Dziś jest poniedziałek, 21 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
11 luty 2015.

Pola elektromagnetyczne generowane przez farmy wiatrowe

Pola elektromagnetyczne generowane przez farmy wiatrowe

Farmy wiatrowe zaliczane są do grupy odnawialnych źródeł energii. Z ich obecnością w środowisku ogólnodostępnym związany jest szereg oddziaływań, które są tematem wielu sporów pomiędzy inwestorem a właścicielami terenów, na których są one posadowione. W artykule przedstawiono jedno z typowych oddziaływań polegające na oddziaływaniu pola elektromagnetycznego generowanego przez linie kablowe średniego napięcia łączące poszczególne turbiny wiatrowe. Stwierdzono, że konfiguracja i sposób ułożenia tych kabli w ziemi ma istotny wpływ na rozkład natężenia pola magnetycznego w miejscach ogólnie dostępnych dla ludności. Analizę tego zjawiska odniesiono do dopuszczalnych wartości pól elektromagnetycznych w środowisku oraz do praktycznych zagadnień związanych z projektowaniem farm wiatrowych.

W wyniku zawarcia międzynarodowych porozumienia przez Polskę powstała konieczność pozyskiwania coraz większej części energii ze źródeł odnawialnych. Wymagania Unii Europejskiej, które Polska ma przed sobą, to produkcja energii odnawialnej na poziomie 15% do 2020 roku. Niestety położenie geograficzne oraz warunki naturalne w naszym kraju czynią wiele inwestycji nieopłacalnymi z ekonomicznego punktu widzenia. Najprostszym i najtańszym rozwiązaniem wydaje się pozyskiwanie energii z siły wiatru, czego konsekwencją jest rosnąca ilość inwestycji w postaci farm wiatrowych. Budowa i związana z tym lokalizacja farm wiatrowych powoduje szereg konfliktów pomiędzy inwestorami a ludnością w zakresie ich oddziaływania na środowisko.

 

Rys. 1. Przykładowy widok turbiny (źródło: Wikipedia, Arne Nordmann)
1. Fundament; 2. Wyjście do sieci elektroenergetycznej; 3. Wieża; 4. Drabinka wejściowa; 5. Serwomechanizm kierunkowania elektrowni; 6. Gondola; 7. Generator; 8. Anemometr; 9. Hamulec postojowy; 10. Skrzynia przekładniowa; 11. Łopata wirnika; 12. Siłownik mechanizmu przestawiania łopat; 13. Piasta

 

Większość nieporozumień bierze się z niewiedzy lub nieprawidłowego interpretowania wyników badań.
Do najbardziej niepokojących oddziaływań farm wiatrowych zalicza się hałas, migotanie cieni i miotanie lodem. 
W artykule zwrócono natomiast uwagę na niedoceniany a nawet wręcz pomijany problem generowania pól magnetycznych o znacznych wartościach przez linie kablowe średniego napięcia łączące poszczególne turbiny wiatrowe.
Dodatkowo przedstawiono sposoby ograniczania tych pól na nowo projektowanych farmach wiatrowych przy niewielkich nakładach finansowych.

Uwarunkowania prawne

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych jest tematem wielu prac i analiz naukowych. Prace te są prowadzone od bardzo dawna. Międzynarodowe organizacje naukowe i organizacje takie jak Światowa Organizacja Zdrowia realizują programy, których celem jest koordynacja prowadzonych na świecie badań, dotyczących oddziaływania tych pól na organizmy ludzkie.
W krajach Unii Europejskiej obowiązuje rekomendacja Rady Europy z dnia 12 lipca 1999 r. w sprawie ograniczania ekspozycji ludności w polach elektromagnetycznych - Council Recommendation of 12 July 1999 on the limitation of exposure of the general public to electromagnetic fields (0 Hz to 300 GHz) [1]. Rekomendacja ta określa maksymalne poziomy dla występowania pól elektromagnetycznych w miejscach, w których mogą przebywać ludzie. Przepisy te zostały sformułowane na podstawie wytycznych ICNIRP (International Commission on Non-lonizing Radiation Protection - Międzynarodowa Komisja do spraw Ochrony przed Promieniowaniem Niejonizującym).
W Polsce proces budowy i wykorzystania farm wiatrowych w aspekcie pól elektromagnetycznych regulują między innymi przepisy ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska (Dz. U. 2001 nr 62 poz. 627, z późniejszymi zmianami) [2], rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz. U. Nr 192, poz. 1883) [3] oraz wymagania ustawy z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (Dz. U. 1994 nr 89 poz. 414, z późn. zm.) [4].
Aktualnie obowiązujące jest rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów [3], w którym określone są następujące wartości dopuszczalne:

  • dla terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową 1 kV/m dla składowej elektrycznej oraz 60 A/m dla składowej magnetycznej,
  • dla terenów ogólnie dostępnych dla ludności 10 kV/m dla składowej elektrycznej oraz 60 A/m dla składowej magnetycznej.

Biorąc pod uwagę powyższe wymagania można stwierdzić, że w przypadku, gdy w otoczeniu konkretnego obiektu będącego źródłem pól elektrycznego i magnetycznego nie ma obszarów, na których występują takie pola o wartościach natężeń wyższych od określonych w ww. rozporządzeniu jako dopuszczalne, to nie ma podstaw do stwierdzenia negatywnego wpływu tych pól na zdrowie ludzi.

Źródła pól elektromagnetycznych występujące na terenie farm wiatrowych

Jednym źródłem pól elektromagnetycznych jest sama siłownia wiatrowa wyposażona w generator umiejscowiony w gondoli na wysokości kilkudziesięciu metrów. Oprócz generatora w gondoli najczęściej znajduje się falownik i transformator podwyższający napięcie. Wytworzone przez siłownię i transformator pola elektryczne i magnetyczne nie są zwykle zbyt wysokie. Urządzenia je generujące znajdują się wewnątrz gondoli i są zamknięte w przestrzeni otoczonej metalowym przewodnikiem o właściwościach ekranujących.
Na rysunku 1 przedstawiono widok umiejscowienia generatora, falownika i transformatora w typowej turbinie wiatrowej.
Konstrukcja generatora i transformatora bazuje na zamknięciu jak największej części strumienia magnetycznego w obwodzie magnetycznym, co powoduje, że strumień, a co za tym idzie i pole, jest niewielkie. Ponadto źródła oddalone są od ziemi o kilkadziesiąt metrów tak, że ich natężenie w pobliżu ziemi będzie wielokrotnie mniejsze od wartości dopuszczalnych. Kable prowadzone w maszcie siłowni są ekranowane metalową konstrukcją masztu, co praktycznie eliminuje składową elektryczną pola, a składowa magnetyczna przez nie generowana nie przekracza wartości dopuszczalnych. Każda siłownia wiatrowa musi przejść szereg badań, aby była dopuszczona do eksploatacji, w tym musi spełnić wymagania dotyczące emitowanego do środowiska pola elektromagnetycznego.
W praktyce jedynym istotnym źródłem pól pozostają linie kablowe średniego napięcia odprowadzające energię z siłowni do podstacji SN/WN. Jest to element najczęściej pomijany przez projektantów farm wiatrowych. Linia kablowa SN nie generuje wprawdzie pola elektrycznego z uwagi na ekranujące działanie żyły powrotnej, ale jest istotnym źródłem pola magnetycznego.
Na rysunku 2 pokazano układ kabli odprowadzających energię z poszczególnych siłowni (wiatraków) w ramach farmy wiatrowej. W sąsiedztwie stacji SN/WN schodzące się kable tworzą "wspólną magistralę", a pole magnetyczne od linii kablowej wzrasta wraz z ilością energii płynącej w poszczególnych kablach.

 

Rys. 2. Schemat układu "wspólnej magistrali" farm wiatrowych

 

W przypadku jednej siłowni o mocy kilku MW, prądy w kablach średniego napięcia łączące turbiny ze stacją SN/WN są niewielkie (rzędu dziesiątek amper). W sytuacji, gdy odprowadzamy moc z kilku, kilkunastu, a czasami nawet kilkudziesięciu siłowni sumaryczny prąd w linii kablowej SN znacznie wzrasta.
Możemy mieć wtedy doczynienia z sumarycznym prądem rzędu wielu setek a nawet tysięcy amperów, a takie wartości prądów mogą wytwarzać pole magnetyczne o natężeniu zdecydowanie przekraczającym wartości dopuszczalne.
Dodatkowym czynnikiem są uwarunkowania ekonomiczno-prawne. Przy planowaniu farm wiatrowych istotniejszym wydają się uzgodnienia dotyczące lokalizacji siłowni i podstacji SN/WN oraz przebiegu tras kablowych, niż czynniki techniczne.
Problemy z wykupem gruntów, zgodą właścicieli i uzyskaniem odpowiednich pozwoleń na inwestycję wymuszają rozwiązania mogące rodzić problemy związane z emisją pól magnetycznych.
Projektanci zmuszeni są niejednokrotnie do łączenia siłowni prowadząc kable, w całości lub części, wzdłuż jednej trasy w układzie liniowym (rys. 2), co sprowadza się do tego, że w jednym wykopie kablowym może być prowadzonych kilka wiązek kablowych obciążonych prądem rzędu kilkuset amperów każda.

Pole magnetyczne w sąsiedztwie linii kablowych

W artykule przedstawiono poniżej w formie wykresów rozkłady pola magnetycznego na wysokości 30 cm nad powierzchnią gruntu (zgodnie z wymogami rozporządzenia [3]) w kilku przypadkach ilustrujących problem pola magnetycznego nad linią kablową.

Na rysunku 3 zamieszczono rozkład pola magnetycznego nad dwutorową linią kablową wyprowadzającą moc z ośmiu siłowni wiatrowych o mocy 2 MW każda. Ze względu na obciążalność kabli każdy tor kablowy wyprowadza moc z dwu siłowni. Przy tak niewielkiej farmie wiatrowej (osiem siłowni po 2 MW) nad linią kablową można się spodziewać wartości natężenia pola magnetycznego wynoszące 20% wartości dopuszczalnej.


Rys. 3. Rozkład pola magnetycznego (30 cm nad ziemią) ponad linią kablową złożoną z dwu torów (poszczególne fazy torów ułożone płasko)

Na rysunku 4 pokazano rozkład pola magnetycznego w sytuacji dużo bardziej niekorzystnej, gdy farma składa się z szesnastu siłowni o mocy 3 MW. Spodziewana maksymalna wartość natężenia pola magnetycznego wynosi prawie 34 A/m, co stanowi niewiele ponad 50% wartości dopuszczalnej.
W przypadku odprowadzania mocy z coraz większej ilości siłowni czy też z siłowni o większych mocach problem będzie się pogłębiał. W praktyce Instytut Energetyki miał okazję opiniować linię kablową, która miała składać się z ośmiu torów. Wytwarzały one wypadkowe pole magnetyczne o natężeniu przekraczającym 75 A/m, czyli przekraczającym wartości dopuszczalne w środowisku.


Rys. 4. Rozkład pola magnetycznego (30 cm nad ziemią) ponad linią kablową złożoną z czterech torów (poszczególne fazy torów ułożone płasko)

Nowe generacje siłowni wiatrowych osiągają moc 5 MW (obecnie produkowane), a w najbliższej przyszłości można się spodziewać siłowni 10 MW. Wobec tego należy się spodziewać, że podwyższone pole magnetyczne w sąsiedztwie linii odprowadzających moc może stać się jednym z podstawowych problemów utrudniających uzyskanie pozwoleń na budowę farm wiatrowych. Zwłaszcza przy zwiększającym się nacisku kładzionym na oddziaływanie takich obiektów na środowisko naturalne.
Zapobieganie nadmiernym wartościom natężenia pola magnetycznego można zrealizować na kilka sposobów. Jedną z prostych technicznie metod jest zmiana sposobu ułożenia kabli w wiązkach po trzy. Na rysunku 5 zilustrowano rozkład pola magnetycznego nad czterotorową linią kablową w analogicznej sytuacji jak na rysunku 3, z tą różnicą, że poszczególne tory zostały ułożone w inny sposób. Taki prosty zabieg obniża w sposób zdecydowany wartość natężenia pola magnetycznego do prawie 5 A/m, czyli prawie siedmiokrotnie.


Rys. 5. Rozkład pola magnetycznego (30 cm nad ziemią) ponad linią kablową złożoną z czterech torów (poszczególne fazy torów ułożone w wiązkach po trzy)

Dalsze zmniejszenie natężenia pola możliwe jest przez zwiększenie napięcia instalacji, co niestety wiąże się ze zwiększeniem kosztów ze względu na zastosowanie droższej aparatury rozdzielczej i kabli.
Kontrolowanie ułożenia kolejności faz w poszczególnych torach może być kolejnym sposobem redukcji pola, ale ze względu na praktykę niezwykle trudnym. W warunkach przemysłowych, gdzie możemy dokładnie określić trasę kabli i kolejność faz (np. przy układaniu kabli na drabinkach kablowych) jest to skuteczne rozwiązanie. Przy układaniu kabli w wykopach dotrzymanie takiego reżimu wydaję się nierealne.
Ostatnim, ale bardziej kosztownym rozwiązaniem jest zmiana układu sieci odbioru energii z siłowni. Rezygnacja z układu, w którym tworzymy układ "magistrali" (rys. 1) i skłonienie się ku układowi "gwiazdowemu", gdzie energia z poszczególnych siłowni przesyłana jest do podstacji SN/WN kilkoma trasami pozwala na uniknięcie tworzenia miejsc o podwyższonym natężeniu pola magnetycznego w związku z nagromadzeniem kabli.

Podsumowanie

Przedstawione w artykule zagadnienia dotyczące oddziaływania pól elektromagnetycznych na środowisko ogólniedostępne pochodzące od linii kablowych SN farm wiatrowych powinny być analizowane na już na etapie projektowym. Analiza ta, pozwoli na optymalny wybór trasy linii kablowych oraz związany z tym przesył energii z farm wiatrowych z uwagi na pole magnetyczne generowane przez kable, co jest szczególnie istotne jest w miejscach przebywania ludzi.

Literatura

[1]    Rekomendacja Rady Europy z dnia 12 lipca 1999 r. w sprawie ograniczania ekspozycji ludności w polach elektromagnetycznych - Council Recommendation of 12 July 1999 on the limitation of exposure of the general public to electromagnetic fields (0 Hz to 300 GHz)
[2]    Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska (Dz. U. 2001 nr 62 poz. 627, z późn. zm.)
[3]    Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (Dz. U. Nr 192, poz. 1883)
[4]    Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. - Prawo budowlane. (Dz.U. 1994 nr 89 poz. 414, z późn. zm.)

Autorzy: mgr inż. Piotr Papliński, Instytut Energetyki, Instytut Badawczy, ul. Mory 8, 01-330 Warszawa, e-mail:piotr.paplinski@ien.com.pl; mgr inż. Hubert Śmietanka, Instytut Energetyki, Instytut Badawczy, ul. Mory 8, 01-330 Warszawa, e-mail: hubert.smietanka@ien.com.pl.

Źródło: Urządzenia dla energetyki
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl