält”, vilka är elektriska fält (”E-fält”) och
magnetiska fält (”B-fält”, alternativt ”H-fält” beroende på teoretisk utgångspunkt) som ger upphov till likvärdiga effekter på massa, trots att upphovet till fenomenen skiljer dem åt. Elektromagnetiska fält alltid har polaritet (nord- eller sydpolaritet) och att de kan vara antingen statiska (likt det jordmagnetiska fältet) eller kan variera. De
magnetfält som undersökts i samband med rapporen växlar (symetrisk sinusform) periodiskt med elnätfrekvensen , men varierande magnetfält behöver nödvändigtvis inte växla i polaritet, variera periodiskt eller symetriskt eller ha en speciell form (sinus, trekant eller annat) – magnetfältets variation beror helt och hållet på vad som alstrar fältet och exempelvis en pulsbreddsmodulerande batteriladdare ger förmodligen upphov till en intressant strålkurva.
I rapporten förekommer termerna ”elektromagnetiska fält”, ”EM-fält” eller ”EM- strålning” samt varianter, men det är i första hand inte elektriska och magnetiska fält (som individuella, självständiga fenomen) som i huvudsak avses, utan magnetfält som har upphov i elektrisk ström. Amperés teori tillskriver elektriska strömmar i ledare och materials magnetisering (se nedan) som magnetfälts upphov, vilket är den vedertagna förklaringsmodellen för uppkomsten av magnetism. I elektriska ledare är det den
flytande strömmen som ger upphov till magnetfältet och i ett stycke magnetiserat järn är det rörelserna, rotationen och den spinn de enskilda atomkärnorna, molnelektronerna och de fritt flytande valenselektronerna har som utgör ”strömmen” – varje partikel i järnet är en liten ”strömslinga”. Om dessa likriktas (ges samma orientering i ett tredimensionellt plan) som sker i exempelvis permanentmagneter (statiskt) eller transformatorers kärnplåt (varierande), blir den sammanlagda effekten starkt kännbar, även om bidraget från varje enskild elementarpartikel är i praktiken försumbar.
Det finns i huvudsak 3 olika sätt att beskriva magnetism och dess åverkan:
Magnetiskt flöde, ϕ (1 Wb = 1 Vs).
Magnetisk flödestäthet i B-fält (1 T = 1 Vs/m2).
Magnetisk fältstyrka i H-fält (1 A/m).
3 Alla tre storheterna, ϕ, B och H, beskriver magnetism och magnetfält, men genom olika matematiska modeller och utefter olika förutsättningar. Relevant är att exempelvis det magnetiska flödet har betydelse vid konstruktion av transformatorer, generatorer och motorer, samt att den vanligast förekommande mätenheten för magnetfält är B-fältet (som också är storheten som används i rapporten) som i praktiken är industristandard.
Det är inte av något egentligt intresse att i detalj redovisa härledningen av storheterna eller några av de formler som storheterna förekommer i annat än där det är relevant – önskas sådan information, rekommenderas en fysikbok på gymnasienivå.
Det är möjligt att dela in elektromagnetiska fält efter exempelvis deras karaktäristiska egenskaper i radiofrekventa ( ) och kraftfrekventa ).
Ytterligare en indelning är i egenskaperna joniserande elektromagnetiska fält (farligt för hälsan, klassiskt kallat för ”radioaktiv strålning”, bland annat α- och β-strålning hör till detta område) och icke-joniserande elektromagnetiska fält (jordmagnetismen,
magnetism från elkablage, mikrovågsstrålning m.m. tillhör denna kategori). Det finns också andra sätt att dela upp EM-fält, men det är uteslutande kraftfrekventa, icke- joniserande elektromagnetiska fält som rapporten behandlar.
4
2.2: Transformatorer
Det svenska elnätet har en nätfrekvens på 50 Hz som standard, men det finns ett antal olika nominella spänningsnivåer – exempelvis de stora stamnäten har mellan 220 och 400 kV, regionalnäten mellan 70 och 130 kV och vanligtvis 40 kV går in i de mindre elkraftnäten i individuella samhällen, där denna transformeras ned till 10 kV för lokaldistribution. Den sistnämnda kategorin är den nivå arbetet i den här rapporten omfattar – transformering från 10 kV till 400 V.
Nyckelkomponenten som åstadkommer spänningstransformeringen är transformatorer, som är en direktapplikation av Faradays elektromagnetiska induktionslag (behandlas inte i rapporten). Eftersom det i kraftnätet finns 3 faser, ömsesidigt förskjutna 120° till varandra, finns det därför också 1 primärlindning/fas (i relevant fall 10 kV), 1
sekundärlindning/fas (i relevant fall 400 V) och 1 laminerad järnkärna/fas. Järnkärnan förstärker den ömsesidiga elektromagnetiska induktionen mellan primär- och
sekundärlindningarna, varför en i sammanhanget mycket god effektgrad erhålls. På detta sätt är det möjligt att med mycket låga förluster transformera upp eller ned en spänningsnivå till en annan enligt omsättningssambandet . Sambandet visar att i en transformator så är spänningstransformeringen proportionerlig mot
varvtalsomsättningen, men omvänt proportionell mot strömbelastningen. Genom transformeringen kan olika fördelar erhållas, exempelvis så kan spänningen på
stamnätet transformeras till så mycket som 400 kV: Vid denna extrema spänningsnivå vinns framförallt två fördelar, varav den första är att överföringsförlusterna (resistivta spänningsfallet i ledarna) minskar i sådan utsträckning att det är lönsamt att överföra elkraft producerad i norra landsändan till den södra landsändan, vilket omöjliggörs vid en lägre spänningsnivå. Den andra stora fördelen är att den elektriska ström som behöver löpa genom ledarna minskas och då ledarna har en övre gräns för den
strömtäthet ledaren tolererar besparas materialet skadlig termisk utveckling (dessutom så sparas också elektrisk effekt). Vid den plats där elkraften ska förbrukas transformeras så spänningen ned, så att strömuttaget kan ökas. Mängden eleffekt som är tillgänglig maximeras och en god säkerhetsnivå (lägre spänning kräver inte lika kraftig isolation) med en godtagbar ström erhålls.
Observera att transformatorn beskriven i stycket ovan är avsedd för elkraftnätet – det finns naturligtvis också andra sorters transformatorer, vars syfte och interna struktur väsentligt skiljer sig från beskrivningen ovan. Det finns exempelvis
isolertransformatorer (för att åstadkomma galvansik isolering mot elnätet som används exempelvis sjukhusutrustning så som EKG-maskiner), mättransformatorer (utformade för att inte påverka storheten de mäter) och sparkopplade transformatorer installerade på det svenska elektriska järnvägsnätet (förhindrar vagabonderande strömmar, jordfel samt luftöverslag och därigenom förebygga person- och egendomsskador).
Det är branschpraxis att använda laminerade kärnplåtar (ömsesidigt elektriskt isolerade med exempelvis pulverlackerad färg) istället för massiva järnstycken för att förhindra
5 onödig energiförluster (märks som överskottsvärme, vilket också är transformatorns tomgångsförluster). Konstruktionsvillkoret är också
intressant ur rapportsammanhang, för den påvisar sambandet mellan transformatorns arbetsfrekvens och största tillåtna magnetiska flöde kärnplåten utsätts för. Om
spänningen och varvtalet behålls, men frekvensen ökar så måste ϕ minskas för att villkoret ovan ska uppfyllas. En högfrekvenstransformator med arbetsfrekvensen behöver magnetisera kärnplåten i mindre utsträckning, varigenom det alstrade magnetfältet blir svagare, för att utföra motsvarande uppgift en konventionell transformator utför vid nätfrekvens. Nackdelen med högfrekvenstransformatorerna i elkraftnätet är en stor kostnadsökning, behov av växelriktare och omformare, för att omforma nätfrekvensen till den högre arbetsfrekvensen. Till följd av detta är
högfrekvenstransformatorer i elkraftsammanhang ovanliga och används uteslutande i specialfall för specifika uppgifter.
Även med laminerad kärnplåt i transformatorer kommer det ändå uppstå virvelströmsförluster, varför transformatorn kommer att värmas upp i drift. En tillräckligt hög temperatur kan skada transformatorns lindningar, vilket kan leda till farliga situationer så som exempelvis kortslutning – dessutom innebär en kortslutning ett haveri och stillestånd av elkraftleveransen. För att förhindra detta, kyla lindningarna och i vissa fall också öka isolationsegenskaperna eller brandskyddsegenskaperna så fylls transformatorns ytterhölje med ett fyllnadsmaterial: Mineralolja (med viskositet
snarlikt den hos diesel), gjutharts, epoxiisolerad m.fl.
Avslutningsvis finns fenomenet magnetostriktion (som har viss anknytning i rapporten i avsnitt 2.7), vilket beskriver ferromagnetiska (≈ magnetiserbara) materials deformation vid magnetisering via ett varierande magnetiskt flöde. Då exempelvis järnkärnan i transformatorn magnetiseras, deformeras kärnplåten samtidigt och dras ut på längden.
Deformation sker i takt med att magnetfältets varians och beror således på både hur mycket kärnplåten magnetiseras och den frekvens det sker med, vilket ger upphov till det karakteristiska ”brummandet” som transformatorer omges av.
6
2.3: Högspänningsställverk
Transformatorn är nyckelkomponenten för distribution av elkraft, men vad behövs förutom transformatorn för att åstadkomma ett drift- och personsäkert
eldistributionsnät?
Det krävs möjligheter till övervakning och möjligheter att säkert genomföra frånkoppling av defekta systemdelar, sektionering för att förhindra spridning av
obalanser mellan delar av elnätet och inkoppling av reservanslutningar, reservdelar och systemdelar där defekter åtgärdats. Alla beslut fattas med information från givare i olika system kring transformatorn (strömmättransformatorer, spänningsmättransformatorer, temperaturövervakning, lastövervakning m.m.) och lämpligtvis med minsta möjliga fördröjning via datorstyrning och det är dessutom bra om kommunikation mellan transformatorstationen och en ledningscentral finns, så att stationen kan larma vid allvarliga fel och rapportera in driftdata. För detta används ett ställverk på
högspänningssidan och system med samlingsskenor på lågspänningssidan för att kontrollera systemet och förhindra problem från att i första hand sprida sig i nätet men också i vissa fall ge en tidig varning för var problem kan uppstå.
Ställverk finns i många utföranden (gasisolerade, luftisolerade, kompaktmodell, i moduluppbyggnad m.fl.), varav öppna ställverk (kräver omkring 85-90 % större markyta än slutna ställverk) över huvud taget inte behandlas i rapporten – dessa används vid avsevärt högre nätspänningar. Gemensamt för alla ställverk är att de har intern sektionering, så att om en del av ställverket skulle fallera (exempelvis
kortslutning i en fas eller att trycket i en sektion i ett gasisolerat ställverk sjunker) används frånskiljare, brytare eller lastfrånskiljare (kombination av frånskiljare och brytare) för att skilja sektionen från resten av nätet.
Ställverken som är inkapslade innehåller i vissa fall ett släck- och isolationsmedium (exempelvis ) eller är vakuumpumpade, dels för att minska brandrisken vid haveri och för att elektriskt isolera skalet. Beroende på dimensionering i frånskiljare och bortkopplare samt projekterad belastning kan det vara ett tillräckligt med avstånd för att ljusbågen ska slockna i princip omgående, men om komponenten görs tillräckligt liten och effekten komponenten ska bryta är tillräckligt stor är det också här nödvändigt att använda ett släckmedium (exempelvis eller vakuum) inuti komponenten, då ljusbågen kvarblir även om funktionen är dragen för att koppla bort sektionen – att enbart bryta förbindelsen räcker alltså inte alltid för att koppla bort sektioner, om effekten är tillräckligt stor.
7
2.4: Lågspänningsställverk
Uppbyggnaden på lågspänningssidan (400 V) är inte alls så pass avancerad som högspänningssidan (>10 kV). Utöver mätutrustning, vissa elektromekaniska
komponenter utgörs lågspänningsställverket av samlingsskenor. Samlingsskenorna på lågspänningssidan finns i olika utföranden, men gemensamt är att skenorna utgörs av plattstänger (ofta förtennad koppar), men avstånd och konfiguration mellan
samlingsskenorna varierar beroende på fabrikat och design: I rapporten behandlas skensystem med 100 eller 185 mm centrumavstånd. Alla skensystem innehåller tre fasskenor (3F), men neutralledare och skyddsjord kan antingen vara förlagda i samma skena (PEN), eller separerade (PE|N).
Skenorna är förlagda parallellt med varandra och någorlunda parallellt med underlaget och på dessa monteras ett antal grupper, som utgör serviceanslutningen till
kringliggande fastigheter (3F+PEN-förbindelse) som transformatorstationen betjänar.
Grupperna, som kan vara dimensionerade efter olika stora strömmar och därigenom olika säkringsstorlekar, är beröringsskyddade enligt IP20-klassen och den elektriska förbindelsen i vardera grupp bryts genom att gruppen dras ut. Samlingsskenorna är anslutna till transformatorn genom en lastfrånskiljningsfunktion och är utrustade med automatiserad övervaknings- och mätapparatur, uttag för tillfällig mätapparatur och möjligheter för återfasning efter bruk av reservkraftaggregat. Om stationen innehåller fler än en transformator finns också inbyggd utrustning för till sektionering – om en transformator slutar fungera, kan den till stationen anslutna väsentligaste lasten drivas av den fungerande transformatorn (exempelvis gatubelysning går det att klara sig utan, men industrier kan behöva kontinuerlig matning för att undvika förluster i
miljonklassen och prioriteras således).
8
2.5: Risker och gränsvärden för elektromagnetiska fält
Elektromagnetiska fält kan påverka fysiologiska funktioner – exempelvis kan vissa fåglar, delfiner och valar navigera utifrån det jordmagnetiska fältet och det finns vissa belägg för att radiofrekventa mobiltelefonsignaler kan störa ut bisamhällen så att samhället dör ut. Människor kan också inom exempelvis sjukvården hjälpas av elektromagnetiska fält genom s.k. MRI-scanners och andra diagnosticerings- och behandlingsmetoder. Det finns också vissa belägg (även om undersökningarna inte är övertygande entydiga) för att radiofrekventa mobiltelefonsignaler vid intensiv
exponering (ofta och nära) kan orsaka cancer och andra fysiologiska störningar (balanssinnet kan påverkas).
Elektromagnetiska fält av kraftfrekvent karaktär kan också de orsaka skada. Enligt Socialstyrelsen finns det belägg för att 1 fall av barnleukemi inträffar i Sverige vart annat år (jämför med sammanlagt i genomsnitt 160 fall av barnleukemi på två år) som kan härledas till marginellt förhöjda elektromagnetiska kraftfrekventa strålvärden i hemmet.
I sammanhanget är dock de elektromagnetiska fälten underrepresenterade – omkring 30 % av dessa sjukdomsfall (barnleukemi) anger Socialstyrelsen som resultatet av passiv rökning, varför tobak i sammanhanget är avsevärt farligare än kraftfrekventa elektromagnetiska fält som står för strax över 6 ‰ av sjukdomsfallen.
Socialstyrelsen anger att förhöjda strålvärden i hemmiljön, i genomsnitt 0,4 µT istället för 0,1 µT i tätorter och 50 nT på landsbygden, finns i omkring 5 % av de svenska hushållen som samtidigt är överrepresenterade i statistiken över barnleukemifallen med 1 fall vart annat år. Det ges dock ingen förklaring till hur slutsatsen beläggs:
Forskningsläget på området är efter mer än 35 års intensiva studier ännu höljt i dunkel och de biologiska mekanismerna som påverkas av kraftfrekventa elektromagnetiska fält och ger upphov till bland annat cancer är fortfarande okända. Orsaken till den förhöjda strålbilden kan vara exempelvis närhet till elkraftinstallationer eller felaktigt
hushållselnät, som ger upphov till vagabonderande strömmar (returströmmen tar fel väg tillbaka till källan på grund av isolations- eller impedansfel) som utöver att vara farligt i största allmänhet (vattenrör och diskbänken kan bli strömförande!) ger det också en höjd strålbild. Det finns på området en betydande kunskapsbrist beträffande de långvariga hälsoeffekterna av kraftfrekventa elektromagnetiska fält, varför utgångsläget för myndigheter i samhället är att det är bäst att ta det säkra före det osäkra och
minimera exponeringen så mycket som möjligt.
Högintensiva elektromagnetiska fält, med hänsyn tagen mellan fältstyrka och frekvens, åstadkommer akuta biologiska skador hos människor och djur. Elektromagnetisk induktion skadar och stör nervsystem samt ger upphov till skadlig termisk
värmeutveckling i vävnad (vatten är vanligt förekommande i vävnad, som också
påverkas av fälten – som en mikrovågsugn!). Industriella applikationer som inbegriper elektromagnetiska fält som dessa (med avseende på intensitet och frekvens) är ovanliga och ytterst få bland allmänheten kommer någonsin komma i närheten av fält bråkdelar
9 så starka. Till höger finns en variant av varningssymbol för
magnetfält i onormal styrka (från den tyska standarden DIN 4844-2).
Nedan syns motsvarande svenska farosymboler, de tre första med tilläggstext och den sista utan tilläggstext, hämtade från Arbetsmiljöverkets hemsida.
Gränsvärdena för exponering av elektromagnetiska fält är fastställd av svenska Strålsäkerhetsmyndigheten, i samarbete med Elsäkerhetsverket och Socialstyrelsen, styrt av rekommendationer från Europeiska unionens råd. Gränsvärdena är fastslagna vid ungefär vid två procent av den nivå där akuta biologiska effekter vetenskapligt belagts.
Referensvärdena är satta i SI-enheter utifrån gränsvärdena, vilket enkelt låter sig mätas med mätinstrument. Nivåerna i tabellerna är satta så att även om så strålstyrkan i en punkt överstiger referensvärdena, överskrids inte gränsvärdena – referensvärdena omfattas av en väl tilltagen skyddsbuffert till gränsvärdena. Anledningen till att det finns både gränsvärden och referensvärden är att gränsvärdena i huvudsak har biologisk och medicinsk anknytning – en vanlig enhet är exempelvis SAR (genomsnittligt absorberad stråldos i en kubikdecimeter sammanhängande vävnad under sex minuter) och lokal SAR (exempelvis i bål- och magområde, eller en arm alternativt ett ben). Mått som dessa är extremt opraktiska och går inte arbeta med, varför referensvärdena finns till för att underlätta för allmänheten och industri – det är jämfört med SAR enkelt att mäta exempelvis B-fält. Överst på nästa sida ses en tabell hämtad från
Strålsäkerhetsmyndighetens författningssamling (SSMFS 2008:18, tabell 2 sidan 3) och omfattar de senast fastställda referensvärdena i mätbara fysikaliska storheter.
10 Med ledning av tabellen erhålls referensvärdet för nätfrekventa magnetfält:
.
11
2.6: Elektromagnetiska strålbilder i samhället
Strålsäkerhetsmyndigheten har genomfört en kartläggning över i hur stor omfattning (genomsnittligt) vanliga hushållsapparater alstrar magnetisk strålning. Resultatet har myndigheten sammanfogat i nedanstående tabeller, som klippts ur
informationsbroschyren myndigheten publicerat (Strålsäkerhetsmyndigheten:
Magnetfält och Hälsorisker) i samarbete med andra myndigheter i Sverige.
Motsvarande mätningar på ett urval arbetsplatser för att undersöka de anställdas exponering för magnetfält, sammanfattat i tabellen infogad nedan.
Dessutom så gav en mindre mätserie i rapportförfattarens närmiljö följande utslag:
500 W bas (tillhörande 2.1-ljudsystem för stationär dator) på 1 dm avstånd, slumpmässig last registrerad under 60 s (podradiosändning): ̅ = 1,763 µT.
Högkvalitativ digital (tvåkanalers, triac-styrd) dimmer på 1 dm avstånd: B = 0,152 µT vid 4x50 W belastning (100 %) på en kanal.
12 Batterieliminator för klockradio (Output: 5 V ̅̅̅̅̅̅̅̅1 A), ursprungsland Taiwan, på 1 dm avstånd: B = 34,58 µT, på 0 dm avstånd: B = 277,35 µT.
Mikrovågsugn vid 750 W uteffekt, 1 dm från luckan: B = 35,71 µT.
Extern WLAN-antenn (tillhörande router i hemnätverket med 6 dBi signalförstärkning), 1 dm avstånd: B = 16,71 µT.
60 W-effekt batteriladdare tillhörande bärbar dator, 1 dm avstånd: B = 0,129 µT.
Som synes ovan (både första tabellen och exempelmätningarna ovan) finns det relativt starka elektromagnetiska fält i hemmiljöer, speciellt då mätningen på klockradions batterieliminator – finns batterieliminatorn i närheten av huvudet då ägaren ligger till sängs, så blir den lågintensiva exponeringen ändå omfattande (exempelvis nära på 3000 timmar årligen vid 8 timmars sömn/natt).
13
2.7: Skärmning och begränsning av elektromagnetiska fält
Permeabilitet (ungefär ”genomträngningsförmåga” eller ”genomträngningsbar”) är en materialmässig egenskap (storheten µ) och ett ganska vitt begrepp som täcker ett flertal områden: det kan exempelvis ange hur väl regnvatten tränger igenom markytan eller hur väl ett vattenavvisande tyg håller tillbaka vatten (hydrostatisk permeabilitet). Den permeabilitet som är relevant för rapporten är magnetisk permeabilitet, vilket är måttet för i vilken utsträckning ett material tillåter magnetiska fält att passera. De flesta material är behäftade med en låg permeabilitet, vilket betyder att elektromagnetiska fält vid de flesta frekvenser kan passera i princip obehindrat med bibehållen fältstyrka genom materialet. Detta är fördelaktigt i de flesta situationer, då det exempelvis går att använda mobiltelefoner inomhus bakom trä, betong och glasfiberull. Det finns dock vissa situationer som oavsiktligt leder till icke önskvärd skärmning – rapportförfattaren vet av erfarenhet att exempelvis treglasfönster som belagts med ett UV-blockerande skikt aluminium endast några nm tjockt dämpar och förvränger telekommunikationssignaler (radiofrekventa elektromagnetiska fält) så pass att kommunikation omöjliggörs (tre kristallina materialskikt med aluminiumbeläggning, separerade av luftspalter).
För gemene man, som inte har något speciellt behov av att skärma elektromagnetiska fält och inte far illa av befintliga fält i närmiljön, så har detta kapitel inget egenvärde annat än som kuriosa. Om intresse för detta finns redovisas här nedan, i ett antal underrubriker, några metoder för att dämpa elektromagnetiska fält. Oftast är dessa metoder strikt begränsade, för i stor utsträckning fungerar en enskild metod vid ett specifikt frekvensintervall eller vid vissa speciella betingelser, vilket gör det omåttligt svårt att skärma alla elektromagnetiska fält vid alla förekommande frekvenser.
14
2.7.1: Sektionering
Med ”sektionering” menas att till exempel kretskort eller elkraftinstallationer delas in i två eller fler delar, där en del innehåller störningskänsliga delar och en annan del innehåller störande delar. Lämpligtvis skiljs sedan dessa två delar av anläggningen eller kretsen av en mellanvägg, som gärna får inneha speciellt goda skärmningsegenskaper, vari det endast finns passage för det absolut mest nödvändiga förbindelserna (som även kan ges skärmning mellan vardera sektion kabelflätor eller andra skärmningsmetoder).
Detta kan vara tillräckligt för att ge exempelvis mycket störbenägna kretskort fullgoda EMC-egenskaper (termen ”EMC” avser elektromagnetisk kompabilitet).
Metoden används sparsamt i elkraftsammanhang, för den är mest lämpad för småskaliga applikationer med radiofrekventa arbetshastigheter. Då metoden brukas i
elkraftsammanhang är det uteslutande för att förbättra tillförlitligheten hos
mätapparatur – exempelvis kan ett starkt elektromagnetiskt fält från en stor ström i en kraftledare utan avsikt orsaka interferens i närliggande mätkablar, vilket kan undvikas om kablaget flyttas (sektionering). Även spänningsmätande apparatur kan oavsiktligt påverkas – under 400 kV luftledningar (en ovanligt extrem situation, men med kraftig påverkan som följd) kan en voltmeter visa så mycket som >10 V cirka 1,2 m över marknivå, utan att instrumentets mätstickor är anslutna galvaniskt till någon ledare. I realiteten mäter voltmetern 0 V, men det elektriska fältet mellan fasledarna i luften och marken ger en elektrisk potential i voltmetern på 10 V!
För att förhindra att liknande fenomen orsakar fel i bland annat automatiserade övervakningssystem, där beslut fattas på tiondelar eller hundradelar av
mätinstrumentets signal, används en form av sektionering – exempelvis separation av elkraftkablage och signalkablage, korsande av dessa i räta linjer (parallella ledare är värst i detta avseende) m.m. Observera att det är de elektriska signalerna från diverse mätinstrument som kan påverkas enligt beskrivningen i stycket ovan – de flesta mätinstrument i elkraftsammanhang påverkas inte att ge felaktigt mätvärde.
15
2.7.2: Skruvade kablar
Många ledarsystem som används till vardags utgörs av fler än en ledare – exempelvis finns det i nätverkskablar till datorer 16 kopparledare innanför skyddshöljet, kablarna som ansluts till grenuttaget i väggen är ett treledarsystem (3F+N+PE) och anslutet till enskilda hushåll tre fasledare och en neutralledare. Problemet med dessa och många andra ledarsystem är att olika ledare förläggs tillsammans (i nätverkskablage är det 4 kraft, 4 noll och 8 signalledare, också kallade PWR, GND och SIGNAL). Eftersom ledare vari det flyter en ström ger upphov till magnetfält, påverkar kraftöverförande kablar kringliggande ledare genom elektromagnetisk induktion, vilket kan orsaka interferens.
För att undvika den icke önskvärda påverkan som uppstår av blandat kablage (PWR, GND och SIGNAL) så tvinnas kablaget – i nätverkskablage tvinnas de 16 ledarna dels i tvåpar och sedan flätas 8 tvåpar till en stor kabelfläta kring en mjuk kärna, varpå
ytterhöljet förs på för att skydda ledarna. Genom skruvningen erhålls en jämnt fördelad strålbild och den ömsesidiga elektromagnetiska induktionen mellan de olika ledarna (PWR, GND och SIGNAL) får en medelsumma av i praktiken noll, varför i huvudsak endast de önskvärda kommunikationssignalerna färdas genom ledarsystemet.
Magnetfältet kring ledaren när den används avtar drastiskt med denna metod, vilket i elkraftsammanhang kan vara mycket önskvärt.
I trefassystem är vardera fas ömsesidigt förskjuten 120° till de andra och summan av momentanspänning och -effekten noll (med avseende på positiv och negativ
halvperiod). Eftersom operatörerna av elkraftnäten alltid strävar efter en så jämn belastning som möjligt med minsta möjliga fasförskjutning (vilket också minskar effektförlusterna) kan så också sägas att summan av momentanströmmen i de fyra ledarna är ganska så nära noll (3F+N i servitutanslutningar). Eftersom magnetfält uppstår till följd av strömmar (se avsnitt 2.1) kommer magnetfält uppstå även kring skruvade ledare i trefassystemet, men då magnetfälten från de individuella ledarna är behäftat med olika polaritet (med avseende på positiv och negativ halvperiod) kommer magnetfältet från de fyra ledarna (3F+N) ta udden ur varandra och dämpa strålbilden avsevärt jämfört med kablage som inte skruvats.
16
2.7.3: µ-metaller
µ-metaller är ett gruppnamn för en samling metallegeringar som tack vare deras sammansättning och genom specifika behandlingar erhåller en unikt hög, extrem permeabilitet. Gemensamt för olika µ-metaller (med avseende på att de kan utgöras av olika legeringar) är att de är ett av mycket få och ibland den enda tillgängliga metoden för att skärma statiska och lågfrekventa magnetfält, vilket gör materialet unikt.
En ”vanlig” legering för µ-metall i handeln är 77 % nickel, 16 % järn, 5 % koppar och 2 % krom eller molybden. Ofta säljs denna legering under handelsnamn så som ”Mumetal”,
”MuMetal” eller ”MuShield”. Specifikt denna µ-metall har i princip obefintlig
magnetostriktion (medför låg koercivitet och därmed i princip obefintlig remanent, eller kvardröjande, hysteres mellan topp- och bottenvärdet i växelfrekvent magnetisering) och ett relativt (vakuum) permeabilitetstal rätt typiskt kring , vilket kan jämföras med vanligt järn som har omkring och vakuum som har
, då och .
Ett annat handelsnamn på en legering med mycket hög permeabilitet är den s.k.
”Permalloy” som består av 20 % järn och 80 % nickel. Nackdelen med ”Permalloy” och dess motsvarigheter är att den saknar µ-metallernas materialegenskaper som tillåter att µ-metallerna skärs i extremt långa och tunna (cirka 8 mm breda och 2-3 mm tjocka) band, som kan sammanflätas för att skärma kablage.
Metaller så som dessa dämpar magnetfält genom att fältet ansamlas i metallen, varpå den leds genom metallen till jord istället för att fältet passerar genom metallskölden.
Materialet är dock känsligt för yttre påverkan och besvärligt att bearbeta, då materialet med minsta möjliga kraft först formas till den form skölden slutgiltigt ska anta, varpå materialet måste glödgas i en vätgasberikad atmosfär. Glödgningen gör att
metallkornen, som skölden utgörs av, riktas på ett sådant sätt att materialets permeabilitet blir så stort som möjligt.
Effekten kan dock avta drastiskt om skölden utsätts för en mekanisk stöt – för att åtgärda förlusten av denna påverkan så måste skölden ånyo glödgas i en vätgasberikad atmosfär, varför materialet är något besvärligt att bruka i praktiken.
Gemensamt för både detta och nästa avsnitt är att materialen också kännetecknas av extremt dålig magnetostriktion – vilket går hand i hand: Ferromagnetiska material med hög permeabilitet deformeras mycket litet vid magnetisering och leder magnetiska flöden väl, medan material med låg permeabilitet deformeras mycket och leder magnetiska flöden dåligt.
17
2.7.4: Transformatorkärnplåt
Kärnplåten i en transformator består ofta av järn med en hög nickelhalt. Denna plåt har liknande egenskaper som hos µ-metallen och innehar framför allt god magnetisk
permeabilitet på nivån .
Erfarenheterna från en deltagande part i näringslivet påvisar att transformatorkärnplåt är ett fullgott substitut till µ-metall för att skärma kraftfrekventa magnetfält.
Samarbetspartnern erhöll bäst resultat då denne använde lager av plåt separerade av luftspalter – det är alltså bäst ur skärmningssynpunkt att använda flera tunna,
sammanfogade standardark (tjocklek cirka 1 mm) separat, snarare än ett enda tjockt, massivt skikt. Orsaken till att den första konfigurationen fungerar bättre än den andra täcks inte av någon facklitteratur rapportförfattaren gått igenom, men en möjlig hypotes som förklarar fenomenet är att det magnetiska flöde som transformatorkärnan ger upphov till passerar relativt bra genom respektive medium (luft respektive metall, oberoende av varandra), men att övergången från metall till luft i speciell bemärkelse inte är speciellt effektiv – vilket maximerar mängden magnetiskt flöde som förs till jord.
Fördelen med att använda transformatorkärnplåt framför µ-metall är att kostnaden faller drastiskt, plåten är (jämfört med µ-metall) i princip okänslig för impulskrafter och det är ett mer lättarbetat material än µ-metall (skärande-, sammanfogande- och
deformerande bearbetning så som krökning, svetsning m.fl.) och slutligen är det lättare att fixera plåten med mellanlägg, distanser m.fl.
Kontenta: Det är möjligt att skärma och göra det mycket bra med µ-metall, men objektivt är det mer lönsamt att bruka transformatorplåt i detta syfte då det går att skärma till en viss önskvärd nivå för en avsevärt lägre kostnad än µ-metall.
18
3: Förberedelser inför mätningar
Metodik, tillförlitlighet och noggrannhet…
Rapportförfattaren, Linnéuniversitetet och berörda samarbetspartners i näringslivet formulerade inledningsvis i arbetet ett antal relevanta frågeställningar (se första huvudrubriken). Examensarbetet syftar till att ge underlag för att kunna dra slutsatser och besvara frågeställningarna…
För att kunna dra slutsatserna och belägga dessa så måste ett fältarbete med mätningar genomföras, där de alstrade elektromagnetiska fälten kring befintliga (installerade och driftsatta) transformatorstationer kartläggs. Det är högst centralt för resultatet att mätningarna är tillförlitliga och att arbetet genomförs med noggrannhet – för att säkerställa detta krävs en konkret arbetsplan och en väl genomtänkt metodik för arbetet.
Utöver magnetfälten, vars styrka kartläggs med hjälp av ett mätinstrument, krävs också dokumentering av stationens innanmäte, driftdata och kabelförläggning för att en omfattande förståelse ska ges över resultatet.
3.1: Försöksplan
Undertecknad utarbetade (tillsammans med ansvarig examinator och
samarbetspartnerna) en försöksplan med kriterier för mätobjekten och en mätplattform – ett tredimensionellt koordinatsystem att använda på mätobjekten, utformad på ett sådant sätt att även om ett enskilt mätobjekts dimensioner avviker, så erhålls ändå mätdata på ett sådant sätt att det effektivt är möjligt att göra jämförelser och dra slutsatser oberoende av avvikande dimensioner hos mätobjektet.
I mätplattformen finns det parametrarna och variablerna Höjd (m), Avstånd (m), Kolumn (#) samt Fältstyrka (µT). De tre först nämnda variablerna utgör ett
tredimensionellt koordinatsystem (Z, Y, respektive X) samt den sista parametern är en behäftad egenskap varje koordinatpunkt innehar – tillsammans ger dessa fyra storheter en god översikt över magnetfältet kring transformatorstationerna. Längre fram i
rapporten finns en bild över mätplattformen så att läsaren skall ges insikt i hur
mätningarna praktiskt genomfördes. Observera att varje series index är unikt så till vida att det i varje serie är den högra sidan (då relevant sida på pappret är vänd mot läsaren) som getts index ”1” och motstående ända har det högsta indexet i serien.
Vidare ställdes ett antal krav på mätobjekten för att en effektiv jämförelse ska vara möjlig att göra:
19
Transformatorns skenbara effektkapacitet bör vara S=800 kVA. Om möjlighet finns för att genomföra mätningar på en station med två transformatorer bör dessa ha en kapacitet på S=400 kVA, samt någorlunda jämnt belastade (250±50 A/Transformator).
Transformatorerna bör vara belastade med omkring 500±50 A dagtid, ”Hög belastning” och om möjligt 40±5 % mindre last vid ”Låg belastning”.
Stationen skall finnas utomhus med minst 5 meter till närmsta byggnation.
Markplan stationen står på får inte luta mer än 15° för att inte i onödan komplicera mätningarna. Marken ska dessutom vara någorlunda slät.
Lutningen på taket får inte överstiga 20° för att inte i onödan komplicera mätningarna.
Högspänning, 12-24 kV: Kompaktställverk eller luftisolerat.
Lågspänning, 230-400 V: Valfri systembestyckning så som Cewe, Kabeldon, Fastline eller liknande.
3.2: Mätinstrument
Hur brukar mätningar av styrkan i elektromagnetiska fält ske? Brukligt är att använda tre spolar med mycket hög känslighet, arrangerade så att varje spole är vriden 90° från de andra två. Resultatet då spolarna förs in i ett elektromagnetiskt fält blir en inducerad spänning och ström (i enlighet med Faradays induktionslag), varigenom den magnetiska flödestätheten B (µT) kan fastställas.
Efter att berörda parter haft en genomgång av tillgängliga instrument införskaffades TES-1393 ”Triaxial ELF Magnetic Field Meter”. Mätinstrumentet uppfylla de krav, normer och standardiseringar för att mätresultatet skulle få trovärdighet:
Noggrannhet som sämst ±5 % @50 Hz, men i huvudsak ±3 % @50 Hz.
Kan redovisa mätvärden i µT med tre decimalers noggrannhet i området 0,001≤µT≤299,9 antingen uppdelat i separata vektorer XYZ eller som ett kompositsubstitut, eller en vektorsumma, av XYZ.
Bandbredd på 30 till 2000 Hz.
God batteritid (100 timmar).
Uppfyller alla nödvändiga CE-standarder.
Kan lagra upp till och med 999 mätvärden automatiskt, med en övre gräns på 2000 mätvärden (manuell registrering).
Instrumentet är behäftat med en nackdel: instrumentet inte bör användas i en miljö med relativ luftfuktighet på 80 % eller däröver. I övrigt är instrumentet väl lämpat för
20 arbetet, mycket smidigt att hantera och justerar mätområdet automatiskt för bästa noggrannhet.
3.3: Varierande last att ta i beaktelse samt övriga
påpekanden
Vid genomförandet av mätningarna så ligger stor betydelse i tidpunkten på dygnet då mätningarna genomförs – belastningen på transformatorn, som är del i
kravspecifikationen, beror helt och hållet på de anslutna fastigheternas förbrukning och på så sett de aktiviteter som sker där.
För att säkerställa noggrannheten på alla mätvärden registrerades 3 individuella
mätvärden, spridda under cirka 10-12 sekunder, varpå ett medelvärde av dessa 3 fördes in i tabellerna. Detta säkerställer att inte enstaka speciella tillfällen (övertoner et cetera) tillåts att i väsentlig utsträckning påverka mätresultaten, men det påför också
mätvärdena ett visst mått av mätfel – alla mätvärdena i tabellerna måste anses ha 5 % tolerans mot det exakta värdet och om termen ”Försummas” står i en ruta innebär det att fältstyrkan är B≤0,1 µT.
3.4: Beskrivning av mätplattformen i bild och text
Det är fördelaktigt att ytterligare förklara, i större detalj, mätplattformen i både bild och text för att underlätta för dem som läser rapporten att ta till sig innehållet. Nedan finns fyra sprängskisser över mätplattformen, den första och tredje sedd ovanifrån
mätobjektet och den andra och fjärde ifrån sidan. Observera att de angivna intervallen mellan mätpunkterna och antalet kolumner inte är helt korrekt – det korrekta antalet redovisas i tabellerna för respektive mätobjekt.
Samtliga bilder är framtagna och infogade i kravspecifikationen, som berörd part ur näringslivet framlagt vid arbetets inledande tid. Detaljrikedomen är mycket god, jämfört med andra tänkbara alternativ, varför dessa med fördel infogats i rapporten.
21 Bild 3.3-1: Mätplattformen (hög belastning) sedd ovanifrån.
Bild 3.3-2: Mätplattformen (hög belastning) sedd från markplan.
22 Bild 3.3-3: Mätplattformen (låg belastning) sedd ovanifrån.
Bild 3.3-4: Mätplattformen (låg belastning) sedd från markplan
Rapportförfattaren har valt att använda sig av ett koordinatsystem som anger avståndet mellan mätpunkter (främst i kolumnled) som tar hänsyn till att mätobjektens storlek varierar. Undertecknad har haft som målsättning att finna en lämplig balans med en tillräckligt god upplösning (tillräckligt många mätpunkter) så att en god översikt över strålbilden erhålls och vägt detta mot den tid det tar i anspråk.
23 Angående långsidan (Hsp. – Trafo – Lsp. Alt. Lsp. – Trafo – Hsp.) så har undertecknad, efter lite experimenterande med upplösningen på mätobjekt #1, valt att bestämma antalet kolumner till k = 6. Högspänningssidans k bestämdes till k = 5 och
lågspänningssidan till k = 7.
Det är undertecknads uppfattning att den del av mätningarna som kan vara svårast att intuitivt begripa utifrån tabellerna är mätvärdena registrerade över
transformatorstationernas tak: Mätpunkterna omfattar två koordinater i form av (H:B) som anger mätpunktens position relativ till längden på konstruktionens fasader.
Undertecknad har valt att godtyckligt ange kolumnindexet för ”B” som ”1” för mätpunkterna närmast lågspänningssidan och kolumnindex ”5” för mätpunkterna närmast högspänningssidan (mätobjekt #4 är ett specialfall, där index ”1” är
transformatorfasaden och ”5” är dörrfasaden). Motsvarande följer kolumnindexet för
”H” lågspänningssidans indexeringsorientering med ”1” där lågspänningssidans ”1”
finns och i fallet med takmätvärdena ”3” istället för korresponderande ”7”.
Om texten är svårförståelig, eller något är oklart vad det gäller mätpunkterna över taket, så ses nedan en skiss, ritad av F. Strömberg, över hur mätpunkterna är placerade:
24
4: Redovisning av mätningarna
4.1: Dokumentation och mätvillkor
Mätobjekt #1, #2 och #3 är utomhusbetjänade plåtstationer, belägna i industrimiljö. De är i alla avseenden lika till belastning, innehåll och layout så när som på följande
punkter:
#1 är utrustad med ett kompaktställverk, #2 med gasisolerat ställverk och #3 med ett luftisolerat ställverk.
#1 och #2 har ett skensystem med 100 mm avstånd centrum till centrum och skensystemet på #3 har avståndet 185 mm.
#2 har något färre grupper monterade än #1 och #3 – 8 trefasgrupper (2 st 160 A, 6 st 400 A) kontra 10 (2 st 160 A, 8 st 400 A), respektive 8 (8 st 160 A).
I samtliga stationer förelåg hög last från 0730-tiden fram till 19-tiden, bortsett från #3 där låg last inträffade någon gång kring 0030-tiden.
I övrigt har stationerna samma transformatorkapacitet, 800 kVA, likvärdig layout (se näst sista bilden i nästa stycke), snarlika belastningar (IL2@#1 ≈ 530 A, IL2@#2 ≈ 490 A, IL2@#3 ≈ 510 A och alla sjönk omkring 43 % vid låg last) och så mycket som möjligt av kablage är förlagt till marknivå eller därunder, undantaget kablarna från transformatorn till samlingsskenan. Längden på dessa kablar är dock mycket, mycket korta jämför med motsvarande kabellängd hos #4 och #5.
Mätobjekt #4 är en inomhusbetjänad betongstation med en annorlunda layout än objekt #1, #2 och #3, vilket ses i allra sista bilden i slutet av nästa avsnitt. Installerat i stationen finns två transformatorer (S=800 kVA) som är inte är driftsatta i duplex:
belastningen på vardera transformator är omkring 500 A, sammantaget IL2@#4(T1&T2) ≈ 2x 512 A, vilket sjunket till omkring 2x180 A kring klockan 06.
Byggnaden är mycket hög (mer än 3 meter till taket) och det har inte varit möjligt att erhålla mätningar vid låg last över taket. Skensystemets avstånd är 100 mm (centrum till centrum) vilket är det samma som #1 och #2, men lågspänningskablaget från
transformatorerna till samlingsskenorna är förlagda i taket på stationen – dessutom är skenan dubbelt så lång jämfört med #1-3 och skensystemet är utformat med möjligheter för sektionering.
25 Notera att mätobjekt #4 inte uppfyller kravspecifikationens första punkt (se avsnitt 3.1).
Dessutom är mätobjekt #4 behäftad med en omfattande skillnad i layout mot objekt #1- 3 – detta ska senare (avsnitt 6) visa sig medföra vissa bekymmer då resultatet av arbetet ska klarläggas.
4.2: Dokumentering via bilder
Ovan till vänster ses en bild på det kompaktställverk (vakuumisolerat) som fanns installerat i mätobjekt #1 och till höger i bild det gasisolerade ställverk som fanns installerat på mätobjekt #2. Observera alla varningsdekaler (4!) och att ställverket saknar den skyddsjordning av höljet som syns på bilden till höger. Det finns i ställverken tre fack: Till vänster ansluts inkommande kablar, i mitten utgående kablar och från facket till höger går kablarna till transformatorns högspänningssida.
26 Nedan syns facken (3 st, t.v. i bild) på ställverket tillhörande mätobjekt #3, som är av luftisolerad variant, samt närbild på ställverkets lastfrånskiljare (t.h.).
Ovan syns i bild lågspänningssidans samlingsskena (objekt #1). De orangea
plastkåporna är säkringslastfrånskiljare, som var och en innehåller knivsäkringarna (3) för en 3-fasanslutning. Bakom den mörkgrå plastkåpan (IP20-skydd) finns de tre
samlingsskenorna (1 skena/fas), samt kopparskenan nedanför som är
skyddsjordsskenan (PEN). De två smala orangea plastkåporna (längst t.v. i bild) är avsäkrade med 160 A knivsäkringar (knivsäkringsstorlek 00) och den bredare modellen är avsäkrade med 400 A (knivsäkringsstorlek 2).
27 Ovan ses i bild transformatorn på 800 kVA installerad i mätobjekt #2. Från höger sida i bild kommer högspänningskablarna från ställverket och till vänster på väggen sitter anslutningen till lågspänningsdelens samlingsskenor. Inringad nere t.v. i bild ses
jordningen för transformatorhöljet. Notera att anslutningarna överst t.v. har en drastiskt mindre tvärsnittsarea än kablarna överst t.h.
Anledningen till denna konstruktion är att efter nedtransformeringen ökar
strömstyrkan enormt, vilket kräver kablage dimensionerat för en högre strömtäthet (krävs större tvärsnittsarea).
28 Ovan ses en närbild på anslutningen mellan transformatorn i mätobjekt #2 och lågspänningssidan. Den inringade (rött) svarta ”klumpen” är en strömtransformator, som på lågspänningssidan visar strömuttaget på fasen L2. Denna funktion återfinns på alla mätobjekt liksom de sfäriska, metallfärgade kulorna vid kopparskenorna (gul inringning) är kulförsedda kopplingsbultar, en extrafunktion som utöver att säkra förbindelsen också brukas för att jorda lågspänningssidan, exempelvis vid byte av transformator i stationen.
Ovan i bild ses den anmärkningsvärt annorlunda kabelförläggningen i mätobjekt #4, jämfört med förläggningen i #1-3. Kablarna är förlagda uppe på väggen istället för som hos #1-3, i stort sett vid eller under markplan. Jämfört med markplan stationen står på ligger dessa kablar cirka 2,5 m upp i luften.
29 Nedan ses anslutningen där lågspännningskablaget från T2 i mätobjekt #4 är monterade på plattstavarna av koppar (förtenningen börjar inte förens längre ned i ställverket), som leder till den gemensamma samlingsskenan och de trefasiga serviceanslutningarna.
Nedan syns skillnaden i layouten mellan #1-3 (överst) och #4 (nederst). Samtliga fotografier (ovan, från dokumenteringen av mätobjekten) och nedanstående bilder i detta avsnitt är tagna av rapportförfattaren.
HSP
LSP
TRAFO
TRAFO LSP
HSP
30
5: Resultat
7:e bilagan hyser tabeller över de sammanställda mätresultaten, som genomförts enligt mätplanen i avsnitt 3. 8:e bilagan innehåller en sammanfattning av mätningarna i grafer, som jämför de olika mätobjekten inbördes – vilket syftar till att underlätta översikten och förstålelsen av det producerade materialet avsevärt. Gemensamt för graferna är att samtliga är framtagna som följer: Fältstyrkan B i µT utgör Y-axeln och avståndet till objektet i m utgör X-axeln. Till höger i varje diagram ses en liten förklaringsbild som påvisar egenskaperna varje graf är behäftad med och diagramrubriken innehåller en förklaring över vad diagrammet visar.
Nedan finns ett antal grafer, varigenom ett antal intressanta samband framhävs och slutsatser under 6:e huvudrubriken beläggs.
I grafen ovan ses de fyra mätobjektens strålning (medelstrålvärdet av 1≤k≤7) vid olika avstånd från stationens fasad. Speciellt intressant i sammanhanget är skillnaden mellan
#1 och #2, kontra #3 och #4. Eftersom strömuttaget på #1-3 är ungefär detsamma och uttaget på #4 är ungefär det dubbla, så avviker strålningen kring #3 i särskild
bemärkelse.
Den parameter som utmärker sig i sammanhanget är centrumavståndet på samlingsskenorna: centrumavståndet på #1, #2 och #4 är 100 mm, medan centrumavståndet på #3 är 185 mm. Mätningarna påvisar att 85 mm skillnad i centrumavstånd motsvarar omkring det dubbla strömuttaget.
Bulan för #1 mellan 0,75 och 1,5 m avstånd kommer med allra största sannolikhet från lågspänningskablage förlagt under mark i gatan och räknas således är således en extern faktor.
0 5 10 15 20 25
0 0,25 0,5 0,75 1 1,5 2 3
Avstånd (m)
B@#1-4 (Lsp, hög last) (Genomsnitt, 1
m höjd)
#1
#2
#3
#4 B (µT)
31 Ovan ses motsvarande graf, då lasten (och strömmen) är låg. Även då lasten är låg, följer strålbilden hos #3 amplituden hos #4 – amplituden på strålningen hos #1 och #2 är också här avsevärt lägre än hos #3 och #4.
Ovan i grafen ses att strålbilden från objekt #1-3 har likvärdig amplitud vid
korresponderande avstånd, medan den elektromagnetiska strålningen från objekt #4 är avsevärt starkare – objektet innehåller två transformatorer som dessutom är placerade närmare fasaden (i princip direktkontakt), än avståndet mellan transformator och fasad i objekt #1-3 (cirka 0,8 m).
0 5 10 15 20 25 30 35
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Avstånd (m)
B@#1-4 (Lsp, låg last) (Center, 1 m
höjd)
#1
#2
#3
#4 B (µT)
0 5 10 15 20
0 0,25 0,5 0,75 1 1,5 2 2,5
Avstånd (m)
B@#1-4 (Trafosida, hög last)
(Genomsnitt, 1 m höjd)
#1
#2
#3
#4 B (µT)
32 Motsvarande sammanställning som för graferna ovan – här märks en signifikant amplitudskillnad mellan #1-3 och #4, även om strålningen vid #3 är förhöjd jämfört med #1-2. Bulan mellan 1 och 2 m avstånd beror förmodligen också (likt
lågspänningssidans graf ovan) på lågspänningskablage förlagt i marken.
0 1 2 3 4 5 6 7
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Avstånd (m)
B@#1-4 (Hsp, hög last) (Genomsnitt,
1 m höjd)
#1
#2
#3
#4 B (µT)
33
6: Analys/diskussion
Under det här avsnittet i rapporten behandlas de formulerade frågeställningarna från första avsnittet på bredden och djupet utifrån kunskaper och erfarenheter som erhållits under mät- och dokumentationsarbetet.
Frågeställning 1: Hur ser den elektromagnetiska strålningen generellt ut kring transformatorstationer?
Vid mätningar av strålbilden ikring transformatorstationer #1-3 (utomhusbetjänade plåtstationer med layout enl. bilden i slutet av avsnitt 4.2) så är mätvärdena kring dessa konsekvent på en nivå långt under referensvärdet 100 µT, även om stationerna
sammantaget alstrar elektromagnetisk strålning avsevärt högre än
bakgrundsstrålningen 0,1 µT (enl. Socialstyrelsen och Strålsäkerhetsmyndigheten).
Denna strålning avtar dock extremt snabbt med avståndet till stationen, varför
vardagliga hushållsapparater kan, på likvärdigt eller mindre avstånd, ge upphov till ett starkare fält än vad mätobjekten gör.
Erfarenheterna från arbetet antyder att det inte är så mycket materialet, plåt kontra betong, i sig som gör att strålningen hos objekt #1-3 är mindre än exempelvis den från mätobjekt #4, utan i huvudsak layouten och den påföljande kabellängden som i
huvudsak avgör strålnivåerna. Exempelvis så identifierades en ”hot-spot” på #4, där kablaget från transformatorn anslöts till samlingsskenornas plattstänger av koppar, på mer än 277 µT – något jämförbart värde har inte identifierats hos #1-3. Längden på kablarna från transformatorn till samlingsskenorna samt centrumavståndet på skensystemet verkar också vara en starkt avgörande faktor för hur stort det alstrade magnetfältet kring transformatorstationerna blir i drift.
De konkreta råd som finns att få ifrån diverse kurslitteratur, myndigheters
rekommendationer och samlade erfarenheter från fältarbetet (d.v.s. identifikation av hur man inte bör gå till väga) för framtida installationer sammanfattas som:
1 Den enskilt enklaste åtgärden för att minska allmänhetens exponering för elektromagnetisk strålning är att orientera stationen vid installation, så att lågspänningssidan är vänd i den riktning som medför minsta möjliga långvariga exponering.
2 Välj rätt layout – minst kabellängd från transformatorns lågspänningssida till samlingsskenorna, placera transformatorn i mitten och dra de interna kablarna om möjligt längs marken, eller om möjligt under marknivå. De utomhusservade
plåtstationerna har i detta avseende visat sig vara överlägsna de inomhusservade betongstationerna (lågspänningskablarna är förlagda uppe i taket) och skillnaderna i
34 strålstyrkor för de olika sidorna hos jämförelsevis mätobjekt #1 och #4 tyder på att layouten har större betydelse än materialvalet plåt kontra betong, även om inga entydiga belägg för detta finns i materialet som producerats i samband med rapporten.
3 Kablage mellan transformatorstation och konsument ska vara av femledarsort (3F+N+PE), en konfiguration som minimerar det alstrade magnetfältet från ledarsystemet (källa: Elsäkerhetsverket). Allt kablage i stationen – inkommande, utgående så väl som internt, bör förläggas så lågt i höjd som möjligt (gärna i höjd med markplan eller där inunder, samt så kort som möjligt).
4 Serviceanslutningar bör skruvas (enligt avsnitt 2.7.2) så långt som det är fysiskt möjligt och inte som på de undersökta stationerna #1-5 – skruvningen upphör i marknivå. En eventuell nydesign av fästanordningen, placerad längre upp mot samlingsskenorna och mycket nära de monterade grupperna, kanske kan medge att kablaget skruvas längre varigenom magnetfältet minskas?
5 Centrumavståndet mellan samlingsskenorna bör vara minsta möjliga, vilket påvisas av strålstyrkorna hos mätobjekt #1 och #3, som har centrumavstånd 100 mm respektive 185 mm. På marknaden finns ett annat fabrikat än de som fanns med i mätserien med centrumavståndet 85 mm, vilket hade varit önskvärt att inkludera i mätningarna. Av erfarenheterna från arbetet med rapporten och hos berörda parter torde detta skensystem haft överlägset minst strålbild, varför detta och snarlika skensystem med mycket litet centrumavstånd rekommenderas med avseende på minskad elektromagnetisk strålstyrka kring lågspänningsdelar i
transformatorstationer.
6 Isoleringen på alla kablar bör lämnad intakt så långt som möjligt och delar utan isolering bör undvikas i görligaste mån eller försöka dimensioneras så små som möjligt. Exempelvis bilden i avsnitt 4.2, där exponerade plattstänger i koppar är synliga, bör således undvikas (detta orsakade en ”hot spot” med B>277 µT). Om några kablar kan komma att behöva skärmning med exempelvis en kabelfläta av µ- metall, så är det kablarna från transformatorn till systemet med samlingsskenorna.
7 Om åtgärderna ovan inte räcker, är det en bra idé att försöka skärma av stationen:
Följ rekommendationerna i avsnitt 2.7(.4) och överväg att i första hand skärma berörd del med ett antal lager transformatorplåt separerad av luftspalter. Endast om en mycket kraftig skrämning eftersöks, kan µ-metall komma i fråga (metoden är extremt dyr, materialet besvärlig att bearbeta och mycket känslig mot mekanisk påverkan).
8 Om strålningen i en specifik punkt (exempelvis inne i ett äldreboende, en skola eller en flerfamiljsbostad) måste minskas och ingen metod är möjlig att genomföra eller fungerar, bör stationen i sista hand flyttas till ny plats.
Erfarenheter från arbetet har påvisat att magnetfälten svagt, men märkbart, ansamlas i skarpa böjar på höljet (sadeltaket på #1 och #2, dörrkanter samt de yttre hörnen på byggnaden). I framtida utformningar av nytillskott till sortimentet bör skarpa böjar undvikas där det är möjligt till förmån för rundade böjar om detta upplevs som problem.
35 De formulerade rekommendationerna ovan (punkt 1 till 8) bekräftas av mätobjekt #4, vilket kan tas för ett klockrent exempel på hur installationen av en transformatorstation för lokaldistribution av elkraft inte bör göras.
Frågeställning 2: Föreligger det, i mätobjektens omedelbara närhet, någon risk för allmänhetens hälsa (kortvarigt eller långvarigt)?
Kortvarigt finns definitivt inte någon risk – strålstyrkorna kan inte på något sätt orsaka allvarlig biologisk påverkan på människor och djur. Allmänhetens oro, som massmedia periodvis rapporterar om, är dock ofta knuten till långvarig och lågintensiv exponering:
den medicinska forskningen på området är ofullständig, för att inte säga i det närmsta obefintlig, så kan rapportförfattaren inte uttala sig i denna fråga. Det enda belägg som finns f.n. är ett fall av barnleukemi vartannat år, vilket motsvarar strax över 6 ‰ av samtliga fall av sjukdomen på två år, men forskningen är mycket ofullständig på området.
Ett annat återkommande tema relevant för frågeställningen är elöverkänslighet – utifrån forskningsläget Socialstyrelsen redovisat finns det f.n. ingen korrelation mellan
elektromagnetiska fält av vare sig radiofrekvent eller kraftfrekvent natur och de bekymmer som upplevs av dem som anser sig vara elöverkänsliga. Idag är
elöverkänslighet kategoriserat som en psykosomatisk åkomma (i huvudsak en psykisk åkomma med möjlig fysisk anknytning) och besvären är erkända av WHO, trots att de biologiska funktionerna som orsakar både elöverkänslighet, barnleukemin och andra bekymmer inte är kartlagda över huvud taget.
Frågeställning 3: Går det att framställa en ”generell” visuell sammanfattning av en genomsnittlig station och hur ska detta göras för att representationen ska
överrensstämma med verkligheten och vara representativ?
Underlaget från mätningarna har tillräckligt stor upplösning och detaljrikedom för att en mängd grafiska sammanfattningar ska kunna framställas på materialet. Mest
representativ är mätobjekt #1, då samlingsskenan är ganska jämnt belastad (nästan hela skensystemet är fylld med grupper, #2 är ojämnt belastad och #3 har ett olämpligt skensystem) och detaljupplösningen är högst.
För att framställa en generaliserad bild som tar hänsyn till diverse avvikelser kan exempelvis fältstyrkorna hos mätobjekt #1-3 slås ihop och ett medelvärde för varje punkt tas, varpå grafen plottas och kurvan approximeras.
Relevanta grafer som framställs återfinns under 5:e avsnittet i rapporten, samt i tillhörande bilaga längst bak i rapporten.
36 Frågeställning 4: Hur stor är skillnaden i alstrad elektromagnetisk strålning mellan en genomsnittligt högsta och lägsta belastning på stationen?
Det finns en signifikant skillnad i strålskillnad mellan hög och låg belastning, vilket främst märks på lågspänningssidan och kring transformatorn, om än i mindre
utsträckning. Riktigt signifikant skillnad i styrka finns över stationstaket på exempelvis mätobjekt #3 (se relevant avsnitt i tabell- och grafsamlingen i slutet av rapporten).
Frågeställning 5: Tidigare examensarbete, genomfört i samarbete med en berörd samarbetspartner i näringslivet av studenter vid Borås Tekniska Högskola, påvisades belägg för att samlingsskenorna bör belastas så jämnt som möjligt för att reducera det elektromagnetiska fält som alstras av samlingsskenan. Om möjligt så skall två samlingsskenor, varav den ena är mycket jämnt belastad och den andra mycket ojämnt belastad, ingå i mätserien och mätresultaten skall jämföras för att ytterligare belägga tidigare slutsatser. Hur mycket skiljer det?
Mätningarna som genomförts i samband med den här rapporten påvisar inte fenomenet som tidigare observerats: Fältstyrkorna är konsekvent starkare vid mätobjekt #1 än #2.
Det kan dock vara som så att detta beror på skiljande strömuttag i olika grupper och således kan ingen definitiv slutsats dras eller beläggas med materialet på hand.
Frågeställning 6: Blir den elektromagnetiska strålningen mindre om en specifik transformatorkapacitet delas upp på två transformatorer med vardera halva kapaciteten hos den första? Om möjlighet finns skall ett mätobjekt i mätserien innehålla dubbla transformatorer, vars kapacitet motsvarar hälften av de stationerna som har en ensam transformator.
Tyvärr så innehöll mätobjektet #4 (dubbla transformatorer) två transformator på 800 kVA vardera, varför frågeställningen ovan inte kan besvaras med materialet som producerats i det här examensarbetet.
