Pola elektryczne i magnetyczne 50 Hz przy generacji rozproszonej i scentralizowanej

Z tych trzech scenariuszy najbardziej prawdopodobny jest oczy­wiście scenariusz trzeci, ponieważ źródła rozproszone często wyko­rzystują wiatr i słońce, więc nadal istnieje konieczność utrzymywa­nia odpowiednich rezerw mocy w elektrowniach konwencjonalnych, którą trzeba rozsyłać po SEE, wykorzystując istniejącą strukturę sieciową. Przesyłowi energii elektrycznej zawsze towarzyszą pola elektryczne i magnetyczne o częstotliwości 50 Hz. Celem artykułu jest ocena obciążenia środowiska naturalnego tymi polami w SEE z rozwijającą się generacją rozproszoną.

Pole elektryczne wokół linii elektroenergetycznych 

Metody wyznaczania natężeń pól elektrycznych wokół linii elek­troenergetycznych są dobrze znane [1-3]. Natężenie pola elektrycz­nego (E) wokół linii elektroenergetycznej zależy przede wszystkim od napięcia roboczego linii w danej chwili oraz od konfiguracji linii. Im wyższy potencjał względem ziemi, tym wyższy zgromadzony ła­dunek i większy potencjał generowany przez te ładunki w otoczeniu linii i większy gradient potencjału, a tym samym większe natężenie pola elektrycznego.

Im wyższe napięcie znamionowe linii, tym większe wymagane odległości między fazami (zbliżanie się do „efektu samotnej fazy”). Chociaż z drugiej strony - im wyższe napięcie znamionowe linii, tym wymagane wyższe zawieszenie przewodów nad ziemią. Trzeba jednak zauważyć, że wyższe zawieszenie przewodów w pewnym zakresie wysokości przyczynia się do zwiększania się natężenia pola elektrycznego w pewnej odległości od linii. Z praktycznego punktu widzenia właśnie najistotniejszy jest zasięg strefy, gdzie E > 1 kV/m, ponieważ zgodnie z przepisami [4], w obszarze takim nie można stawiać budynków mieszkalnych itp.

Pole magnetyczne wokół linii elektroenergetycznych 

Metody wyznaczania natężeń pól magnetycznych wokół linii elektroenergetycznych są także dobrze znane [1-3]. Natężenie pola magnetycznego (H) wokół linii elektroenergetycznej zależy przede wszystkim od prądu roboczego linii w danej chwili oraz od konfigu­racji linii. Wartość natężenia pola magnetycznego zmienia się w bar­dzo szerokim zakresie: od wartości bliskiej zero przy prądzie biegu jałowego do wartości maksymalnej przy prądzie odpowiadającym maksymalnej obciążalności linii.

Do analizy porównawczej, oprócz wielkości natężeń pól (E i H), brano wartość objętościowej gęstości energii pola magnetycznego W'_H

To pozwala na wyrażenie ekspozycji środowiska na składową elektryczną i magnetyczną za pomocą jednej wielkości, ponieważ objętościowa gęstość energii pola elektrycznego W'_E

jest wyrażana w tych samych jednostkach co W'_H.

Fragment sieci elektroenergetycznej z generacją scentralizowaną i rozproszoną 

Do analizy można zaproponować fragment sieci elektroenerge­tycznej, składający się z linii 220 kV zasilającej z dwóch stron ciąg liniowy 110 kV, do którego przyłączone są źródła energii elektrycz­nej, np. elektrownie wiatrowe oraz przez transformatory 110/15 kV sieć średniego napięcia, do której przyłączone są elektrownie fotowoltaiczne. Fragment ten przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Fragment sieci elektroenergetycznej z generacją rozproszoną

Niezależnie od poziomów generacji rozproszonej natężenie pola elektrycznego będzie zawsze takie same, jeśli nie zmieni się struktu­ra sieciowa. Natomiast natężenie pola magnetycznego będzie zmie­niać się w zależności od obciążenia poszczególnych linii.

Można porównać natężenie poła magnetycznego wokół linii 220 kV z natężeniem pola magnetycznego wokół linii 110 kV przy przepływie takiej samej mocy. Linia 220 kV prowadzona jest na słu­pach serii H52 typ P, natomiast linia 110 kV na słupach serii S12 typ P. Dane linii podano w tab. I.

Tabela I. Dane linii 220 kV na słupach serii H52 typ P i 110 kV na słupach serii S12  typ P:

Na rys. 2 przedstawiono rozkład natężenia pola magnetycznego wokół linii 220 kV na słupach H52 i wokół linii 110 kV na słu­pach S12 - przy przepływie takiej samej mocy pozornej 19,1 MVA. Z rys. 2 widać, że do pewnej odległości od osi linii pod linią 110 kV jest większe natężenie pola magnetycznego niż pod linią 220 kV. Wynika to z większej wartości prądu w linii 110 kV (7_||0kV = 100 A, /_220kV = 50 A) i z niższego zawieszenia przewodów. W pewnej odle­głości od osi linii (powyżej 6,5 m) zaczyna być większe natężenie pola magnetycznego od linii 220 kV. Wynika to z większej odległości przewodów od osi linii oraz od większej wzajemnej odległości mię­dzy przewodami fazowymi (zmierzanie do efektu „samotnej fazy”).

 Rys. 2. Natężenie pola magnetycznego pod liniami 220 kV i 110 kV przy przepływie mocy 19,1 MVA

Na rys. 3 przedstawiono natężenie pola elektrycznego pod linią 220 kV na słupach H52 i pod linią 110 kV na słupach S12. Podobnie jak dla linii 110 kV i 220 kV można porównać pole magnetyczne wokół linii 110 kV i 15 kV przy przepływie tej samej mocy. Do ob­liczeń przyjęto moc 5,2 MVA, co odpowiada prądowi 200 A w linii 15 kV i prądowi 27,3 A w linii 110 kV. W tab. II przedstawiono dane linii 15 kV na słupach ŻN i BSW.

Na rys. 4 przedstawiono natężenie pola magnetycznego w funkcji odległości od osi linii 15 kV na słupach ŻN i BSW oraz linii 110 kV na słupach S12 przy przepływie mocy 5,2 MVA. Na rys. 4 widać, że przy przepływne tej samej mocy znacznie większe natężenia pól magnetycznych występują wokół linii 15 kV niż wokół linii 110 kV. Wynika to przede wszystkim ze znacznie większego prądu w linii 15 kV, wynikającego z przekładni transformatora.

Rys. 4. Natężenie pola magnetycznego pod liniami 15 kV na słupach ŻN i BSW oraz linią 110 kV na słupach S12 przy przepływie mocy 5,2 MVA.

Na rys. 5 przedstawiono natężenie pola elektrycznego pod linią 110 kV na słupach S12 i 15 kV na słupach ŻN i BSW dla przekroju przewodów 50 mm². Z rys. 5 widać, że pod liniami 15 kV natężenie pola elektrycznego jest znacznie mniejsze niż pod liniami 110 kV i tym bardziej 220 kV.

TABELA IV. Wyniki porównania ekspozycji środowiska wokół linii 15 kV i 110 kV przy przepływie mocy 5,2 MVA: