POLUAREA ELECTROMAGNETICA A MEDIULUI

POLUAREA ELECTROMAGNETICA A MEDIULUI

1. COMPATIBILITATEA ELECTOMAGNETICA A APARATURII DE AUTOMATIZARE

Odata cu folosirea intensiva a circuitelor integrate, problema interferentei si susceptibilitatii electromagnetice a devenit o conditie in proiectarea unor echipamente de automatizare de inalta fiabilitate. Prin compatibilitate electromagnetica se intelege particularitatea unui echipament, sau a unui sistem in ansamblu, de a functiona in conditiile unui mediu poluat electromagnetic, fara a fi perturbate intolerabil functiile acestuia. Interferenta electromagnetica ( FMI - electomagnetic interference, sau RFI - radio frequence interference ) este reprezentata printr-un semnal nedorit, care este indus datorita campului electromagnetic poluant, semnal care poate defecta functionarea unui echipament sau sistem. Interferenta electromagnetica poate fi definita ca o poluare electromagnetica, la fel de periculoasa ca poluarea aerului sau a apei in mediul ambiant. Fenomenul de compatibilitate electromagnetica are trei componente, fig. 1 : sursa

unui camp electromagnetic poluant, calea de propagare si receptorul afectat, reprezentat prin echipamentul sau sistemul in functionare normala. Sursele de zgomot electromagnetic sunt cauzate de fenomene naturale sau artificiale, ca de exemplu:

Zgomotele electrice generate de furtuni electrice, reprezinta surse naturale de zgomote electromagnetice cu frecvente sub 10 MHz.

Zgomotele generate de radiatiile solare si zgomotele cosmice reprezinta surse naturale de zgomote cu frecvente peste 10 MHz.

Zgomotele electrice artificiale sunt generate de activitatile umane si pot fi neintentionat sau intentionat create. Sursele neintentionat create de om sunt echipamente a caror functionare nu are ca scop emisia de campuri electromagnetice, precum calculatoarele electronice, motoarele electrice, echipamentele cu relee cu contacte, tuburi fluorescente, sudura cu arc, motoarele cu autoaprindere, cablurile TV etc. Sursele de poluare electromagnetica intentionat create de activitatile umane sunt acele echipamente a caror functionare normala consta in emisia de semnale electromagnetice, ca de exemplu echipamente radar, radiouri mobile, echipamente cu modulare in frecventa sau amplitudine etc.

Important in poluarea electromagnetica este mecanismul de cuplare intre sursa si receptor, care poate fi prin radiatie sau prin conductie. Cuplarea prin radiatie se face prin intermediului campului electromagnetic intre sursa si receptor ca intre doua aparate, ca de exemplu un pistol de lipit in contact manual si cu transformator poate afecta prin impulsurile campului electromagnetic un calculator. Cuplarea prin conductie intre doua aparate se face prin firele retelei de alimentare , prin firul comun de impamantare al echipamentelor , etc. De exemplu, cupland la aceiasi retea de alimentare un calculator si un termostat pentru incalzirea unui volum, conectarea/deconectarea automata a rezistentei de incalzire a termostatului provoaca variatii ale tensiunii de alimentare a retelei care influenteaza aparatele conectate la aceiasi retea de alimentare. Poluarea electromagnetica, adica operatia unor tensiuni parazite in circuitele electrice, poate fi numai intre doua aparate, ci si in cadrul aceluiasi aparat. De exemplu, poluarea prin conductie apare in cadrul unui aparat in care functionarea unui etaj de putere in impulsuri poate provoca variatii ( caderi ) ale tensiunii de alimentare, ceea ce poate influenta ( prin conductie ) alte etaje ale aparatului respectiv. Poluarea prin inductie in cadrul unui aparat poate apare atunci cand de exemplu variatii ale unui semnal electric provoaca, datorita campului magnetic propriu, semnale in alte circuite ale aparatului.

In fig. 11.2. sunt prezentate cateva mecanisme de cuplare prin radiatii si prin conductie intre sursa poluanta si aparatul poluat electromagnetic.

Interferenta electromagnetica poate apare si intre echipamente de calcul, atat prin inductie ( prin sursa de alimentare in ca ) cat si prin conductie ( prin campul electromagnetic creat de functionarea unui calculator ), fig.3. Pentru a studia interferenta electromagnetica sunt necesare teste, prin care se masoara amplitudinea si frecventa semnalului nedorit, indus de sursa poluanta in aparatul supus testarii. Aceste masurari se fac cu analizoare spectrale.

Pentru a reduce semnalele parazite care apar prin inductie de la sursa poluanta se folosesc ecrane electrice intre sursa si aparatul testat. Pentru a reduce semnalele parazite care apar prin conductie intre sursa poluanta si aparatul testat, se folosesc filtre electrice pe tensiunile de alimentare. De exemplu, in acest scop la aparatele cu circuite integrate, circuitul imprimat este astfel realizat incat barele de alimentare ( +, - ) sa fie suprapuse pe suprafate cat mai mari, ceea ce formeaza de fapt un condensator electric cu rol de filtrare.

In prezent, datorita aparitiei a numeroase surse poluante, problema compatibilitatii electromagnetice este deosebit de actuala, existand institutii de specialitate care se ocupa cu elaborarea de standarde si recomandari in acest domeniu. La nivel international, exista organizatii de standardizare, specializate pe anumite domenii de aplicatie, ca de exemplu

ISO - in domenii largi ( mecanic , electric etc. )

IEC, CISPR - in domeniul electrotehnic, electronic

CCITT - in domeniul telecomunicatiilor

CCIR - in comunicatii radio

In prezent exista si agentii nationale, care de exemplu preiau recomandarile de la CISPR ( International Special Committee on Radio Interference ). Prin aceste standarde se stabileste nivelul acceptabil de interferenta ( de susceptibilitate ) electromagnetica pentru diferite surse poluante si diverse echipamente influentate prin poluare electromagnetica. In domeniul aparaturii de automatizare cel mai important organism international este IEC ( International Electrotehnical Commission ). Acest organism are comitete pe diferite domenii, ca de exemplu:

TC 77 - Compatibilitate electromagnetica intre echipamente electrice, inclusiv retele

TC 65 - Masurari industriale si conducerea proceselor

In tara noastra, Institulul Roman de Standardizare si Marci are ca preocupare principala coordonarea lucrarilor de cercetare si de adaptare a recomandarilor si regulamentelor internationale in domeniul standardelor, inclusiv in domeniul compatibilitatii electromagnetice.

2. INFLUENTA CAMPULUI ELECTROMAGNETIC ASUPRA ORGANISMULUI UMAN.

Operatorul uman, in activitatea sa de indeplinire a rolului sau de a conduce un proces tehnologic, este supus influentei campurilor electromagnetice. Principala actiune a campurilor electromagnetice asupra organismului uman consta in agravarea sau accelerarea aparitiei bolilor cardiace, vasculare, neurologice si psihice. Aceasta influenta, care depinde de intensitatea campurilor electromagnetice si de durata de expunere, este in continua crestere datorita maririi numarului de surse poluante cu campuri electromagnetice. Pentru aprecierea influentei campurilor electromagnetice asupra organismelor vii s-au facut cercetari experimentale asupra unui individ separat si asupra unui grup de indivizi, de diferite varste, pe durate diferite de expunere in timpul serviciului si pentru diferiti parametrii ai factorilor poluanti. De exemplu dintr-o grupa de indivizi, cu varste peste 40 ani, care se ocupau cu instalatii la frecvente inalte 10KHz - 30 MHz, cu o intensitate de 100 - 300 V/m, numai 7,4 % nu au reclamat perturbari ale starii de sanatate si in primul rand al sistemului nervos si cardio-vascular. Cercetari similare s-au efectuat in spatii de productie, unde s-a constatat ca prezenta campurilor electromagnetice de joasa frecventa are o influenta negativa asupra sistemului cardio-vascular al muncitorilor, observandu-se o reducere a pulsului, o modificare a ECG, o micsorare a puterii de receptie vizuale si auditive si o accentuare a starii de oboseala.

Principalele surse de poluare sunt :

Campul electric natural al Pamantului care depinde de latitudine si altitudine

Campul electric static artificial ( care de exemplu apare in procesul de prelucrare a unor mase plastice, in utilizarea unor tesaturi din materiale sintetice etc. )

Campul magnetic terestru ( care are o componenta variabila, numita furtuna magnetica, in functie de fenomene astronomice, ca de exemplu datorita exploziilor solare )

Campurile electromagnetice naturale ( de exemplu de la fulgere )

Campurile electromagnetice artificiale ( de exemplu, undele radio in gama 3 10⁷ Hz, retelele industriale de alimentare cu energie electrica, la frecventa de 50 Hz etc. )

Pentru masurarea intensitatii campului electromagnetic se pot folosi aparate pentru lucrari de cercetare ( foarte scumpe, de precizie ridicata si produse intr-un numar redus de exemplare ) si aparate pentru verificari experimentale ( de precizie redusa si produse in serie mare ). Pentru masurarea intensitatii campurilor electromagnetice in laboratoare, in spatii industriale de lucru, in centre urbane etc. se pot folosi aparate, care au costuri reduse si cu o precizie satisfacatoare.

In prezent, pe plan mondial, se intreprind actiuni pentru limitarea efectelor campurilor electromagnetice asupra organismelor vii, dintre care cele mai importante sunt:

Normarea intensitatii admisibile ale campurilor electromagnetice, pentru activitati industriale si pentru locuinte, in centre urbane sau rurale. Aceasta diferentiere este necesara deoarece timpul de expunere a unei persoane difera intr-o activitate industriala si in spatiul de locuit. De exemplu, in SUA este recomandata densitatea de putere maxima a campului electromagnetic de 10 mW/cm², in domeniul de frecvente de 10 10⁵ MHz. In multe tari sunt elaborate tabele, prin care se determina valorile admisibile in functie de timpul de expunere.

Aplicarea de masuri de protectie in desfasurarea unor activitati cu surse de campuri electromagnetice, dintre care se pot mentiona :

Protectia fata de campuri magnetice puternice, constante si de joasa frecventa, realizand ecrane din materiale feromagnetice care au o permeabilitate ridicata, ca de exemplu din aliaje fier-nichel.

Protectia prin limitarea timpului de expunere, utilizand aparate de avertizare acustica sau optica.

Protectia prin desfasurarea activitatilor la distanta calculata fata de sursa de camp electromagnetic, se face utilizand relatii empirice in care intervin parametrii sursei radiante.

Protectia prin utilizarea unor ecrane ale locului de munca, ca de exemplu a unor incaperi formate din plase metalice.

Protectia prin utilizarea unor suprafete reflectorizante ale campului electromagnetic, ca de exemplu a unor folii metalice.

Protectia prin utilizarea unor halate sau alte articole de imbracaminte de protectie, realizate din tesaturi din bumbac, matase, etc. , in structura carora intra fire subtiri metalice, care de exemplu formeaza ochiuri de dimensiunile 0,5 0,5 mm.

Cercetarile recente privind influenta campurilor electromagnetice asupra organismelor vii, au demonstrat ca acestea actioneaza intr-un mod deosebit de complex asupra fenomenelor intracelulare, asupra celulelor si organelor si organismului pe ansamblu. In prezent cercetarile in acest domeniu sunt dirijate spre elaborarea de noi normative privind sursele de poluare si pentru implementarea de noi tehnici de protectie a omului fata de influenta campurilor electromagnetice.

3. POLUAREA ARMONICA SI DE NESIMETRIE A SURSELOR DE CURENT ALTERNATIV

Sursele de curent alternativ trebuie sa indeplineasca conditii severe privind forma si amplitudinea semnalului transmis.Un impuls de scurta durata care este suprapus pe un semnal de curent alternativ determina in domeniul frecentei aparitia unor semnale intr-o gama larga de frecventa. Racordarea consumatorilor de energie electrica la Sistemul Electroenergetic National necesita asigurarea unor indicatori de calitate ai alimentarii. Sursele generatoare de energie electrica intr-un sistem electroenergetic asigura, in anumite limite, principalii parametrii de calitate ai alimentarii, ca de exemplu:

Forma de unda a tensiunii la generator este o functie sinusoidala de timp.

Decalajul intre fazorii tensiunilor la generator pe cele 3 faze ( U_R, U_S, U_T ), reprezentanti in planul complex este 1, a respectiv a a= e^j120 a = e^j240 ), iar sensul de rotatie al fazorului este pozitiv (direct).

Modulele tensiunilor pe cele trei faze sunt egale

Frecventa de rotatie a fazorului echivalent este constanta, respectiv 50 Hz.

In conditii normale de exploatare valorile abaterilor indicatorilor de calitate ai sursei de energie de la valorile normale se incadreaza in normele si prescriptiile de exploatare stabilite prin standarde. In cazul aparitiei unor incidente care conduc la variatii brusce in limite neadmise ale parametrilor de calitate, sistemele electroenergetice sunt prevazute cu protectii rapide si automate in scopul prevenirii extinderii si al izolarii defectelor. La transportul si distributia energiei electrice de la locul de producere pana la consumator pot interveni factori perturbatori care altereaza parametrii de calitate ai alimentarii cu energie, ca de exemplu:

abateri ale frecventei de functionare prin nerespectarea echilibrului intre puterea totala generata si consum.

abateri ale valorilor tensiunilor in noduri, aparitia regimurilor nesimetrice ca urmare a impedantelor si sarcinilor neegale pe faze.

deformari ale formei de unda a tensiunii si a curentilor ca urmare a existentei elementelor neliniare in circuitele electrice.

Energia electrica livrata intr-un anumit punct al retelei trifazate de curent alternativ poate fi caracterizata de urmatorii parametrii de calitate:

continuitatea alimentarii cu energie electrica

variatiile de tensiune

variatiile de frecventa

deformarea undei de tensiune si curent

nesimetria si dezechilibrul sistemului trifazat de tensiune si curent.

Abaterile parametrilor de calitate ai alimentarii cu energie peste valorile normate in exploatarea curenta pot conduce la daune importante atat la consumator cat si la furnizor. In practica s-a constatat ca intr-un sistem electroenergetic exista multe cazuri ale abaterilor acestor parametrii de calitate, care afecteaza functionarea sigura si economica a acestuia in ansamblu si pe componente. Aceste abateri ale parametrilor de calitate se datoreaza unor mari consumatori industriali cu procese tehnologice energofage si care sunt poluante din punct de vedere electric. Astfel apare problema de a stabilii pentru fiecare utilizator aportul de poluare armonica si de nesimetrie in vederea promovarii unor masuri sau a penalizarii acestor abateri.

Normele de calitate in instalatiile electrice sunt cuprinse in reglementari specifice ( Regulamente, Normative, Prescriptii, Instructiuni ). Astfel, furnizarea energiei se face in conformitate cu un regulament de furnizare si utilizare a energiei electrice. Parametrii regimului deformant si nesimetric si valorile normale ale acestora sunt stabilite in Prescriptii de Exploatare.

In prezent, in sistemul electroenergetic exista cazuri flagrante de abateri ale acestor parametrii, care se datoreaza in primul rand lipsei aparaturii pentru determinarea precisa si obiectiva a valorilor de exploatare. Pe plan international, exista organizatii implicate in problema calitatii energiei electrice dintre care se pot mentiona: Conferinta Internationala A Marilor Retele Electrice (CIGRE), Comitetul 36; Comitetul Electrotehnic International ( CEI ); Comitetul European de Standardizare in Electrotehnica ( CENECEC ) etc.

Cunoasterea si studierea prevederilor reglementarilor emise de aceste organizatii internationale are importanta pentru alinierea regulamentelor romanesti la standardele europene care vor sta la baza realizarii unor sisteme moderne asistate de calculator pentru asigurarea in timp real a parametrilor si indicatorilor de calitate.

Forma nesinusoidala a undei de tensiune si curent in retele electrice poate fi distorsionata ( deformata ) din cauza prezentei unor elemente neliniare in retea numite elemente deformante, dintre care se mentioneaza :

bobinele cu miez de fier si feromagnetic

circuite redresoare necomandate;

scheme cu diode redresoare comandate;

procese tehnologice ce folosesc arc electric ( cuploare, instalatii de sudura );

instalatii electrice de electroliza;

tractiunea electrica etc.

In conformitate cu reglementarile in vigoare, regimul deformat se defineste ca fiind regimul permanent de functionare al retelelor electrice de tensiune alternativa care alimenteaza elemente deformante. Elementul deformant este un receptor care produce sau care amplifica tensiunile armonice.

Regimul deformant in retelele electrice influenteaza negativ economicitatea functionarii sistemului electroenergetic in ansamblu si pe componente, ca de exemplu afecteaza functionarea echipamentelor electronice de protectie, automatizare si comanda; produce pierderi suplimentare in transportul si distributia energiei electrice; solicita peste limitele admise instalatiile statice de compensare a puterii reactive; provoaca scaderea randamentelor motoarelor electrice, etc.

Principalii parametrii care caracterizeaza regimul deformant in retelele electrice sunt definiti prin urmatorii indicatori de calitate:

Ponderea armonicii de rang n, determinata ca raportul procentual dintre amplitudinea armonicii H si fundamentala:

a = ( An / A₁ ): 100

Reziduumul deformant

Coeficientul global de distorsiune al undei sinusoidale ( tensiune sau curent ) definit ca raportul in procente dintre valoarea efectiva a reziduumului deformant si valoarea efectiva a fundamentalei

In care :

n - rangul armonicii

A_n - amplitudinea armonicii de rang n

A₁ - amplitudinea fundamentalei

Coeficientul de forma al undei de tensiune sau curent definit ca raportul dintre valoarea efectiva a undei periodice nesinusoidale si valoarea medie a semiperioadei curbei.

Factorul de varf definit ca raportul dintre amplitudinea maxima a undei nesinusoidale si valoarea efectiva a acesteia.

Nivelul armonicilor definit ca raportul in procente dintre valoarea efectiva a amplitudinii armonicei de rang n si amplitudinea fundamentalei.

Daca se considera unda nesinusoidala de tensiune sau curent ca un semnal cvasiperiodic y(t), cunoscut pe un orizont de timp finit t = 1, 2, . ., N ; problema este a estima frecventele, amplitudinile si fazele armonicilor sale. Deci, daca semnalul y(t) este o suma de n armonici de forma :

atunci studiul indicatorilor de calitate se reduce la estimarea parametrilor f_n, A_n, j_n pentru n = 1,N.

In notatia anterioara y(k) s-a presupus ca se obtine prin esantionarea cu perioada DT a semnalului continuu.

unde : t = kDT, k = 1,K

Reprezentand grafic puterile p_n ale armonicilor in functie de frecventa w_n se obtine un grafic numit spectrograma, care arata distributia liniilor spectrale ale undei de tensiune sau curent in functie de frecventa. O spectrograma ofera valori ale spectrului semnalului in puncte ale abscisei reprezentand multipluri ai frecventei ( pulsatiei ) fundamentalei, fig. 21.1. Pentru imbunatatirea parametrilor de calitate ai sursei de alimentare in curent alternativ este necesara reducerea elementelor deformante, imbunatatirea parametrilor de functionare a acestora si utilizarea de filtre pentru atenuarea influentei negative a acestora.

P %

f

50 100 150 200

Fig. 4