|
STUDIUL COMPATIBILITĂŢII ELECTROMAGNETICE ÎN
SISTEME ELECTRICE
Prof. Drd. Ing. LILIANA CÎMPAN,
Colegiul Tehnic „Iuliu Maniu” Şimleu Silvaniei
Rezumat
Activităţile umane, dar în mod special activitatea industrială, dau naştere la numeroase forme de poluare a mediului înconjurător. Diferite echipamente electrice sau electronice prezente în sistemele electrice pot injecta un curent perturbator în reţeaua de joasă tensiune sau radia câmpuri electromagnetice în mediul înconjurător. Sursele de perturbaţii de origine artificială, produse în mod intenţionat de activităţile umane sunt: emisiile radio, emisiile de televiziune, emisiile radar, radiotelefoanele, emisiile de microunde etc.
Desigur, actualmente, nu se poate concepe viaţa pe Pământ fără energie electrică, deci poluarea electromagnetică a mediului (sol şi atmosferă) există şi va exista.
Instalaţiile aferente sistemelor electrice, precum şi echipamentele electrice şi electronice (consumatorii de energie electrică), prin specificul lor sunt surse de perturbaţii electromagnetice (PEM) pentru sistemele naturale (materie vie) sau industriale (sisteme electrice receptoare de perturbaţii electromagnetice, sisteme electrochimice industriale – cum ar fi structurile metalice care funcţionează în medii electrolitice, structurile din beton armat etc).
Sistemele de tracţiune electrică cu motoare de curent alternativ la tensiune medie (circa 25kV) produc perturbaţii (la frecvenţa de 50 Hz) în liniile de telecomunicaţii din apropiere. Este posibil să apară şi unele defecte inerente pe linia electrică, ca de exemplu scurtcircuite, caz în care curenţii de scurtcircuit intenşi generează câmpuri magnetice puternice care induc t.e.m. de valori mari în instalaţiile tehnologice şi liniile învecinate cu care împart un traseu comun.
Activităţile umane, dar în mod special activitatea industrială, dau naştere la numeroase forme de poluare a mediului înconjurător. Diferite echipamente electrice sau electronice prezente în sistemele electrice pot injecta un curent perturbator în reţeaua de joasă tensiune sau radia câmpuri electromagnetice în mediul înconjurător. Sursele de perturbaţii de origine artificială, produse în mod intenţionat de activităţile umane sunt: emisiile radio, emisiile de televiziune, emisiile radar, radiotelefoanele, emisiile de microunde etc.
Ca exemplu de surse de perturbaţii produse de activitatea umană în mod neintenţionat se pot aminti: echipamente industriale, ştiinţifice, medicale, tracţiunea electrică, aparate electrocasnice, tuburi fluorescente, motoare cu colector. De exemplu în cazul centrelor urbane aglomerate, cu multiple surse de curenţi de dispersie în c.c., care acţionează simultan asupra mai multor construcţii metalice pozate în medii electrolitice (şi care interacţionează galvanic), interferenţele sunt mult mai complexe.
În figura 1, sunt schiţate interferenţele complexe prin curenţi de dispersie, specifice centrelor urbane aglomerate.
Figura 1 Circulaţia curenţilor de dispersie într-un sistem complex, format din metrou, structuri
metalice subterane şi cale de rulare tramvaie: IDt– curenţii de dispersie produşi de tramvaie,
IDm-curenţii de dispersie produşi de metrou.
Din analiza figurii 1 se constată complexitatea deosebită a interacţiunilor galvanice din centrele urbane aglomerate. Astfel, curenţii de dispersie IDT, produşi de tramvaie, se închid atât prin reţelele metalice de distribuţie a utilităţilor urbane (apă, gaze, energie electrică), cât şi prin structurile de rezistenţă din beton armat, aferente construcţiilor edilitare (tunelurile şi galeriile de metrou, fundaţiile clădirilor etc.). Garniturile de metrou sunt alimentate cu energie tot în c.c., iar intensitatea curenţilor de tracţiune este mult mai mare (de cca 10 ori), decât a curenţilor de la tramvaie.
Problematica combaterii poluării electromagnetice în special în centrele urbane aglomerate este interdisciplinară, are conotaţii şi implicaţii deosebit de complexe, ceea ce impune acţiuni concertate între specialiştii din mai multe domenii (construcţii, instalaţii, electroenergetică, inginerie electrică, inginerie chimică etc), din diverse sectoare de activitate (urbanism, proiectare construcţii şi instalaţii, distribuţie de utilităţi urbane, transport electric urban ).
Utilizând softwarul OPERA 2D s-a calculat cu ajutorul unui model numeric simplu 2D, potenţialul magnetic vector (sau curenţii induşi în sol) pentru cazul practic al unui sistem de tracţiune electrică în curent alternativ poziţionat într-un tunel şi s-a obţinut o bună concordanţă cu rezultatele analitice. S-a observat o distribuţie importantă a potenţialului magnetic vector în sol în jurul şinelor (figura 2).
Comparând rezultatele obţinute cu ajutorul calculelor analitice cu cele obţinute utilizând softwarul Opera 2D, se constată o bună concordanţă a acestora.
Figura 2 Distribuţia potenţialului magnetic vector pentru cazul unui sistem de tracţiune electrică în c.a. poziţionat într-un tunel
Din analiza figurii 2 se observă o distribuţie importantă a potenţialului magnetic vector în
sol în jurul şinelor. Considerarea solului ca un domeniu disipativ finit reprezintă o mare greşeală în evaluarea densităţii curentului indus şi a pierderilor de putere.
Este foarte importantă cunoaşterea valorilor exacte ale curenţilor turbionari induşi datorită faptului că aceşti curenţi duc la pierderi suplimentare de putere.
În practică, forma semnalelor electrice perturbatoare, suprapuse proceselor electrochimice naturale, care modifică cinetica acestora şi care contribuie substanţial la accelerarea proceselor de coroziune, este deosebit de complexă. Această complexitate rezultă din:
a) neliniaritatea sistemelor electrice pe lanţul generator / transport-distribuţie / consumator (utilizator);
b) suprapunerea cu semnalele deja deformate, datorită :
Ø semnalelor tranzitorii datorate acţionărilor electrice moderne realizate prin montaje electronice cu dispozitive „corp solid” (tiristoare etc.);
Ø semnalelor de foarte joasă frecvenţă (“curenţi de dispersie în c.c.”) - provenite de la tracţiunea electrică în c.c. şi / sau platforme industriale;
Ø semnalelor de înaltă frecvenţă (radiofrecvenţă) - provenite de la generatoarele industriale, echipamentele de radiocomunicaţii etc.
Spectrul de frecvenţe al acestor semnale perturbatoare este deosebit de larg, respectiv între cca 0,001Hz (corespunzător variaţiilor curenţilor de dispersie produşi de tracţiunea electrică urbană şi platforme industriale cu echipamente alimentate în c.c.) şi până la cca 5GHz (utilizat în
telecomunicaţii terestre).
De remarcat este faptul că, în practică, semnalele electrice perturbatoare, în marea majoritate a cazurilor, sunt nişte semnale compuse, respectiv peste un semnal fundamental (de obicei de 50Hz) provenit din sistemul energetic trifazat se suprapun atât armonicele acestuia (rezultate din neliniaritatea sistemelor de producere, transport, distribuţie şi utilizare a energiei electrice), cât şi tranzienţii datoraţi sistemelor de acţionare electrică (tracţiune electrică), precum şi o serie de semnale de înaltă frecvenţă (provenite de la generatoarele de înaltă frecvenţă industriale, emiţătoarele de radiofrecvenţă aferente sistemelor de radiocomunicaţii etc).
Un caz aparte de poluare electromagnetică, deosebit de frecvent, este reprezentat de curenţii de dispersie în c.a. produşi de liniile de cale ferată electrificată. În această situaţie, curenţii de dispersie apar în sol şi, implicit, trec prin conductele metalice pozate în apropierea căii ferate, atât prin inducţie (între linia de contact şi/sau şina bine izolate faţă de sol), cât şi datorită căderilor de tensiune pe calea de rulare (în special pe tronsoanele unde izolaţia dintre şină şi traversă/sol este deteriorată).
De remarcat este faptul că, datorită intensităţii curenţilor de tracţiune deosebit de mari, precum şi variaţiilor acestora (între zero la staţionarea garniturii şi valoarea foarte mare din timpul demarărilor), atât semnalele induse, cât şi cele datorate căderilor ohmice pe şină pot induce în conductele subterane curenţi de coroziune cu amplitudini mari, deosebit de periculoşi. De asemenea, se remarcă faptul că riscul degradărilor accelerate ale conductelor metalice subterane este sporit în apropierea căilor ferate, unde acţionarea electrică a motoarelor de tracţiune se realizează cu tiristoare (producătoare de regim neliniar).
În practică, deseori, conductele metalice aferente magistralelor de transport gaze naturale şi armăturile metalice ale structurilor din beton armat, sunt expuse simultan atât semnalelor perturbatoare provenite din liniile electrice aeriene, cât şi acelora de la liniile de cale ferată electrificată. O astfel de situaţie este schiţată în figura 3.
Figura 3 Interferenţe electromagnetice în sistemul transport/utilizare energie electrică, sisteme de tracţiune electrice şi reţele metalice subterane: 1 racord şină, I – curentul de tracţiune; U – căderea ohmică de tensiune pe şine; Rş-s-rezistenţă de dispersie şină – sol; Rc-s - rezistenţă de dispersie conductă – sol; Î.T. – staţie de alimentare cu înaltă tensiune
În aceste condiţii, modelarea numerică şi analitică a situaţiilor concrete din teren reprezintă singura metodă viabilă şi eficientă de predicţie a zonelor de risc cu potenţiale periculoase şi de analiză a metodelor eficiente de înlăturare a efectelor negative ale acestora. Trebuiesc elaborate modelele fizico-matematice care pot furniza valori de referinţă pentru măsurătorile specifice în punctele operaţionale, date extrem de utile în urmărirea şi rezolvarea oricărei posibile anomalii în funcţionarea corectă a sistemelor supuse analizei.
Figura 4 Tronson comun. Interferenţe electromagnetice (SPC-sistem de protecţie catodică)
Din aceste puncte de vedere, dezvoltarea de metode specifice de analiză, instrumente dedicate de modelare, precum şi colectarea de informaţii necesare pentru identificarea, modelarea şi predicţia problemelor de interferenţă electromagnetică în c.a., reprezintă în prezent o cerinţă extrem de importantă.
Desigur, actualmente, nu se poate concepe viaţa pe Pământ fără energie electrică, deci poluarea electromagnetică a mediului (sol şi atmosferă) există şi va exista. În scopul diminuării efectelor perturbatoare şi al găsirii celor mai adecvate soluţii tehnice, atât de reducere a amplitudinii semnalelor perturbatoare, cât şi de diminuare / eliminare a impactului asupra proceselor electrochimice din natură (în special, protecţia împotriva coroziunii a structurilor metalice), se impune studiul teoretic şi experimental al impactului poluării electromagnetice asupra cineticii reacţiilor electrochimice – în special a celor de coroziune – care apar la interfaţa sistemelor metal /electrolit.
Bibliografie
1 Hortopan, G., “Principii şi tehnici de Compatibilitate Electromagnetică” Ed. Tehnică, Bucureşti,1998.
2 Schwab, A., “Compatibilitate electromagnetică” Ed. Tehnică, Bucureşti, 1996.
3 Simion, E., “Interferenţa electromagnetică” Casa Cărţii de ştiinţă, Cluj-Napoca, 1999.
|
