بررسی امواج الکترومغناطیس در اطراف سیمهای برق فشار قوی و تاثیرات آن

فهرست مطالب

چکیده ۶

مقدمه ۸

فصل اول ۹

امواج الکترومغناطیسی] ۱[ ۹

میدانهای الکتریکی و مغناطیسی ۱۰

امواج متحرک روی یک خط انتقال]۳[ ۱۱

امواج و فوتونها WAVE AND DHOTOS ]1[ 12

خواص عمومی پرتوهای الکترو مغناطیسی ۱۳

فصل دوم ۱۶

ثابت‌های خطوط انتقال ]۵[ ۱۶

جنس هادی و ساختمان آن ۱۶

مقاومت خط ۱۶

ضریب القاء خط ]۵[ و ]۷[ ۱۸

خطوط سه فاز ۲۰

هادیها متساوی الفاصله ۲۱

فصل سوم ۲۸

محاسبات پارامترهای انتقال و کابلها قدرت به روش اجزاء محدود ۲۸

چکیده ۲۸

۱-مدل ریاضی ]۸[ ۲۹

شکل ۱: خط تک فاز ۳۱

جدول ۱: مقایسه روشهای تحلیلی و FEM 32

شکل ۳ : خطوط هم پتانسیل مغناطیسی در لحظه Wt=210 ۳۳

فصل چهارم ۳۴

تداخل با شبکه‌های مخابراتی ۳۴

اساس هارمونیک ها : ۳۵

اثرات الکترو مغناطیسی [۵] و [۱۶] ۴۷

شکل ۳-۴ ۵۲

شکل ۶-۴- حفاظت مدار مخابراتی ۵۷

سویچینگ و روشهای کاهش آن اثرات مخرب تداخل امواج الکترومغناطیسی در منابع تغذیه ۵۸

۳-۲- نوع سیم کشی ۶۶

۳-۳- زمین کردن ۶۶

۳-۵- پرده¬ی فلزی ۶۸

تأثیر میدانهای الکترومغناطیسی ۵۰هرتز بر جنین تخم‌مرغ، قبل و یا در حین انکوباسیون ۷۰

شرح تحقیق ۷۴

میدانهای الکترومغناطیسی ELFو سلامت انسان ]۱۸[ ۷۶

استانداردهای حدود تابش: ]۱۳[ و ]۱۸[ ۷۷

استانداردهای حریم خطوط انتقال برق در ایران: ]۱۳[ ۷۸

اندازه‌گیری شدت میدانهای ELE 78

روش تحقیقی ۷۸

نحوه انتخاب و گروه‌بندی جامعه تحت مطالعه ۸۱

اثر امواج الکترومغناطیسی در فرکانسهای قدرت بر انسان. ۸۸

مقدمه ۸۸

بررسی پارامترهای EM در بدن: (۱۵) ۸۹

اثر میدانهای مغناطیسی فرکانس پائین ۹۳

فصل هشتم ۹۵

بررسی آثار بیولوژیکی،‌ خطوط انتقال و توزیع نیرو و مروری بر حدی  حریم مجاز اطراف این خطوط ۹۵

پدیده فیزیکی ۹۶

اثرات بیولوژیک ۹۷

اثرات کرونا در محیط زیست ۹۸

اثرات میدان مغناطیسی روی موجودات زنده ۹۸

منابع ۱۰۳

  چکیده

مقاله گردآوری شده در مورد بررسی امواج الکترومغناطیسی در اطراف سیمهای برق فشار قوی و تأثیرات آن: شامل قسمتهای متنوع امواج و میدانهای الکترومغناطیسی، اندازه‌گیری ثابتهای خط انتقال با استفاده از روشهای تحلیلی و اجزاء محدود، بررسی و تداخل امواج با شبکه‌های مخابراتی، راههای کاهش تداخل، اثرات امواج بر موجودات زنده و سلامتی انسان، بررسی حدود مجاز اطراف سیمهای فشار قوی و جریم مجاز در ایران و دیگر موارد می‌باشد.

از آنجایی که توسعه روزافزون صنایع و همچنین افزایش استفاده از تجهیزات رفاهی برق در واحدهای مسکونی، توسعه و گسترش شبکه‌ها و افزایش میزان تولید را بطور جدی باعث گردیده و گسترش شبکه‌ها انتقال، بوجود آورندة نوعی آلودگی بوده که به نظر من نقش نامطلوب آن در سلامت و بهداشت فرد و جامعه برتر از آلودگی‌های دیگر است.

در این پروژه سعی شده که مجموعه‌ای از تحقیقات انجام شده اثرات امواج الکترومغناطیسی در نقاط مختلف جهان را جمع‌آوری شود و تا حدود عملی راههای پیشگیری و کاهش اثرات بیان گردد.

مقدمه

اهمیت و نقش امواج الکترومغناطیسی از قدیم‌الایام در زمینه‌هایی چون ارتباطات و مخابرات و رادار موضوعی بوده که همگان از آن واقف بوده‌اند ولی از آنجایی که درس میدانها و امواج یکی از دروس اختصاصی رشته مخابرات بوده که به عنوان پایه دروس دیگر مهندسی الکترومغناطیسی تلقی می‌شود و زمینه تخصصهای مختلفی را مانند نظریه و تکنیک میکروویو، آنتن، انتشارات امواج، نظیر امواج الکترومغتاطیسی و غیره را فراهم می‌سازد.

امروزه نقش میدان مغناطیسی در جوامع صنعتی بیش از پیش در سلامت و بهداشت فرد و جامعه حائز اهمیت می‌باشد. با توجه به پیشرفت علم و تکنولوژی و طراحی و ساخت سیستمهای متعدد در واقع هدف از آنها برداشتن قسمتی از مشکلات بشر بوده است، گرفتاریهای، بیشتری عارض نسل بشر بوده است.

صدمات نه تنها در تکنولوژی گسترده بلکه حتی در مقیاسهای کوچک- مثل پرتوافکنی ایزوتوپهای دستگاههای عکاسی کوچک – نیز بوجود آمده‌اند. صدمات وارده را می‌‌توان به چهار قسمت تقسیم کرد:

۱-صدمات اقتصادی

۲-صدمات تکنولوژی

۳-صدمات جسمی

۴-صدمات روحی و روانی

البته خود صدمات روحی و روانی در نهایت منجر به صدمات جسمانی می‌شود و صدمات جسمانی ممکن است در تمام حالات صدمات عصبی را شامل شوند.

فصل اول

امواج الکترومغناطیسی] ۱[

اتمهای یک ماده می‌توانند بطریق مختلف از محیط اطراف خود انرژی جذب کنند. مثلاً اگر ماده‌ای در معرض تابش حرارت قرار گیرد تمام یا مقداری از انرژی حرارتی که به ماده میرسد، توسط اتمهای آنها جذب میشود و در نتیجه اتمها به حالت تهییج درمی‌آیند.

هر یک از اتمهای تهییج شده ممکن است در بازگشت به حال عادی خود، انرژی جذب شده را بصورت پرتوهایی از خود تابش کند، این پرتوها را پرتوهای الکترو مغناطیس گویند.

اصطلاح الکترومغناطیسی بدان جهت است که هر کدام از این پرتوها همواره با دو میدان الکتریکی و مغناطیسی که جهت آنها بر جهت حرکت پرتو عمودند، همراه است.

شکل ۱- جهت حرکت پرتو الکترومغناطیسی و میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن

امواج الکترو مغناطیسی دارای طیف یا اسپکتروم وسیعی می‌باشند که شامل امواج رادیوئی رادار، مادون قرمز، نور مرئی ماوراء بنفش و بالاخره اشعه‌های ایکس و گاما میباشد.

امواج الکترو مغناطیس دارای تعداد خواص مشترک هستند، مثلاً سرعت تمام آنها در خلاء یکسان است. این سرعت را سرعت سیر نور گویند و مقدار آن برابر است با ۳۱۰۸m/s متر بر ثانیه یا ۳۰۰٫۰۰۰km/s کیلومتر در ثانیه

میدانهای الکتریکی و مغناطیسی

بین بارهای الکتریکی نسبت بهم نیروئی بوجود میآید، بطوریکه بارهای همنام یکدیگر را دفع می‌کند و بارهای غیر همنام یکدیگر را جذب می‌کنند و این شبیه نیروهای مغناطیسی است، همانطوری که قوای مغناطیسی از میدان مغناطیسی حاصل می‌شود – قوای جذب و دفع الکتریکی از میدان الکتریکی سرچشمه می‌گیرد. وقتی که جریانی از سیم می‌گذرد در اطراف سیم خطوط میدان مغناطیسی که بشکل دایره‌ای متحدالمرکز هستند تشکیل میگردند. ولی خطوط میدان الکتریکی بصورت شعایی از سطح سیم بخارج میروند. ]۲[

مقدار فلوی مغناطیسی با افزایش مقدار جریان و شدت میدان الکتریکی با افزایش مقدار ولتاژ زیاد می‌شود. بنابراین در ولتاژهای بالا (اطراف سیمهای برق فشار قوی) شدت میدان الکتریکی بیشتر است ولی در فرکانس بالا شدت میدان مغناطیسی بیشتر است.]۶[

شکل ۲: میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در اطراف یک سیم

امواج متحرک روی یک خط انتقال]۳[

راههای زیادی برای انتشار امواج وجود دارد. به هر حال قبل از ادامة مطلب، فهم کامل پدیدة خط انتقال اساسی است زیرا بسیاری از مفاهیم بنیادی مانند ثابت انتشار در شکلهای پیچیده‌تر از انتقال انرژی نمایان می‌شود.

به عنوان نقطه شروعی برای تعمیم مطالب، مسئلة کلاسیک خط انتقال را به جای دیدگاه مداری از دیدگاه میدانی در نظر می‌گیریم. از نظریه مقدماتی میدان می‌دانیم همانطوری که در شکل ۳ نشان داده شده است، میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در کنار ولتاژ و جریان خط میدانهای الکتریکی و مغناطیسی وجود دارند. همان طور که به ظاهر ولتاژ و جریان در امتداد خط و در جهت انتشار حرکت می‌کنند میدانهای همراه با آنها نیز، مانند سایه‌ای آنها را دنبال می‌کنند.

شکل ۳ : امواج متحرک روی یک خط انتقال باز

از آنچه گذشت چون این موضوع صرفاً یک دیدگاه است می‌توان این طور فکر کرد که میدانهای ذکر شده جریانها را در سیم القاء می‌کنند و نه برعکس، بنابراین از این دیدگاه می‌بینیم که به ظاهر میدانهای الکتریکی و مغناطیسی باهم و با یک سرعت در فضا حرکت کرده و سیم‌ها صرفاً کار «هدایت» موج را در جهت خاص انجام می‌دهند.

امواج و فوتونها WAVE AND DHOTOS ]1[

امواج- معمولاً پرتوهای الکترو مغناطیسی را بصورت امواجی فرض می‌کنند که در فضا حرکت کرده و انرژی را با خود از نقطه‌ای به نقطه دیگر حمل می‌کنند (شکل ۴). این نوع موج را موج عرضی (Wave Tran sverse) گویند. زیرا امتداد نوسان موج بجهت حرکت آن عمود است.

شکل ۴ : پارامترهای یک موج عرضی

یک موج عرضی دارای چهار پارامتر اصلی است این پارامترها عبارتند از:

۱-طول موج (Ware Length): که آن عبارتند از فاصله یک نقطه با نقطه مشابه به راز

 آن 

۲-فرکانس (Freguency): عبارتند از تعداد امواج (سیکلها) که در یک ثانیه تولید شده: واحد HZ

3-سرعت (Velocity): مسافتی که امواج در یک ثانیه طی میکنند V

4-دامنه (Amplitude): فاصله بین نقطه شروع تا مقدار حداکثر آن، آنرا قدرت موج نیز توصیف می‌کنند.

طول موج، فرکانس و سرعت یک موج با یکدیگر ارتباط دارند. زیرا مسافتی را که امواج در مدت یک ثانیه طی می‌کنند، برابر است با تعداد امواج در ثانیه (فرکانس) ضربدر طول موج یعنی

۱)

فوتونها ]۱[ و ]۴[

اگرچه با نظریه موجی بودن پرتونها الکترو مغناطیسی بعضی از پدیده‌های تشعشع را میتوان توضیح داد ولی کاربرد این فرضیه در بعضی موارد کاملاً رضایت بخش نیست. برای مثال: از فرضیه موجی بودن اینطور استنباط میشود که انرژی پرتوهای الکترو مغناطیس به صورت پیوسته و بدون انقطاع منتشر میشود. در حالی که ما می‌دانیم اینطور نیست و انرژی بصورت بارانی از ذرات کوچک و مستقل از هم بنام فوتون از جسم منتشر میشود (شکل ۵۹٫ هر فوتون دارای مقدار معینی انرژی است و اغلب یک فوتون را یک کوانتوم (quantum) انرژی گویند. (نظریه ذره‌ای و موجی بودن پرتوهای الکترو مغناطیسی). مقدار انرژی یک فوتون (E)، در نظریه ذره‌ای،‌با فرکانس پرتو (V)، از نظر موجی، توسط رابطه زیر بهم مربوط می‌شوند.

۲)E=h

که در این رابطه h ضریب ثابت پلانک است.

شکل۵ : نظریه ذره‌ای بودن پرتوهای الکترومغناطیسی

خواص عمومی پرتوهای الکترو مغناطیسی

۱-همه آنها در فضا آزاد (خلاء) دارای سرعتی یکسان هستند.

۲-همه پرتوها، انرژی را به شکل کوانتا یا (فوتون) از نقطه‌ای به نقطه دیگر منتقل می‌کنند. انرژی (E) یک فوتون بطریق زیر با فرکانس بستگی دارد. E=h

۳-در فضای آزاد (خلاء) همه به خط مستقیم حرکت می‌کنند.

میدانهای الکترو مغناطیسی در فرکانس قدرت ]۴[ و ]۱۲[

اگر در یک نقطه مقداری بارالکتریکی مثبت وجود داشته باشد خطوط نیروی میدان الکتریکی (E) حاصل بطور عمودی از آن خارج می‌شوند و بر عکس، و ضمناً میدانیم که هر گاه بار الکتریکی حرکت کند، جریان داریم که عبور جریان از سیم هادی در اطراف آن میدان مغناطیسی بوجود می‌آورد.

حال اگر در یک سیم جریان متناوب بفرستیم در اطراف آن یک میدان الکترو منیتیک (H) تشکیل می‌شود، که این دو میدان (E) و (H) عمود بر یکدیگر بوده و بردار انرژی را میسازد که با سرعت نور انتشار می‌یابد.

P=E.H.sin90

که در این حالت خاص

می‌دانیم که میدان الکتریکی حاصل،‌ مستقیماً با مقدار ولتاژ (بار الکتریکی) و عکس فاصله مربوط است یعنی   و میدان مغناطیسی حاصل، با مقدار جریان و عکس فاصله متناسب است و یا   ، واحد میدان الکتریکی V/m (ولت بر متر) و واحد میدان مغناطیسی A/m (آمپر بر متر) است، لذا واحد دانسیته بردار انرژی (وات بر متر مربع) خواهد بود.

به موجب رابطه ماکس پلانک E=H.f که در آن h ثابت پلانک و f فرکانس و E انرژی است. میتوان نشان داد که هرچه فرکانس زیادتر باشد انرژی بیشتر است و لذا هرچه طول موج کوچکتر باشد قدرت نفوذ و تخریب آن بیشتر است، اما دانشمندان فرکانس ۵۰ تا۶۰ هرتز را فرکانس قدرت نامیده‌اند. ]۱[

فصل دوم

ثابت‌های خطوط انتقال ]۵[

یک خط انتقال هوائی از یک گروه سیم تشکیل شده که بموازات یکدیگر روی دکلها کشیده شده اند و بنابراین هادیها نسبت بیکدیگر و بین هر هاری و زمین با هوا عایق میشوند. هادیها مقاومت معینی بسته به سطح مقطع و جنس آنها دارند و چون میدان مغناطیسی ناشی از عبور جریان در یک هادی هادیهای دیگر را قطع می‌کند (در برمیگیرد – یا تراوش میکند) هر سیم مقاومت القائی نیز دارد. بعلاوه بین جفت هادیها و بین هر هادی و زمین نیز ظرفیت الکتریکی موجود است. بالاخره عایق‌ها کامل نیستند و در نتیجه جریان نشتی بزمین خواهیم داشت این اثر را میتوان بصورت مقاومت نشتی که بین سیم و زمین قرار می‌گیرد در نظر گرفت. برای اینکه خط را بتوان بعنوان قسمتی از یک شبکه کامل قدرت قرار داد مقادیر فوق بایستی مشخص باشد و در این فصل محاسبه آنها را خواهیم دید.

جنس هادی و ساختمان آن

معمولیترین نوع هادی مورد استفاده در خطوط انتقال مس و آلومینیوم می‌باشد. آلومینیوم با هدایت خوب و وزن کم برای دهنه‌های بزرگ مناسب است. علیرغم اینکه ضریب انبساط بالا و مقاومت کششی کمی دارد.

مس یا آلومینیوم را باید برای دهنه (فاصله بین دو کابل) کوچک بکار برد و برای فشار قوی که دهنه خط بزرگ میشود هادیهای آلومینیوم با هسته فولادی مجهز می‌شوند تا استقامت آنها بالا رود.

مقاومت خط

مقاومت اهمی یک هادی یکنواخت بطول L و سطح مقطع a چنین است.

که Pمقاومت مخصوص بستگی به جنس هادی و درجه حرارت آن دارد. که برای دو درجه حرارت داریم.

که  ضریب حرارتی مقاومت هادی است و روابط زیر را داریم:

 و بهمین ترتیب میتوان دید:

خواهیم داشت:

در هنگام بکارگیری فرمول بالا لازم است توجه داشته باشیم که هادی ممکن است افشان باشد بنابراین افزایش مقاومت در مقایسه با هادی یکپارچه با همان سطح مقطع در حدود %۱ یا %۲ خواهد بود.

افزایش بیشتر در مقاومت ممکن است ناشی از اثر پوسته باشد. وقتی از یک هادی جریان مستقیم عبور میکند جریان بطور یکنواخت در تمام سطح مقطع توزیع می‌شود در حالی که اگر جریان متناوب عبور کند میدان مغناطیسی متناوب در اطراف هادی تولید میشود که با نفوذ جریان به مرکز هادی مخالفت میکند بطوریکه چگالی جریان در لایه‌های خارجی افزایش یافته و در نتیجه در وسط سیم کاهش می‌یابد. چون افت توان متناسب با I2 است اثر پوسته (توجه شود اثر پوسته نتیجه میدان مغناطیسی می‌باشد) باعث میشود که افت مس برای جریان معین افزایش یابد یعنی اثر آن مثل اینست که مقاومت اهمی افزایش یابد. اثر پوسته با ضریب نفوذ و سطح مقطع هادی و فرکانس افزایش مییابد (چون میدان مغناطیسی نیز با افزایش آنها افزایش می‌یابد). بعلت وابستگی آن به سطح مقطع برای هادیهای افشان کمتر از هادی یکپارچه است. برای فرکانس HZ50 افزایش مقاومت برای هادیهای یکپارچه تا قطر mm10 قابل صرفنظر کردن است ولی هادی تا قطر mm25 حدود%۸ افزایش می‌یابد. اثر پوست برای آلومینیوم معادل مس است.