بررسي امواج الكترومغناطيس در اطراف سيمهاي برق فشار قوي و تاثيرات آن
فهرست مطالب
چكيده 6
مقدمه 8
فصل اول 9
امواج الكترومغناطيسي] 1[ 9
ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي 10
امواج متحرك روي يك خط انتقال]3[ 11
امواج و فوتونها WAVE AND DHOTOS ]1[ 12
خواص عمومي پرتوهاي الكترو مغناطيسي 13
فصل دوم 16
ثابتهاي خطوط انتقال ]5[ 16
جنس هادي و ساختمان آن 16
مقاومت خط 16
ضريب القاء خط ]5[ و ]7[ 18
خطوط سه فاز 20
هاديها متساوي الفاصله 21
فصل سوم 28
محاسبات پارامترهاي انتقال و كابلها قدرت به روش اجزاء محدود 28
چكيده 28
1-مدل رياضي ]8[ 29
شكل 1: خط تك فاز 31
جدول 1: مقايسه روشهاي تحليلي و FEM 32
شكل 3 : خطوط هم پتانسيل مغناطيسي در لحظه Wt=210 33
فصل چهارم 34
تداخل با شبكه‌هاي مخابراتي 34
اساس هارمونيك ها : 35
اثرات الكترو مغناطيسي [5] و [16] 47
شكل 3-4 52
شكل 6-4- حفاظت مدار مخابراتي 57
سویچینگ و روشهای کاهش آن اثرات مخرب تداخل امواج الکترومغناطیسی در منابع تغذیه 58
3-2- نوع سیم كشی 66
3-3- زمین كردن 66
3-5- پرده¬ی فلزی 68
تأثير ميدانهاي الكترومغناطيسي 50هرتز بر جنين تخم‌مرغ، قبل و يا در حين انكوباسيون 70
شرح تحقيق 74
ميدانهاي الكترومغناطيسي ELFو سلامت انسان ]18[ 76
استانداردهاي حدود تابش: ]13[ و ]18[ 77
استانداردهاي حريم خطوط انتقال برق در ايران: ]13[ 78
اندازه‌گيري شدت ميدانهاي ELE 78
روش تحقيقي 78
نحوه انتخاب و گروه‌بندي جامعه تحت مطالعه 81
اثر امواج الكترومغناطيسي در فركانسهاي قدرت بر انسان. 88
مقدمه 88
بررسي پارامترهاي EM در بدن: (15) 89
اثر ميدانهاي مغناطيسي فركانس پائين 93
فصل هشتم 95
بررسي آثار بيولوژيكي، خطوط انتقال و توزيع نيرو و مروري بر حدي حريم مجاز اطراف اين خطوط 95
پديده فيزيكي 96
اثرات بيولوژيك 97
اثرات كرونا در محيط زيست 98
اثرات ميدان مغناطيسي روي موجودات زنده 98
منابع 103
چكيده
مقاله گردآوري شده در مورد بررسي امواج الكترومغناطيسي در اطراف سيمهاي برق فشار قوي و تأثيرات آن: شامل قسمتهاي متنوع امواج و ميدانهاي الكترومغناطيسي، اندازه‌گيري ثابتهاي خط انتقال با استفاده از روشهاي تحليلي و اجزاء محدود، بررسي و تداخل امواج با شبكه‌هاي مخابراتي، راههاي كاهش تداخل، اثرات امواج بر موجودات زنده و سلامتي انسان، بررسي حدود مجاز اطراف سيمهاي فشار قوي و جريم مجاز در ايران و ديگر موارد ميباشد.
از آنجايي كه توسعه روزافزون صنايع و همچنين افزايش استفاده از تجهيزات رفاهي برق در واحدهاي مسكوني، توسعه و گسترش شبكه‌ها و افزايش ميزان توليد را بطور جدي باعث گرديده و گسترش شبكه‌ها انتقال، بوجود آورندة نوعي آلودگي بوده كه به نظر من نقش نامطلوب آن در سلامت و بهداشت فرد و جامعه برتر از آلودگي‌هاي ديگر است.
در اين پروژه سعي شده كه مجموعه‌اي از تحقيقات انجام شده اثرات امواج الكترومغناطيسي در نقاط مختلف جهان را جمع‌آوري شود و تا حدود عملي راههاي پيشگيري و كاهش اثرات بيان گردد.
مقدمه
اهميت و نقش امواج الكترومغناطيسي از قديم‌الايام در زمينه‌هايي چون ارتباطات و مخابرات و رادار موضوعي بوده كه همگان از آن واقف بوده‌اند ولي از آنجايي كه درس ميدانها و امواج يكي از دروس اختصاصي رشته مخابرات بوده كه به عنوان پايه دروس ديگر مهندسي الكترومغناطيسي تلقي ميشود و زمينه تخصصهاي مختلفي را مانند نظريه و تكنيك ميكروويو، آنتن، انتشارات امواج، نظير امواج الكترومغتاطيسي و غيره را فراهم ميسازد.
امروزه نقش ميدان مغناطيسي در جوامع صنعتي بيش از پيش در سلامت و بهداشت فرد و جامعه حائز اهميت ميباشد. با توجه به پيشرفت علم و تكنولوژي و طراحي و ساخت سيستمهاي متعدد در واقع هدف از آنها برداشتن قسمتي از مشكلات بشر بوده است، گرفتاريهاي، بيشتري عارض نسل بشر بوده است.
صدمات نه تنها در تكنولوژي گسترده بلكه حتي در مقياسهاي كوچك- مثل پرتوافكني ايزوتوپهاي دستگاههاي عكاسي كوچك – نيز بوجود آمده‌اند. صدمات وارده را ميتوان به چهار قسمت تقسيم كرد:
1-صدمات اقتصادي
2-صدمات تكنولوژي
3-صدمات جسمي
4-صدمات روحي و رواني
البته خود صدمات روحي و رواني در نهايت منجر به صدمات جسماني ميشود و صدمات جسماني ممكن است در تمام حالات صدمات عصبي را شامل شوند.
فصل اول
امواج الكترومغناطيسي] 1[
اتمهاي يك ماده مي‌توانند بطريق مختلف از محيط اطراف خود انرژي جذب كنند. مثلاً اگر ماده‌اي در معرض تابش حرارت قرار گيرد تمام يا مقداري از انرژي حرارتي كه به ماده ميرسد، توسط اتمهاي آنها جذب ميشود و در نتيجه اتمها به حالت تهييج درمي‌آيند.
هر يك از اتمهاي تهييج شده ممكن است در بازگشت به حال عادي خود، انرژي جذب شده را بصورت پرتوهايي از خود تابش كند، اين پرتوها را پرتوهاي الكترو مغناطيس گويند.
اصطلاح الكترومغناطيسي بدان جهت است كه هر كدام از اين پرتوها همواره با دو ميدان الكتريكي و مغناطيسي كه جهت آنها بر جهت حركت پرتو عمودند، همراه است.
شكل 1- جهت حركت پرتو الكترومغناطيسي و ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي آن
امواج الكترو مغناطيسي داراي طيف يا اسپكتروم وسيعي مي‌باشند كه شامل امواج راديوئي رادار، مادون قرمز، نور مرئي ماوراء بنفش و بالاخره اشعه‌هاي ايكس و گاما ميباشد.
امواج الكترو مغناطيس داراي تعداد خواص مشترك هستند، مثلاً سرعت تمام آنها در خلاء يكسان است. اين سرعت را سرعت سير نور گويند و مقدار آن برابر است با 3108m/s متر بر ثانيه يا 300.000km/s كيلومتر در ثانيه
ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي
بين بارهاي الكتريكي نسبت بهم نيروئي بوجود ميآيد، بطوريكه بارهاي همنام يكديگر را دفع ميكند و بارهاي غير همنام يكديگر را جذب ميكنند و اين شبيه نيروهاي مغناطيسي است، همانطوري كه قواي مغناطيسي از ميدان مغناطيسي حاصل ميشود – قواي جذب و دفع الكتريكي از ميدان الكتريكي سرچشمه مي‌گيرد. وقتي كه جرياني از سيم مي‌گذرد در اطراف سيم خطوط ميدان مغناطيسي كه بشكل دايره‌اي متحدالمركز هستند تشكيل ميگردند. ولي خطوط ميدان الكتريكي بصورت شعايي از سطح سيم بخارج ميروند. ]2[
مقدار فلوي مغناطيسي با افزايش مقدار جريان و شدت ميدان الكتريكي با افزايش مقدار ولتاژ زياد ميشود. بنابراين در ولتاژهاي بالا (اطراف سيمهاي برق فشار قوي) شدت ميدان الكتريكي بيشتر است ولي در فركانس بالا شدت ميدان مغناطيسي بيشتر است.]6[
شكل 2: ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي در اطراف يك سيم
امواج متحرك روي يك خط انتقال]3[
راههاي زيادي براي انتشار امواج وجود دارد. به هر حال قبل از ادامة مطلب، فهم كامل پديدة خط انتقال اساسي است زيرا بسياري از مفاهيم بنيادي مانند ثابت انتشار در شكلهاي پيچيده‌تر از انتقال انرژي نمايان ميشود.
به عنوان نقطه شروعي براي تعميم مطالب، مسئلة كلاسيك خط انتقال را به جاي ديدگاه مداري از ديدگاه ميداني در نظر مي‌گيريم. از نظريه مقدماتي ميدان ميدانيم همانطوري كه در شكل 3 نشان داده شده است، ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي در كنار ولتاژ و جريان خط ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي وجود دارند. همان طور كه به ظاهر ولتاژ و جريان در امتداد خط و در جهت انتشار حركت ميكنند ميدانهاي همراه با آنها نيز، مانند سايه‌اي آنها را دنبال ميكنند.
شكل 3 : امواج متحرك روي يك خط انتقال باز
از آنچه گذشت چون اين موضوع صرفاً يك ديدگاه است ميتوان اين طور فكر كرد كه ميدانهاي ذكر شده جريانها را در سيم القاء ميكنند و نه برعكس، بنابراين از اين ديدگاه مي‌بينيم كه به ظاهر ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي باهم و با يك سرعت در فضا حركت كرده و سيم‌ها صرفاً كار «هدايت» موج را در جهت خاص انجام مي‌دهند.
امواج و فوتونها WAVE AND DHOTOS ]1[
امواج- معمولاً پرتوهاي الكترو مغناطيسي را بصورت امواجي فرض ميكنند كه در فضا حركت كرده و انرژي را با خود از نقطه‌اي به نقطه ديگر حمل ميكنند (شكل 4). اين نوع موج را موج عرضي (Wave Tran sverse) گويند. زيرا امتداد نوسان موج بجهت حركت آن عمود است.
شكل 4 : پارامترهاي يك موج عرضي
يك موج عرضي داراي چهار پارامتر اصلي است اين پارامترها عبارتند از:
1-طول موج (Ware Length): كه آن عبارتند از فاصله يك نقطه با نقطه مشابه به راز
آن
2-فركانس (Freguency): عبارتند از تعداد امواج (سيكلها) كه در يك ثانيه توليد شده: واحد HZ
3-سرعت (Velocity): مسافتي كه امواج در يك ثانيه طي ميكنند V
4-دامنه (Amplitude): فاصله بين نقطه شروع تا مقدار حداكثر آن، آنرا قدرت موج نيز توصيف ميكنند.
طول موج، فركانس و سرعت يك موج با يكديگر ارتباط دارند. زيرا مسافتي را كه امواج در مدت يك ثانيه طي ميكنند، برابر است با تعداد امواج در ثانيه (فركانس) ضربدر طول موج يعني
1)
فوتونها ]1[ و ]4[
اگرچه با نظريه موجي بودن پرتونها الكترو مغناطيسي بعضي از پديده‌هاي تشعشع را ميتوان توضيح داد ولي كاربرد اين فرضيه در بعضي موارد كاملاً رضايت بخش نيست. براي مثال: از فرضيه موجي بودن اينطور استنباط ميشود كه انرژي پرتوهاي الكترو مغناطيس به صورت پيوسته و بدون انقطاع منتشر ميشود. در حالي كه ما ميدانيم اينطور نيست و انرژي بصورت باراني از ذرات كوچك و مستقل از هم بنام فوتون از جسم منتشر ميشود (شكل 59. هر فوتون داراي مقدار معيني انرژي است و اغلب يك فوتون را يك كوانتوم (quantum) انرژي گويند. (نظريه ذره‌اي و موجي بودن پرتوهاي الكترو مغناطيسي). مقدار انرژي يك فوتون (E)، در نظريه ذره‌اي،با فركانس پرتو (V)، از نظر موجي، توسط رابطه زير بهم مربوط ميشوند.
2)E=h
كه در اين رابطه h ضريب ثابت پلانك است.
شكل5 : نظريه ذره‌اي بودن پرتوهاي الكترومغناطيسي
خواص عمومي پرتوهاي الكترو مغناطيسي
1-همه آنها در فضا آزاد (خلاء) داراي سرعتي يكسان هستند.
2-همه پرتوها، انرژي را به شكل كوانتا يا (فوتون) از نقطه‌اي به نقطه ديگر منتقل ميكنند. انرژي (E) يك فوتون بطريق زير با فركانس بستگي دارد. E=h
3-در فضاي آزاد (خلاء) همه به خط مستقيم حركت ميكنند.
ميدانهاي الكترو مغناطيسي در فركانس قدرت ]4[ و ]12[
اگر در يك نقطه مقداري بارالكتريكي مثبت وجود داشته باشد خطوط نيروي ميدان الكتريكي (E) حاصل بطور عمودي از آن خارج ميشوند و بر عكس، و ضمناً ميدانيم كه هر گاه بار الكتريكي حركت كند، جريان داريم كه عبور جريان از سيم هادي در اطراف آن ميدان مغناطيسي بوجود مي‌آورد.
حال اگر در يك سيم جريان متناوب بفرستيم در اطراف آن يك ميدان الكترو منيتيك (H) تشكيل ميشود، كه اين دو ميدان (E) و (H) عمود بر يكديگر بوده و بردار انرژي را ميسازد كه با سرعت نور انتشار مييابد.
P=E.H.sin90
كه در اين حالت خاص
ميدانيم كه ميدان الكتريكي حاصل، مستقيماً با مقدار ولتاژ (بار الكتريكي) و عكس فاصله مربوط است يعني و ميدان مغناطيسي حاصل، با مقدار جريان و عكس فاصله متناسب است و يا ، واحد ميدان الكتريكي V/m (ولت بر متر) و واحد ميدان مغناطيسي A/m (آمپر بر متر) است، لذا واحد دانسيته بردار انرژي (وات بر متر مربع) خواهد بود.
به موجب رابطه ماكس پلانك E=H.f كه در آن h ثابت پلانك و f فركانس و E انرژي است. ميتوان نشان داد كه هرچه فركانس زيادتر باشد انرژي بيشتر است و لذا هرچه طول موج كوچكتر باشد قدرت نفوذ و تخريب آن بيشتر است، اما دانشمندان فركانس 50 تا60 هرتز را فركانس قدرت ناميده‌اند. ]1[
فصل دوم
ثابتهاي خطوط انتقال ]5[
يك خط انتقال هوائي از يك گروه سيم تشكيل شده كه بموازات يكديگر روي دكلها كشيده شده اند و بنابراين هاديها نسبت بيكديگر و بين هر هاري و زمين با هوا عايق ميشوند. هاديها مقاومت معيني بسته به سطح مقطع و جنس آنها دارند و چون ميدان مغناطيسي ناشي از عبور جريان در يك هادي هاديهاي ديگر را قطع ميكند (در برميگيرد – يا تراوش ميكند) هر سيم مقاومت القائي نيز دارد. بعلاوه بين جفت هاديها و بين هر هادي و زمين نيز ظرفيت الكتريكي موجود است. بالاخره عايق‌ها كامل نيستند و در نتيجه جريان نشتي بزمين خواهيم داشت اين اثر را ميتوان بصورت مقاومت نشتي كه بين سيم و زمين قرار مي‌گيرد در نظر گرفت. براي اينكه خط را بتوان بعنوان قسمتي از يك شبكه كامل قدرت قرار داد مقادير فوق بايستي مشخص باشد و در اين فصل محاسبه آنها را خواهيم ديد.
جنس هادي و ساختمان آن
معموليترين نوع هادي مورد استفاده در خطوط انتقال مس و آلومينيوم ميباشد. آلومينيوم با هدايت خوب و وزن كم براي دهنه‌هاي بزرگ مناسب است. عليرغم اينكه ضريب انبساط بالا و مقاومت كششي كمي دارد.
مس يا آلومينيوم را بايد براي دهنه (فاصله بين دو كابل) كوچك بكار برد و براي فشار قوي كه دهنه خط بزرگ ميشود هاديهاي آلومينيوم با هسته فولادي مجهز ميشوند تا استقامت آنها بالا رود.
مقاومت خط
مقاومت اهمي يك هادي يكنواخت بطول L و سطح مقطع a چنين است.
كه Pمقاومت مخصوص بستگي به جنس هادي و درجه حرارت آن دارد. كه براي دو درجه حرارت داريم.
كه ضريب حرارتي مقاومت هادي است و روابط زير را داريم:
و بهمين ترتيب ميتوان ديد:
خواهيم داشت:
در هنگام بكارگيري فرمول بالا لازم است توجه داشته باشيم كه هادي ممكن است افشان باشد بنابراين افزايش مقاومت در مقايسه با هادي يكپارچه با همان سطح مقطع در حدود %1 يا %2 خواهد بود.
افزايش بيشتر در مقاومت ممكن است ناشي از اثر پوسته باشد. وقتي از يك هادي جريان مستقيم عبور ميكند جريان بطور يكنواخت در تمام سطح مقطع توزيع ميشود در حالي كه اگر جريان متناوب عبور كند ميدان مغناطيسي متناوب در اطراف هادي توليد ميشود كه با نفوذ جريان به مركز هادي مخالفت ميكند بطوريكه چگالي جريان در لايه‌هاي خارجي افزايش يافته و در نتيجه در وسط سيم كاهش مييابد. چون افت توان متناسب با I2 است اثر پوسته (توجه شود اثر پوسته نتيجه ميدان مغناطيسي ميباشد) باعث ميشود كه افت مس براي جريان معين افزايش يابد يعني اثر آن مثل اينست كه مقاومت اهمي افزايش يابد. اثر پوسته با ضريب نفوذ و سطح مقطع هادي و فركانس افزايش مييابد (چون ميدان مغناطيسي نيز با افزايش آنها افزايش مييابد). بعلت وابستگي آن به سطح مقطع براي هاديهاي افشان كمتر از هادي يكپارچه است. براي فركانس HZ50 افزايش مقاومت براي هاديهاي يكپارچه تا قطر mm10 قابل صرفنظر كردن است ولي هادي تا قطر mm25 حدود%8 افزايش مييابد. اثر پوست براي آلومينيوم معادل مس است.
