Üç Fazlı Yüksek Gerilim Havai Hatlarının Altındaki Elektromanyetik Alanlara İlişkin Endişeler

Üç Fazlı Yüksek Gerilim Havai Hatlarının Altındaki Elektromanyetik Alanlara İlişkin Endişeler

Elektrik ve Manyetik Alanlar

Son yıllarda cep telefonlarının artan kullanımı ile ilgili olarak, elektromanyetik alanların insanlara olası zararlı etkileri hakkında daha fazla endişe dile getirilmiştir. Havai hatlar hem elektriksel hem de manyetik alanlara neden olur.

Mobil iletişim ve yüksek gerilim hatları için kullanılan antenler ile oluşturulan alanlar arasındaki önemli fark, çalışma frekansıdır. Yüksek gerilim hatlarının alanları 50 Hz veya 60 Hz'lik düşük frekansa sahipken, antenlerden gelen alanlar GHz alanındadır.

Dahası, antenlerin amacı, alanların üretimi ve radyasyonu iken yüksek gerilim hatlarında bu sadece istenmeyen bir yan etkidir.

Yüksek gerilim hattının zemine yakın elektromanyetik alanlarının ne kadar güçlü olduğunu hissetmek için, Şekil 1'de verilen boyutlara sahip yüksek voltajlı bir hat düşünülmektedir.

Simetrik üç fazlı bir sistemi düşündüğümüz için, tekli iletkenlerdeki voltaj her durumda 120 ° 'lik faz kaymasıdır ve iletkenlerdeki gerilimler ve akımlar 50 Hz'lik güç frekansına göre değişir. Bu voltaj ve akım değişimleri elektromanyetik alanları etkiler.

Alan kuvveti, dikkate alınan zaman anına bağlıdır, yani alanlar da dönüşümlüdür.

Şekil 1 - Yüksek gerilim hattının ölçüleri

Şimdi yüksek voltaj hattının hem elektrik hem de manyetik alanını görelim:

1. Elektrik Alanı
2. Manyetik Alan

1. Elektrik Alanı

Yüksek gerilim hattının elektrik alanı, gerilime, kulenin şekline ve iletken hatlarının konfigürasyonuna bağlıdır. Elektriksel alanın analitik hesaplaması çok zordur, çünkü toprak empedansı dâhil edilmelidir.

Bu nedenle,  türevlemeyi terk edip, sadece Şekil 1'de verilen konfigürasyon için bir simülasyonun sonuçlarını sunuyoruz. Şekil 2'de, üç fazın tümünün gerilimlerinin davranışı gösterilmektedir. Şekil 1 ile ilgili olarak:

• u_R(t) sol iletkendeki gerilime,
• u_S(t) orta iletkenlerden birine ve,
• u_T(t) Sağ iletkende birine karşılık gelir.

Şekil 2’de gösterildiği gibi aşağıdaki simülasyonlarda ani zamanlar  t1,t2 ve t3 olarak kabul edilebilir.

Şekil 2 - Her üç fazdaki faz gerilimleri

Elektrik alanlarının ortaya çıkan değerleri kuvvetli bir şekilde voltaja bağımlıdır. Faz-faz voltajları için 110 kV, 220 kV ve 400 kV elektrik alanı (karekök ortalama) dikkate alınmıştır. Elektrik alanı tam olarak toprakta kaybolur çünkü potansiyel sıfırdır.

Şekil l'deki koordinat sistemi ile ilgili olarak, alanların değerleri Şekil 2'de zeminden 2 m uzaklıkta , yani y = 2 m, pozitif ve negatif x yönünde 80 m'ye kadar gösterilir.

Sadece orta iletkenin geriliminin maksimum değerini aldığı veya sıfırdan geçtiği durumlarda, yani sol ve sağ iletkenlerin gerilim değerleri eşit olduğunda, simetrik bir model elde edilir .

Aynı zamanda, alan, bu zaman zarfında ortalama olarak maksimum değeri (t1) veya minimal değeri (t2) kabul eder. Anlık zaman t3, alanın simetrik olmadığı bir örnektir.

Şekil 3 - Zamanında elektrik alanı t1 (üstte), t2 (orta) ve t3 (alt) yeryüzünden 2 m yukarıda (toprak üzerinde 20 m iletken)

Bir karşılaştırma olarak, doğal statik hava alanı yaklaşık 0.1 kV / m'lik bir alan gücü elde eder . Bir fırtına ile bağlantılı olarak, 20 kV / m'ye kadar değerler  mümkündür.

Ayrıca bir evde sürekli olarak farklı cihazlardan elektrik alanlarına maruz kalıyoruz. Elektrikli cihazların etrafında 30 cm'lik bir alan içerisinde 0,5 kV / m'ye kadar alan kuvvetleri ölçülebilir.

İnsan cildi bir güvenlik kalkanı görevi görür ve iletim hatlarının elektrik alanlarının girmemesi için yeterlidir . Binalarda dışarıdan gelen ve 50 Hz ile değişen elektrik alanı en az onda bir oranında azalır.

Yüksek voltaj hatlarının yerden 2 m yükseklikte oluşturduğu elektrik alanlarının değerleri (Şekil 3) bu nedenle diğer kaynaklardan maruz kaldığımızdan çok daha güçlü değildir.

2. Manyetik Alan

Elektrik alanın tersine, manyetik alan, toprak manyetik alanın sadece önemsiz bir şekilde etkilediği için analitik olarak kolayca hesaplanabilir.

Biot-Savart yasasını kullanarak, düz bir akım taşıyan iletken, değeri olan bir manyetik alan oluşturur (formül 1):

Böylece R , alanın hesaplandığı nokta ve iletken arasındaki mesafeyi ve alanın yönünün iletken etrafındaki halkalar için daima teğet olduğunu belirtir.

Bu, üç fazlı bir hat için manyetik alanın hesaplanması için şimdi uygulanabilir. Her iletken için manyetik alanın değeri ve yönü belirlenir. Daha sonra üç fazdan oluşan üç alan vektörü toplanır ve alanın genel değeri hesaplanır.

Düz bir iletkenin alanı sadece iletken ile alanın hesaplandığı nokta arasındaki mesafeye bağlı olduğundan (Formül 1), formülleri türetmek için iki boyutlu bir model kullanabiliriz.

Tek bir iletken için ilişkiler Şekil 4'te verilmiştir.

Şekil 4 - Düz bir çizginin manyetik alanı

Konumdaki manyetik alanın değeri (x_B|h), (Formül 1) ile sonuçlanır:

Böylece, z pozitif yönünde, yani kağıttan dışarı doğru olduğunu varsayıyoruz. Ters yönde negatif olur. Her üç fazın manyetik alanlarını toplamak için, B x ve y koordinatlarına bölünür:

ile:

Bu sonuçta:

Genel alanın hesaplanması, x ve y yönlerindeki tek alanları toplayarak gerçekleştirilir. Bu alan, elektrik alanın yaptığı gibi zamanla değişir.

Şekil 5'te, Şekil 1'deki konfigürasyon için genel alanın rms değerleri ve zeminden 2 m mesafede 1000 A, 700 A ve 500 A faz-faz rms akımları  verilmiştir. (Bu, faz akımlarının bu değerlerin √3'e bölünmesi anlamına gelir.)

Şekil 5 - Zeminden 2 m yükseklikte farklı konumlardaki manyetik alanın RMS değerleri (toprak üzerinde 20 m iletken)

İletken yüksekliğinin sürekli olarak 20 m olduğu varsayılmaktadır . Bir satır sarkması düşünülürse manyetik alan için daha yüksek değerler elde edilir.

Rms aşağıdaki gibi anlık değerler ile hesaplanır:

İletkenin uzak mesafelerindeki manyetik alanın hesaplanması bazı yaklaşımlarla basitleştirilebilir.

Manyetik alanın yönü her zaman iletken etrafındaki daireye teğet olduğu için, genel alanın büyük mesafelerde yeryüzüne az veya çok (dik) olduğu sonucuna varabiliriz (Şekil 6).

Şekil 6 - Büyük mesafelerde manyetik alan

P ile iletken arasındaki mesafenin x yönündeki mesafeye karşılık geldiğini varsayarız, örneğin sol taraftaki iletken için mesafe x + a'ya eşittir .

Faz notasyonunda P'deki manyetik alan şu sonuçlara yol açar:

Yaklaşımı ile:

küçük ε için sonuç:

 Anlık akımların sonuçlarının sıfıra eşit olması koşuluyla:

basit bir formül:

türetilmiştir,  büyük mesafelerdeki manyetik alanın mutlak değeri (Formül 2) :

Bir havai hattın hemen altındaki alanın hesaplanması için (formül 2) kullanılamaz, çünkü iletkenler arasındaki mesafenin, hesaplama noktasına olan mesafenin artık fazla olmadığı varsayımı çok daha küçüktür.

(Formül 2) ile ilgili olarak, alan x = 0'da sonsuz olacaktır, ki bu açıkça doğru değildir . Bununla birlikte, manyetik alanın büyük mesafelerde hesaplanması için formül faydalıdır ve alanın artan mesafeyle kuadratik olarak azalmasını gösterir.

Manyetik alanlar insan cildi tarafından neredeyse hiç sönümlenmemesine rağmen, vücutta sadece küçük akımlara neden olurlar.

Mikserler veya elektrikli ütüler gibi elektrikli ev cihazları, 30 cm'lik bir mesafede 10 µT'ye kadar olan miktarlarda manyetik alanlar üretir . İnsanlarda kalp sorunlarına neden olmak için 50 Hz ve 1 Tesla frekanslarında alternatif alan güçleri gereklidir. Bu, yüksek voltaj hattının altındaki saha gücünün on bin katıdır.

Dünyanın dört bir yanındaki bilim insanlarının yüzlerce araştırma çalışması, yüksek gerilim hatlarından dolayı insana herhangi bir zarar ya da zarar verilemeyeceği sonucuna varmış olsa da, yoğun araştırmalar yapılmaktadır.

Birçok Avrupa ülkesinde, manyetik alan güçlerine ilişkin maksimum sınır değerler, yüksek voltajlı güç hatları tarafından aşılmasına izin verilmeyen otoriteler tarafından belirlenmiştir.

KAYNAK: Elektrical Engineering Portal