Modelování magnetického pole v okolí podzemního vysokonapěťového kabelu

Transkript

1 Modelování magnetického pole v okolí podzemního vysokonapěťového kabelu Jarmil Mička Anotace: V článku je prezentováno měření nízkofrekvenčního elektromagnetického pole - velikost magnetické indukce emitovaná vysokonapěťovým podzemním stíněným vedením 110kV/50Hz. Zároveň je prezentován 2D-model tohoto vedení v programu ANSYS. Pro srovnání jsou uvedeny výsledky naměřených i vypočtených hodnot. Annotation: In article is presented the measurement of low frequency electromagnetic field - the magnetic induction emitted from high-voltage underground shielded lines 110kV/50Hz. Simultaneously is presented also the 2D-model of this lines by ANSYS software. The results of measurement and modelling are for comparison in the article

2 1. ÚVOD Elektromagnetická pole (EMP), která mají původ v činnosti člověka, jsou obvykle rozsáhlejší než pole, která jsou běžně přítomna v přírodě. V průběhu minulého století se expozice uměle vytvořeným EMP neustále zvyšovala a souběžně s tím rostl i objem znalostí veřejnosti o možných rizicích spojených s expozicí těmto uměle vytvořeným polím. Předmětem našeho zájmu jsou EMP velmi nízkých frekvencí, která vznikají při výrobě, distribuci a využívání elektřiny. Setkáváme se s nimi tedy v blízkosti vedení vysokého napětí (VN), elektrických kabelů apod. Vzhledem k tomu, že pro ochranu před expozicí člověka EMP jsou zpracována a přijata doporučení, je nutné v kritických oblastech řešit situace citlivěji, tedy použitím moderních technologií. 2. POPIS KABELOVÉHO VEDENÍ VN Pro modelování jsem vybral kabelové vedení Siprelec kV (viz obrázek 1 - řez kabelem), který byl v terénu též proměřen a mohou být tedy porovnány výsledky měření i modelování. Na obrázku 2 je fotografie kabelového vedení slabší dimenze, nicméně s obdobnou technologií a obdobným materiálovým složením jednotlivých vrstev. Stíněním je zde olověný plášť. Obr.1 Řez kabelem Siprelec (123) kv celkový průměr 81 mm (popis jednotlivých vrstev od středu k okraji): Měděný vodič průřezu 630 mm 2 (průměr 30,8 mm) 1,5 mm polovodivé vrstvy, 14 mm izolace (polyethylen), 1,5 mm polovodivé vrstvy, hliníkové dráty průměru 1,7 mm, olověný plášť tl. 1,7 mm, vnější plášť tl. 3,5 mm z měkkého polyethylenu. Obr.2 Řez kabelem Fotografie skutečného kabelu. Jedná se podobný kabel v provedení pro přenos 22kV. Obr.3 Způsob uložení kabelů v zemi 1 výstražná fólie 2 betonová dlaždice 3 písek 4 3 x kabel 110 kv 5 zemnící kabel (průměr 80 mm) 6 optokabel (průměr 110 mm) 7 pískové podloží - 2 -

3 Na obrázku 3 je znázorněn způsob, kterým je energetická síť s touto technologií nejčastěji budována, tj. podzemní vedení; minimální hloubka uložení je 1,3m pod povrchem. 3. MĚŘENÍ EMISE Měření bylo prováděno u rozvodny JME v Medlánkách městské části Brna kabel 110kV / 50Hz a sice v 6 výškových hladinách (0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5m nad zemí). Měřený kabel spojuje skrze městkou zástavbu teplárnu a rozvodnu v Medlánkách v délce cca 4km. K měření byl použit analyzátor elektrických a magnetických polí EFA 300. Níže uvedené výsledky měření (viz graf1) jsou zpracovány v efektivních hodnotách, tedy v hodnotách, pro které jsou definovány hygienické normy. Graf 1) Naměřená velikost magnetické indukce pole podzemního kabelu 110 kv v závislosti na výšce a vzdálenosti od vedení. 4. MODEL KABELU Geometrie a uložení kabelů vytvořeného 2D-modelu odpovídá výše uvedeným řezům projektové dokumentace (viz obr. 1 a 3) a je třeba podotknout, že model byl zjednodušen pro jeho snadnější vytvoření. Na obrázku 4 je celý model o průměru 10m. Horní půlkruh je vzduchové okolí, spodní zem. Na obrázku je možné vidět zahuštění sítě směrem ke zdroji a pozorované (měřené) oblasti. V okolí kabelu a oblasti, kde probíhalo měření, je mapovaná síť. V pro nás méně zajímavém okolí a místech, kde nebylo možné použít mapovanou síť, je síť volná. Na obrázku 5 je vidět detail upřesňující jakým způsobem byly v modelu zjednodušeny kabely. Z důvodu možné singularity a nepřesnosti výpočtu je síť v okolí vodičů pečlivě zahuštěna

4 Obr 4) Celý model konečnoprvková síť Obr 5) Zjednodušení modelu kabelu Na obrázcích jsou materiály barevně odlišeny. Pro jednotlivé materiály byly zadány materiálové vlastnosti potřebné pro řešení magnetického pole. U vodičů byla definována magnetická permeabilita a elektrická vodivost. Elektrická vodivost stejně jako definice stupně volnosti AZ VOLT je zde nutná pro výpočet ztrát vířivými proudy. U vzduchového okolí a zemského povrchu stačilo definovat jen magnetickou permeabilitu. Jednotlivými vodiči protéká proud 170 A s fázovým posuvem

5 5. VÝSLEDKY VÝPOČTU V modelu byl použit typ elementu 53 a byla provedena střídavá magnetická analýza. ANSYS počítá metodou konečných prvků pouze magnetický potenciál nebo tok. Vzhledem k tomu, že se jedná o střídavou analýzu pro počítanou frekvenci 50 Hz, počítá ANSYS zvlášť reálnou a imaginární složku celkové komplexní veličiny. Na obrázku 6 je zobrazen detail reálné složky výpočtu magnetického potenciálu oblasti uložení kabelů. Obr 6) Zobrazení detailu reálná složka magnetického potenciálu Graf 2) Vypočtená velikost magnetické indukce v závislosti na výšce a vzdálenosti od zdroje mg.pole

6 Vypočtené hodnoty magnetické indukce v cestách odpovídajících měřeným výškám byly v ANSYSU uloženy do vektorů, vyexportovány do textového souboru a zpracovány v Excelu. Průběhy celkové magnetické indukce v jednotlivých výškách jsou zobrazeny v grafu 2 (pozn.: pro jednodušší rozlišení hladin - v odstínech šedi - lze v tomto případě zobecnit, že nižší hladina odpovídá vyšší magnetické indukci). Z hodnot v grafech jsou patrné rozdílné výsledky výpočtu a měření. Záměrně bylo modelováno vedení, které bylo dříve proměřeno, aby bylo možné tyto výsledky porovnat. Model je v této fázi dále laděn a současnou snahou je rozdělit faktory projevující se v něm na faktory se zásadním vlivem a vlivem zanedbatelným. Rozdíl mezi naměřenými daty a numerickým výpočtem modelu může být způsoben vzdáleností infinitního prvku, zanedbáním některých parametrů reálného prostředí, zjednodušením modelu (doposud například nebylo uvažováno zemnění stínění)