- 2 -

Capitolul I

Terminologie şi normative

1.1. Introducere

Dezvoltarea explozivă a utilizatorilor de energie electrică precum şi a

aplicaţiilor din domeniul transmiterii informaţiei pe suport electromagnetic, specifică

civilizaţiei moderne a condus la apariţia a numeroase probleme referitoare la

expunerea biologicului la influenţa câmpului electromagnetic din mediu.

Utilizarea radiaţiei electromagnetice din domeniul radiofrecventelor este din ce

în ce mai frecventă. Transmisiunile prin satelit, telefonie celulară, utilizarea sistemelor

termice cu microunde se extinde tot mai mult. În acest sens, efectul net şi cuantificabil

al radiaţiei electromagnetice este cel termic, pentru care organismele internaţionale au

stabilit norme de siguranţă. De asemenea cercetătorii au semnalat efecte în sinteza

naturală a anumitor substanţe, carcinogeneză, producerea unor stări de depresie,

cefalee, etc.

Instalaţiile electrotehnice şi electronice de mică şi medie putere penetrează tot

mai mult viaţa cotidiană, atât în mediul casnic cât şi în cel socio - profesional, în

special categoriile de populaţie ce au ocupaţii în, sau conexe cu telefonia, informatica,

instalaţiile sau sistemele electrice din economie.

Creşterea numărului de aplicaţii în domeniul electrotehnicii şi electronicii şi a

complexităţii tehnologiei informatice, în interiorul sistemelor şi între sisteme, a pus în

evidenţă noi interacţiuni.

Domeniul frecvenţelor aplicaţiilor tehnice s-a extins continuu, de la frecvenţe

de ordinul Hz până la ordinul GHz, corespunzând la lungimi de undă de la 1000 Km

la 0.1 m.

- 3 -

Dezvoltarea electronicii, în special a aplicaţiilor cu viteze de procesare şi

transmisie ridicate şi cu consumuri reduse, a electrotehnicii neliniare, prin

diversificarea reţelelor de comunicare şi transmisii de date, a dus la creşterea gradului

de poluare electromagnetică, atât în mediul înconjurator cât şi în cadrul reţelelor

energetice, de comunicare şi de altă natură. Devine azi tot mai dificil de gestionat

această sursă naturală care este spectrul natural de frecvenţe.

Dacă prezenţa câmpului electromagnetic în mediul în care trăim poate fi

catalogată printre factorii cunoscuţi de poluare a mediului, atunci, dintre aceştia, aşa -

numită poluare electromagnetică, are în prezent cea mai mare rată de creştere şi cea

mai largă răspândire în zonele populate ale globului, dar şi cel mai mare impact

psihologic asupra populaţiei. Efectele biologice ale expunerii şi eventualul risc

reprezentat pentru sănătate nu sunt în mod satisfăcător cunoscute.

Principalele surse de poluare sunt:

• câmpul electric natural al Pământului care depinde de latitudine şi

altitudine;

• câmpul electric static artificial - apare procesul de prelucrare a unor

mase plastice, utilizarea unor ţesături din materiale sintetice etc.

• câmpul magnetic terestru - care are o componenţa variabilă, numită

furtună magnetică, în funcţie de fenomene astronomice, ca de exemplu

exploziile solare;

• câmpurile electromagnetice naturale - fulgere;

• câmpurile electromagnetice artificiale - undele radio în gama 3*105 –

3*107 Hz, reţelele industriale de alimentare cu energie electrică, la

frecvenţa de 50 Hz etc.

1.2. Termeni şi definiţii

Lucrarea de faţă îşi propune, de-a lungul a patru capitole, să vorbească despre

păienjenişul invizibil de radiaţii electromagnetice în care am ajuns să conveţuim.

- 4 -

Pentru a digera mai uşor conţinutul acestei teze se vor defini o serie de termeni

frecvent întâlniţi în studiul poluării electromagnetice:

SAR reprezintă acronimul de la denumirea în limba engleză, Specific

Energy Absorption Rate, şi este dat de relaţia:

unde:

• = conductivitatea electrică;

• = intensitatea câmpului electric (valoare maximă în regim armonic);

• = densitatea de masă a materialului (ţesutul) în care se face evaluarea.

Degradarea funcţionarii este modificarea nedorită a caracteristicilor

de funcţionare ale aparatului, echipamentului, sistemului în raport cu

cele prevăzute de proiectant. Aparatul, echipamentul, sistemul care

emite perturbaţia poate fi numit sursă sau emiţător de perturbaţie

electromagnetică, iar cel care o recepţionează este numit receptor de

perturbaţie electromagnetică.

Zgomotul electromagnetic reprezintă semnalul de interferenţă care prin

prezenţa lui deformează informaţia utilă transmisă de la sursă la receptor

şi o face mai puţin clară.

LEA reprezintă liniile electrice aeriene.

Perturbaţia electromagnetică reprezintă orice fenomen

electromagnetic susceptibil să degradeze funcţionarea unui aparat,

echipament, sistem sau să influenţeze defavorabil materia vie sau pe cea

inertă.

Nivelul unei perturbaţii electromagnetice se poate exprima:

- 5 -

• în unităţi absolute - valoarea de vârf, valoarea mediu, valoarea efectivă a

tensiunii, curentului, intensităţii câmpului electric, magnetic, puterii etc;

• în unităţi relative liniare - valoarea relativă este obţinută prin raportarea

la o mărime de referinţă;

• în unităţi logaritmice - exprimate în dB;

Perturbaţiile electromagnetice se clasifică astfel:

a) după natura emisiei perturbaţiei:

o perturbaţii conduse - sunt perturbaţii caracterizate prin mărimi

referitoare la curent şi tensiune;

o perturbaţii radiate - sunt perturbaţii caracterizate prin mărimi

referitoare la câmp electric şi magnetic;

b) după durata de timp:

o perturbaţii permanente - armonicile introduse de reţea de

consumatorii neliniari, emisiile radio şi TV, etc. afectează în

special circuitele analogice;

o perturbaţii tranzitorii - descărcările atmosferice, supratensiunile şi

supracurenţii în circuite electrice, descărcările electrostatice,

emisiile electromagnetice ce însoţesc comutaţiile şi defectele de

izolaţie în instalaţiile de I.T.; afectează în special circuitele

numerice.

c) după caracteristicile spectrului de frecvenţe:

o perturbaţii de joasă frecvenţă < 9 kHz (1 MHz);

o perturbaţii de înaltă frecvenţă > 9 kHz.

Curenţi de dispersie sunt curenţii de polarizare a sistemelor

electrochimice naturale, datorate câmpurilor electromagnetice suprapuse

sistemului;

- 6 -

Compatibilitatea electromagnetică reprezintă capacitatea

echipamentelor electrice, electronice şi de radio de a coexista, în sensul

de a nu emite niveluri inacceptabile de perturbaţii electromagnetice şi de

a nu reacţiona imprevizibil la emisia altor sisteme din mediul lor

ambiental în care lucrează;

Spectrul electromagnetic reprezintă totalitatea radiaţiilor

electromagnetice existente în univers.

Figura 1.1. Spectrul electromagnetic

Este împărţit după criteriul lungimii de undă în câteva domenii, de la

frecvenţele joase spre cele înalte:

• radiaţiile radio;

• microunde;

• radiaţii hertziene;

• radiaţii infraroşii;

• radiaţii luminoase;

• radiaţii ultraviolete;

• radiaţii X (Röntgen);

- 7 -

• radiaţii γ.

Polarizarea unei unde se manifestă atunci când unda dispune de anumite

direcţii privilegiate în care se execută vibraţiile.

Procesele de polarizare reprezintă procese de orientare a purtatorilor de

sarcină în prezenţa câmpului electric.

Trebuie reţinut faptul că orice aparat, echipament sau sistem electric, electronic

poate fi în acelaşi timp emiţător sau receptor de perturbaţie electromagnetică.

Cea mai mare parte din echipamentele electrice şi electronice sunt generatoare

de regim deformant şi producătoare de perturbaţii electromagnetice. Acestea produc,

alături de sursele naturale, unele deosebit de puternice (descărcările electrice),

generatoare de zgomot electromagnetic, perturbaţii care se transmit către consumatori

prin conducţie electrică şi prin radiaţie electromagnetică.

1.3. Norme şi organizaţii

În prezent, pe plan mondial, se întreprind acţiuni pentru limitarea câmpurilor

electromagnetice asupra organismelor vii, dintre care cele mai importante sunt:

• normarea intensităţii admisibile ale câmpurilor electromagnetice, pentru

activităţi industriale şi pentru locuinţe, în centre urbane sau rurale;

• aplicarea de măsuri de protecţie în desfăşurarea unor activităţi cu surse

de câmpuri electromagnetice, dintre care se pot menţiona:

o protecţia faţă de câmpuri magnetice puternice, constante şi de

joasă frecvenţă, realizând ecrane din materiale feromagnetice

care au o permeabilitate ridicată, ca de exemplu din aliaje fier -

nichel;

o protecţia prin limitarea timpului de expunere, utilizând aparate de

avertizare acustică sau optică;

- 8 -

o protecţia prin desfăşurarea activităţilor la distanţa calculată faţă

de sursa de câmp electromagnetic, se face utilizând relaţii

empirice în care intervin parametrii sursei radiante;

o protecţia prin utilizarea unor suprafeţe reflectorizante ale

câmpului electromagnetic, ca de exemplu a unor folii metalice;

o protecţia prin utilizarea unor halate sau alte articole de

îmbrăcăminte de protecţie, realizate din ţesături din bumbac,

mătase, etc. în structura cărora intră fire subţiri metalice, care

formează ochiuri de dimensiunile 0,5 x 0,5 mm.

Norma ICNIRP se referă la expunerea la câmp electromagnetic cu variaţie

armonică în timp, în gama de frecvenţe de până la 300 GHz şi clasifică efectele

biologice şi nivelurile admisibile de expunere în functie de frecvenţă. Expunerea la

radiaţie electromagnetică în pulsuri este referită ca un caz particular, iar expunerea

combinată la mai multe surse de câmp cu frecvenţe diferite este tratată prin aditivitate

(suprapunerea surselor conduce la suprapunerea efectelor).

Se introduc astfel două categorii de mărimi fizice asupra cărora se impun

restricţii: restricţiile de bază, care sunt puse în legatură directă cu efectele biologice şi

nivelurile de referinţă, reprezentând mărimi fizice măsurabile sau calculabile direct

într-o împrejurare dată şi care sunt condiţionate de performanţele sursei de radiaţii şi

de condiţiile de expunere.

Pentru specificaţiile normei, nivelurile de referinţă au fost derivate din

restricţiile de bază prin calcule validate experimental; în general au fost luate în

considerare condiţiile de expunere cele mai defavorabile.

În domeniul microundelor, în gama de frecvenţe 10 MHz ÷ 10 GHz, restricţiile

de bază se referă la puterea specifică SAR [W/kg] în cazul radiaţiei armonice şi la

energia specifică SA [J/kg] în cazul radiaţiei în pulsuri; pentru frecvenţe peste 10 GHz

restricţiile vizează densitatea de putere S [W/ ] la suprafaţa corpului expus,

considerând că la această frecvenţă şi la proprietăţile electrice ale mediilor biologice

adâncimea de pătrundere fiind extrem de redusă, localizarea câmpului electromagnetic

este superficială.

- 9 -

Astfel norma ICNIRP recomandă nivelul SAR maxim admisibil pentru

populaţie, la expunerea întregului corp, la valoarea de 0,08 W/kg. Pentru expunere

parţială sunt admise valori mai ridicate: max. 2 W/kg în zona capului şi trunchiului şi

max. 4 W/kg în zona membrelor. În cazul densitatii de putere S, pentru frecvenţe > 10

GHz, aloarea maximă admisibilă este de 10 W/ .

Toate valorile corespunzătoare expunerii controlate în medii profesionale sunt

de 5 ori mai mari (valori de SAR de 0.4 W/kg pentru întregul corp, 10 W/kg pentru

cap şi trunchi, 20 W/kg pentru membre, respectiv S de 50 W/ ). Mai trebuie precizat

că toate valorile puterii specifice SAR sunt considerate ca mediate pe un interval de

timp de expunere de 6 minute, iar valorile impuse expunerii parţiale se consideră

mediate pe un volum corespunzător la 10 g de ţesut în jurul valorii locale maxime.

Densitatea de putere S se consideră mediată spaţial pe o suprafaţă de 20

din corpul expus (în jurul valorii maxime locale) şi temporal pe un interval de

68/ minute (unde frecvenţa f se introduce în GHz).

Considerentele biologice care au condus la alegerea ca restricţii de bază a

mărimilor respective şi la stabilirea valorilor admisibile sunt în primul rând bazate pe

efectele termice ale acumulării de energie în ţesuturi. Experimente efectuate pe

subiecţi animali şi umani au arătat că o acumulare energetică medie asupra întregului

organism de circa 4 W/kg, timp de circa 30 minute, duce la creşterea temperaturii

corpului cu 1 ÷ 2Cº şi depaşeşte capacităţile de termoreglare ale unui organism

sănătos. Încălzirea corpului cu mai mult de 1Cº poate avea efecte de alterare a

sănătăţii (de exemplu scăderea performanţelor psiho-motorii).

În tabelul 1.1. sunt prezentate diferite norme recomandate de cele mai renumite

organizaţii in domeniu:

- 10 -

Tabelul 1.1. Norme privind expunerea corpului la radiaţii electromagnetice

Printre organizaţiile care se ocupă cu aceste norme şi standarde se numără

urmatoarele:

a) internaţionale:

• WHO – Organizaţia Mondială a Sanataţii;

• EC – Comunitatea Europeană;

• IEEE – Organizaţia Profesională a Inginerilor în Electrotehnică şi

Electronică;

• INIRC – Comitetul Internaţional pentru Radiaţia Neionizantă;

• ICNIRP – Comisia Internaţională de Protecţie Împotriva

Radiaţiei Neionizante.

b) naţionale:

• ACER - Asociaţia pentru Compatibilitate Electromagnetică din

Romania;

• CNIITICE - Centrul Naţional Interuniversitar pentru Ingineria

Tensiunilor Înalte şi Compatibilitatea Electromagnetică;

• ICMET - Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare şi Încercări

pentru Electrotehnică.

- 11 -

Capitolul II

Poluarea Electromagnetică a mediului

2.1. Impactul poluării electromagnetice a mediului asupra

reacţiilor electrochimice naturale

Majoritatea proceselor din natură au loc în medii umede. Aceste procese, în

majoritatea situaţiilor, se desfăşoară după un mecanism electrochimic (de exemplu,

procesele redox de la interfaţa citoplasmă / membrană celulară, coroziunea metalelor în

diverse medii electrolitice etc.).

Cinetica şi mecanismul proceselor electrochimice sunt determinate de

semnalele electrice suprapuse mediului de reacţie, respectiv sistemului electrod (metal

sau membrană) / electrolit. În acest context, putem considera că orice semnal electric

antropic, care se suprapune mediilor electrolitice naturale din biosferă, poate perturba

desfăşurarea proceselor electrochimice naturale şi, în consecinţă, este un semnal

poluant.

Consecinţele poluării electromagnetice a mediului sunt deosebit de diverse.

Câmpurile electromagnetice poluante perturbă procesele naturale, atât prin efectul

termic generat în diverse medii, cât şi prin componentele lor electrice şi magnetice.

Componenta electrică perturbă, în primul rând, desfăşurarea reacţiilor

electrochimice naturale - perturbă tranzitul ionilor de Ca++ prin membranele celulare

umane şi, implicit, homeostaza calciului (cauza probabilă a frecvenţei ridicate a

leucemiei la copiii expuşi sistematic la radiaţii electromagnetice), accelerează reacţiile

de coroziune, etc.

Componenta magnetică perturbă sistemele biomagnetice, cum ar fi sistemul de

orientare al albinelor, care s-a constatat că la semnale de cca. 500 V/m devin deosebit

- 12 -

de agresive şi se omoară între ele, iar în câmp electromagnetic de 600 MHz ÷ 3.2

GHz, de ordinul 0.5 ÷ 1 V/m, se rătăcesc şi nu mai ştiu să se întoarcă la stup.

Studiul influenţei semnalelor în curent alternativ suprapuse sistemelor

electrochimice reprezintă o problematică teoretică complexă, cu importanţă practică

deosebită.

Complexitatea teoretică a problematicii rezultă, în primul rând, din diversitatea

deosebită a căilor cinetice (reacţii parţiale) aferente proceselor de electrod, dar şi din

complexitatea influenţei câmpului electromagnetic în special a componentei electrice

asupra atmosferei ionice. Efectul accelerator de coroziune a curenţilor de dispersie în

c.a. a fost demonstrat atât teoretic, cât şi experimental.

Impunerea semnalelor în c.a. peste procesele de electrod în condiţii industriale

de electroliză în curent ondulat poate prezenta un interes deosebit la creşterea

performanţelor unor depuneri galvanice, obţinerea galvanică a unor aliaje, reducerea

supratensiunilor şi a căderilor de tensiune pe electrolizor, deci optimizarea energetică

a proceselor electrochimice industriale.

2.1.1. Polarizarea mediilor electrolitice naturale. Curenţii de

dispersie

În cazul mediilor electrolitice naturale sistemul electrochimic electrod /

electrolit (structură metalică/electrolit sol, apă freatică, beton umed în cazul mediilor

construite sau citoplasmă/membrană celulară în medii vii) se află în echilibru, între ele

stabilindu-se un potenţial de echilibru E0 determinat de natura sistemului.

La suprapunerea unui câmp electric peste sistemul aflat în echilibru, prin sistem

trece curent, sistemul se polarizează, potenţialul electrod/electrolit se deplasează

corespunzător, atmosferele ionice se deformează, apar procese de transport şi / sau

faradaice şi se modifică corespunzător compoziţia chimică a electrolitului şi / sau starea de

suprafaţă a electrodului.

Câmpurile electromagnetice suprapuse mediilor electrochimice, pot produce

creşterea temperaturii mediului (efectul termic) şi implicit modificarea cineticii

reacţiilor electrochimice. În aceste condiţii, se poate afirma că, în cazul proceselor

- 13 -

electrochimice naturale, câmpurile electromagnetice, suprapuse mediilor de reacţie pot

perturba desfăşurarea naturală a acestora deci sunt perturbatoare poluante.

Curenţii de polarizare a sistemelor electrochimice naturale, datorate câmpurilor

electromagnetice suprapuse sistemului, se numesc curenţi de dispersie , întrucât

circulaţia şi intensitatea lor este aleatoare determinată de sursele de provenienţă a

acestora.

2.1.1.1. Originea şi intensitatea curenţilor de dispersie

Sursa tuturor semnalelor electrice perturbatoare ale proceselor electrochimice

naturale este lanţul de producere, transport, distribuţie şi utilizare a energiei electrice.

Mediile electrolitic naturale, sunt medii electroconductoare de speţa a II-a cu

conductivitate electrică relativ mică. Liniile de curent aferente unui câmp aplicate pe

aceste medii produc modificările atmosferei ionice şi ale fenomenelor de transport de

ioni.

În cazurile în care în aceste medii electrolitice naturale (sol, ape freatice etc.)

sau industriale (beton umed) sunt pozate structuri metalice (conducte metalice

subterane, armătură de fier beton etc.) aceste linii de curent se concentrează pe căi

preferenţiale de conductivitate ridicată, pe calea cea mai scurtă de curent adică prin

structurile metalice pozate în aceste medii, care au o rezistivitate de sub Ωm,

situaţie în care liniile de curent traversează (cel puţin de două ori) interfaţa metal -

electrolit cu toate consecinţele aferente asupra mecanismului şi cineticii reacţiilor de

coroziune.

2.1.1.2. Curenţii de dispersie în curent continuu

Sursele cele mai frecvente ale curenţilor de dispersie în curent continuu, care

pot produce distrugeri deosebit de mari prin coroziune, sunt căile de rulare ale

tramvaielor şi ale metroului, precum şi platformele industriale cu echipamente

alimentate în curent continuu.

- 14 -

Spre deosebire de platformele industriale, care produc curenţi de dispersie cu

intensitatea relativ stabilă în timp, curenţii de dispersie în c.c. produşi de tracţiunea

electrică urbană prezintă, prin specificul lor (opririle şi pornirile succesive, respectiv,

circulaţia vagoanelor), intensităţi cu fluctuaţii mari în timp.

Schiţa simplificată a formării curenţilor de dispersie în c.c. de la căile de rulare

ale tramvaielor, pentru un singur vagon în mişcare şi pentru o singură structură

metalică adiacentă (conductă metalică), este prezentată în figura 2.1. Desigur, în

practică, când structura metalică perturbată este filiformă (cazul conductelor metalice

subterane lungi şi a reţelelor de distribuţie a utilităţilor urbane), aceasta poate fi

perturbată de curenţii de dispersie produşi de mai multe tramvaie aflate în mişcare

simultan, situaţie în care efectele perturbărilor galvanice se suprapun.

Figura 2.1. Schema simplificată a curenţilor de dispersie în c.c. produşi de tramvaie, unde:

1 - cale de rulare tramvai; 2 - vagon tramvai; 3 - staţie redresare tramvaie; 4 - cablu de

întoarcere tramvai; 5 - conductă metalică; Rş-s - rezistenţă şină-sol; Rc-s - rezistenţă

conductă/sol; Rs - rezistenţa şinei de tramvai; icor - curentul de dispersie; ΔU - căderea de

tensiune pe şină; i - curentul de tracţiune.

Din analiza figurii 2.1. se constată că curentul de tracţiune i (care acţionează

motorul tramvaiului) produce, pe şina de tramvai cu rezistenţa Rş (între locul de

racord al cablului de întoarcere şi poziţia tramvaiului), o cădere de tensiune în curent

continuu ΔU.

- 15 -

Calea de rulare (sistemul şine/ traverse) fiind pozată pe sol, prin lanţul de

rezistenţe înseriate (şină/sol, sol/conductă, conductă, conductă/sol şi sol/şină), ΔU

produce un curent de dispersie Icor, a cărui intensitate este determinată de:

• căderea de tensiune pe calea de rulare ΔU;

• rezistenţa de dispersie şină / sol;

• rezistivitatea, respectiv, rezistenţa electrică a solului;

• rezistenţa de dispersie conductă metalică/sol, în primul rând, prin

rezistenţa de izolaţie anticorozivă a structurii metalice (straturi organice

aplicate pe conductă când este cazul).

În centrele urbane aglomerate, unde coexistă tramvaie şi metrou perturbaţiile

prin curenţi de dispersie în c.c. conform ilustraţiei din figura 2.2. sunt deosebit de

complexe.

Figura 2.2. Schiţa circulaţiei curenţilor de dispersie într-un sistem complex, format din

metrou, structuri metalice subterane, structuri de rezistenţă din beton armat şi cale de rulare

tramvaie.

- 16 -

2.1.1.3. Curenţii de dispersie în curent alternativ

Spre deosebire de sistemele generatoare de curenţi de dispersie în c.c., în c.a.,

semnalele perturbatoare provin din sistemul de transport, distribuţie şi utilizare a

energiei electrice prin:

• inducţie (situaţii în care structura metalică subterană este pozată în

apropierea liniilor electrice aeriene);

• datorită curenţilor de dezechilibru care circulă între prizele de pământare

aferente sistemului energetic trifazat ;

• căderile ohmice de tensiune care apar pe calea de rulare a căilor ferate

cu tracţiune în c.a. şi / sau a interacţiunilor dintre diferite structuri

metalice pozate în acelaşi mediu.

2.1.1.4. Curenţii de dispersie compuşi

În practică, în mediile urbane aglomerate, procesele electrochimice naturale

sunt perturbate de curenţi de dispersie care au originea în diverse surse. Astfel, peste

componenta semnalului de 50 Hz provenit din lanţul de transport/distribuţie/utilizare a

energiei electrice din sistemul energetic trifazat se suprapun:

• armonicele (în special, cele impare) fundamentalei de 50 Hz, datorate

neliniarităţii sistemului;

• tranzienţii produşi de comutaţiile din sistem şi acţionările electrice cu

tiristoare;

• componentele de înaltă frecvenţă produse de generatoarele industriale şi

sursele de alimentare în comutaţie;

• semnalele de radiofrecvenţă în spectrul 100 kHz ÷ 15 GHz produse de

radiodifuziune, emiţătoarele TV, sistemele de radiocomunicaţii,

telefonie GSM etc.;

• componentele de c.c. şi variaţiile acestora, produse de tracţiunea electrică

urbană;

- 17 -

• componentele în c.c., relativ constante în timp, provenite de la

echipamentele industriale alimentate în c.c. (în special electrolizoare).

În aceste condiţii, se constată că curentul perturbator care polarizează sistemele

electrochimice naturale este un curent compus, iar forma semnalului perturbator este

deosebit de complexă.

2.1.2. Impactul poluării electromagnetice a mediului asupra

coroziunii din mediile complex construite

Omenirea s-a confruntat pentru prima dată cu problematica degradărilor prin

coroziune accelerată datorate curenţilor de dispersie în c.c. la începutul sec. XX când, în

urma revoluţiei tehnice, la tramvaiele din Los Angeles, tracţiunea hipo a fost înlocuită cu

tracţiune electrică în c.c. (1906).

În numai doi ani, au apărut avarii semnificative la reţeaua de distribuţie a apei

potabile, iar în 1910 deja s-a raportat existenţa primului autolaborator mobil,

specializat în investigarea şi determinarea curenţilor de dispersie în c.c. (figura 2.3.).

Figura 2.3. Autolaborator mobil de epocă destinat monitorizării curenţilor de dispersie (Los

Angeles 1910). În fundal (stânga) se observă săpătura la o conductă subterană găurită de

curenţii de dispersie.

În absenţa implementării a unor soluţii tehnice de protecţie adecvate şi/sau a

concepţiei şi executării corespunzătoare a unor sisteme complex construite,

- 18 -

intensitatea curenţilor de dispersie în c.c. este mare (de exemplu, la metroul din

Bucureşti au fost determinaţi curenţi de dispersie de până la 800 A) şi, implicit,

distrugerile aferente sunt apreciabile (figurile 2.4. , 2.5. , 2.6.).

Figura 2.4. Degradări accentuate la elementele de fixare ale metroului din Budapesta (apărute

în cca. 2 ani) datorate curenţilor de dispersie în c.c.

Figura 2.5. Coroziunea localizată a unor conducte de gaze datorate curenţilor de dispersie în

c.c. proveniţi de la tramvaiele şi metroul din Bucureşti.

- 19 -

Figura 2.6. Coroziunea accentuată a unor cabluri de medie tensiune, datorată curenţilor de

dispersie produşi de tramvaie

În ceea ce priveşte degradările prin coroziune accelerată ale unor structuri

metalice expuse acţiunii curenţilor de dispersie în c.a. sau compuşi (c.c. şi c.a.),

acestea sunt exemplificate prin fotografiile din figurile 2.7. şi 2.8.

Figura 2.7. Degradarea elementelor de susţinere din beton armat care funcţionează în câmp

electromagnetic intens.

- 20 -

Figura 2.8. Coroziune generalizată datorată curenţilor de dispersie compuşi (c.c.+c.a.)

În scopul predicţiei degradărilor şi a localizării zonelor cu risc ridicat de degradare

datorate poluării electromagnetice ale mediului, recent au fost elaborate modele de calcul

care permit evaluarea impactului unor instalaţii de transport, distribuţie sau utilizare a

energiei electrice asupra unor structuri metalice reprezentative, respectiv calculul

curenţilor şi tensiunilor induse în structurile metalice perturbate. Prin aplicarea acestor

modele de calcul, pentru structura de rezistenţă din beton armat a unui pod de

traversare a mai multor linii de cale ferată electrificată, s-a constatat o bună

concordanţă între locurile cu valori maxime ale curenţilor induşi şi degradările fizice

ale structurii podului.

Pe lângă efectul accelerator de coroziune al poluării electromagnetice a mediului,

de remarcat este faptul că tensiunile în c.a. induse în structurile metalice victimă

(instalaţii industriale sau civile, cum ar fi conductele de transport şi distribuţie a gazelor

naturale) din liniile de transport şi distribuţie a energiei electrice, în unele cazuri, pot

avea valori periculoase, ceea ce în absenţa unor soluţii tehnice de protecţie adecvate pot

periclita securitatea / integritatea operatorilor şi sau a consumatorilor.

- 21 -

2.2. Poluarea electromagnetică generată de telefonia

mobilă

2.2.1. Generalitaţi

În acord cu normele de limitare a expunerii organismelor la câmp

electromagnetic, în domeniul microundelor se impun restricţii de bază, în termeni

energetici, pentru prevenirea efectelor de încălzire locală sau globală a corpului.

Astfel, referitor la pătrunderea în organism a undelor electromagnetice în gama

0,1 ÷ 10 GHz (microunde), în cazul expunerii necontrolate a populatiei sunt impuse

limite ale puterii specifice (Specific Energy Absorbtion Rate - SAR) de 0.08 W/kg în

medie pentru intregul corp şi 2 W/kg localizat în cap sau trunchi (valoare medie în

timp şi mediata spaţial pe un volum de ţesut în jurul valorii punctuale maxime).

În scopul limitării puterii surselor de câmp electromagnetic, normele indică şi

niveluri de referinţă pentru mărimi derivate din restricţiile de bază, determinate prin

calcul şi experiment, în condiţii specifice de expunere (în general cele mai

defavorabile).

Pentru expunerea populaţiei la câmp electromagnetic în gama 400 ÷ 2000 MHz

normele de protecţie indică valori limită (valori efective în expunerea de durată)

pentru:

• intensitatea câmpului electric E = 1,375 f1/2 V/m;

• pentru intensitatea câmpului magnetic H = 0,0037 f1/2 A/m;

• pentru densitatea de putere a undei plane DP = 0,005 f W/m2 (frecvenţa

f se introduce in MHz).

Gama de frecvenţe la care funcţionează în prezent telefonia mobilă în lume,

inclusiv în România este specificată în tabelul 2.1.

- 22 -

Tipul de telefonie Zona geografică Domeniul de frecvenţă

CDMA Romania 450 MHz

GSM Europa, inclusiv Romania 900 MHz si 1800 MHz

GSM SUA 850 MHz si 1900 MHz

UTMS (va inlocui GSM) Europa 2200 ÷ 2400 MHz

Tabelul 2.1. Frecvenţe uzuale în telefonia mobilă

Nivelul de emisie electromagnetică poate fi caracterizat prin câtiva parametri,

după cum urmează:

• puterea maximă (valori uzuale la care sunt proiectate aparatele):

o 3 W - pentru telefoanele din maşină;

o 0.75 ÷ 1 W - pentru telefoanele de mână.

• puterea medie (valori calculate) pentru telefoanele în sistemul GSM:

o 0.25 W - pentru 900 MHz;

o 0.125 W - pentru 1800 MHz;

o puterea medie se modifică o dată cu distanţa faţă de antenă şi cu

sistemul de transmisie.

Puterea maximă admisă pentru telefoanele în sistemul GSM în acord cu

recomandările UE este de:

o 2 W - pentru 900 MHz;

o 1 W - pentru 1800 MHz.

• intensitatea câmpului electric (valoare calculată) în aer, la distanţa de 2.2

cm faţă de antena aparatului:

o 400 V/m - pentru 900 MHz;

o 200 V/m - pentru 1800 MHz.

• intensitatea câmpului electric (valoare calculată) la adâncimea de 1.4 cm

în interiorul capului, pe partea pe care se ţine aparatul:

- 23 -

o 120 V/m - pentru 900 MHz;

o 70 V/m - pentru 1800 MHz .

Limita (valoarea efectivă la expunere îndelungată) recomandată în UE pentru

expunerea la frecvenţele din gama microundelor este calculată cu relaţia 1.375*f1/2, cu

frecvenţa f exprimată în MHz, ceea ce conduce la valorile de 41.25 V/m, respectiv

58.34 V/m.

• Inducţia magnetică (valoare calculată): 10-6 T - pentru ambele frecvenţe.

Limita (valoarea efectivă la expunere îndelungată) recomandată în UE pentru

expunerea la frecvenţele din gama microundelor este calculată cu relaţia 0.0046*f1/2,

cu frecvenţa f, ceea ce conduce la valorile de 0.138*10-6 T, respectiv 0.195 10-6 T.

Evaluarea interacţiunii dintre câmpul electromagnetic de înaltă frecvenţă şi

ţesuturile biologice se concretizează în prezent prin determinarea puterii specifice

SAR (Specific Energy Absorbtion Raţe) atât ca distribuţie în corp, cât şi ca variaţie în

timp.

SAR cuantifică acumularea de putere (ceea ce în timp înseamnă dezvoltarea de

căldură) în ţesuturile expuse. SAR poate, de asemenea, să fie utilizată şi pentru

cuantificarea unor efecte biologice netermice, ca de exemplu circulaţia ionilor de Ca2+,

în mod deosebit în cadrul sinapselor neuronale şi neuro-motorii, sau stimularea

creşterii ţesutului osos.

SAR este determinată ca o valoare medie pe întregul corp sau pe o porţiune

expusă şi se defineşte drept rată cu care energia este absorbită de unitatea de masă a

ţesutului (corpului); se măsoară în W/kg. Nivelul maxim al SAR recomandat în UE,

conform normelor ICNIRP este de 0.8 W/kg pentru întregul corp şi de 2 W/kg la

nivelul capului şi toracelui. Medierea este considerată pe 10 g ţesut omogen şi pentru

un interval de timp de 6 minute.

O altă mărime care cuantifică expunerea la radiaţie în domeniul microundelor

este ES (energia specifică), absorbită de unitatea de masă a corpului; se măsoară în

[J/kg]. De asemenea, se utilizează şi DP (densitatea de putere) că fiind puterea

- 24 -

radiaţiei de înaltă frecvenţă aplicată perpendicular unei suprafeţe, raportată la acea

suprafaţa; se măsoară în [W/m2].

Normele actuale de limitare a expunerii, cât şi estimările asupra pericolului pe

care expunerea la câmp electromagnetic de înaltă frecvenţă îl poate reprezenta pentru

sănătate sunt bazate pe ideea evitării efectelor termice ale expunerii. Cercetările

actuale în privinţa efectelor asupra sănătăţii a expunerii la câmp electromagnetic din

domeniul microundelor vizează şi alte mecanisme de interacţiune în afarăa celor care

provoacă încălzirea ţesutului.

2.2.2. Proprietăţile electrice de material ale mediilor biologice în

domeniul radiofrecvenţelor şi microundelor, gama 105 ÷ 1011 Hz

Comportarea în câmp electromagnetic a mediilor biologice se explică prin

procese microscopice, la nivelul deplasării purtătorilor de sarcină (electroni şi ioni) şi

a moleculelor cu structuri dipolare, iar în modelarea numerică a câmpului

electromagnetic (în zona radiaţiei neionizante) interesează comportarea globală a

ţesuturilor şi astfel este necesară cunoaşterea proprietăţilor macroscopice de tip

conductivitate şi permitivitate electrică.

Aspectul general sub care se prezintă în continuare aceste proprietăţi este al

considerării răspunsului lor la câmpul electromagnetic aplicat din exterior, neglijând

interacţiunea cu sursele active din organism.

Astfel, conducţia electrică are la bază deplasarea dirijată a purtătorilor liberi de

sarcină (electroni şi ioni) sub acţiunea câmpului electric, iar mobilitatea purtătorilor de

sarcină şi capacitatea mediului de a favoriza această deplasare condiţionează mărimea

conductivităţii electrice a mediului. Ea este afectată de temperatură şi de frecvenţă de

variaţie în timp a câmpului electric.

Proprietăţile dielectrice ale unui mediu sunt explicate prin aşa numitele procese

de polarizare, care reprezintă procese de orientare a purtătorilor de sarcină în prezenţa

- 25 -

câmpului electric. Rezultă astfel asimetrii în distribuţia sarcinilor pozitive şi negative

din sistemul fizic respectiv, în condiţiile menţinerii legăturilor fizico-chimice.

Sunt puse în evidenţă patru categorii de procese de polarizare:

• polarizarea electronică;

• polarizarea atomică;

• polarizarea de orientare sau de dipol;

• polarizarea de neomogenitate (de interfaţă).

Fenomenele de polarizare contribuie, fiecare, la stabilirea proprietăţilor

electrice şi imprimă un anumit mod, neliniar, de variaţie cu frecvenţă a permitivităţii

şi a conductivităţii, denumit mod de relaxare sau dispersie.

Forma tipică de dispersie pentru permitivitatea, respectiv pentru

conductivitatea electrică a mediilor biologice este prezentată în figura 2.9. unde fc

reprezintă frecvenţa de relaxare, numită şi frecvenţa caracteristică.

a. forme generale de dispersii ale conductivitatii b. dispersiile ά, β, γ

permitivităţii electrice relative şi ale permitivităţii electrice

Figura 2.9. Reprezentări schematice ale dispersiilor permitivităţii mediilor biologice

- 26 -

Un mod de relaxare (o dispersie), valabil pentru un anumit tip de polarizare,

adică o curbă ( )fε , sau ( )fσ se poate exprima printr-o funcţie analitică; dintre

modelele propuse în literatură pentru această aproximare analitică, ecuaţiile de tip

Debye sunt cel mai mult utilizate în aplicaţiile de calcul:

( )( )2/1 c

s

fff

+

ε−ε+ε=ε ∞

∞

respectiv,

( )( )

( )22 /

/1 cc

ss ff

fff

+−

+= ∞ σσσσ

În cazul mediilor biologice se pot identifica trei domenii de frecvenţă

corespunzătoare dispersiilor de tip β, γ, ά pentru permitivitate, reprezentate în figura

2.9. b, iar pentru unele dintre ele se evidenţiază şi dispersia de tip δ:

• dispersia α corespunde frecvenţelor în gama 10A ÷ 104Hz şi este

datorată în principal polarizării de neomogenitate, puternic afectată de

structură specifică a ţesuturilor celulare, de prezenţa membranelor ca

interfeţe între medii cu proprietăţi electrice diferite şi pe ale căror

suprafeţe se acumulează sarcini electrice şi de permeabilitatea selectivă

a acestora la trecerea ionilor (fenomen tipic membranelor biologice);

• dispersia β corespunde frecvenţelor în gama 105 ÷ 107 Hz şi se

datorează cu precădere polarizării de orientare;

• dispersia γ apare ăn jurul frecvenţei de 25 GHz, care corespunde

frecvenţei de relaxare a apei la temperatura obişnuită a organismului

uman, de circa 37 Cº; această dispersie este condiţionată de prezenţa

moleculelor libere de apă în ţesuturi şi se explică prin polarizarea de

orientare a acestor molecule; la temperaturi mai scăzute, frecvenţa de

relaxare scade, de exemplu pentru temperatura medie ambientală de

20Cº aceasta se situează în gama de 19 ÷ 20 GHz;

- 27 -

• dispersia δ nu apare la toate categoriile de ţesuturi şi ca domeniu de

frecvenţe este inclusă de dispersia γ, corespunzând unei game de

frecvenţe restrânse, 108 ÷ 109 Hz; fenomenele de polarizare pe baza

cărora se explică sunt polarizări de orientare ale unor molecule polare de

mici dimensiuni, legate mai slab în structuri chimice şi având un

oarecare grad de mobilitate (pentru mişcare de rotaţie); în multe cazuri

acestea sunt chiar molecule de apă.

În cazul mediilor biologice şi în domeniul câmpului electromagnetic hertzian

sunt importante polarizările de orientare şi de neomogenitate, mai ales la nivelul

interfeţelor formate de membranele celulare, în timp ce frecvenţele de relaxare pentru

polarizările electronică şi atomică sunt mai mari de 3*1011 Hz.

Conductivitatea electrică are şi ea variaţii ale valorilor cu frecvenţă şi poate, de

asemenea, să fie reprezentată prin expresii similare. Ne vom referi doar la

proprietăţile de mediu în gama de frecvenţe a microundelor 0,1 ÷ 10 GHz, pentru

ţesuturi anatomice expuse în condiţiile utilizării telefoniei mobile, adică straturile

anatomice din zona capului.

2.2.3. Model 3D cu formă realistă a capului şi structură internă

omogenă

Printr-o procedură de reconstrucţie anatomică 3D s-a realizat un domeniu de

calcul pentru capul uman. Structura interioară este omogenă, formată dintr-un mediu

cu proprietăţi electrice echivalente. Studiul a considerat sursă de radiaţii ca fiind o

antenă dipolara care emite la puterea de 125 mW şi frecvenţă de 1800 MHz şi este

plasată în vecinătatea capului, la 1 cm distanţă. Problema de calcul al câmpului

electromagnetic a fost soluţionată cu o reţea de tetraedre, cu 6896 noduri şi 38097

elemente.

- 28 -

În figurile 2.10. şi 2.11. sunt prezentate rezultate de calcul reprezentând

repartiţia intensităţii câmpului electric E (valori maxime), respectiv a puterii specifice

SAR, în două plane de valori maxime, planul longitudinal structurii (care include şi

antena) şi planul transversal, perpendicular pe antenă.

Figura 2.10. Intensitatea câmpului electric E (valori maxime) reprezentată în plane de

secţiune longitudinală (stânga) şi transversală (dreapta) faţă de antenă

Figura 2.11. Puterea specifică SAR, reprezentată în plane de secţiune longitudinală

(stânga) şi transversală (dreapta) faţă de antenă

- 29 -

2.2.4. Studiul suprapunerii a două câmpuri armonice de

frecvenţe diferite

În telefonia mobilă se utilizează semnale armonice modulate şi semnale în

pulsuri. Majoritatea publicaţiilor care analizează problema de câmp electromagnetic în

condiţiile telefoniei mobile consideră regimul armonic al purtătoarei semnalului,

componenţa principală transportatoare de energie electromagnetică, la frecvenţe în

gama 0.1 ÷ 2 GHz, respectiv valorile uzuale pentru sistemul GSM de 0.9 şi 1.8 GHz. În cadrul sistemului GSM, fiecărui utilizator i se alocă un canal de frecvenţă cu

lăţimea de 200 khz; astfel, în jurul frecvenţei de 0.9 GHz se utilizează de fapt o bandă

de frecvenţe lată de 35 Mhz, care cuprinde 175 canale, iar în jurul frecvenţei de 1.8

GHz se utilizează o bandă de frecvenţe lată de 75 Mhz, care cuprinde 375 canale.

Sistemul de transmisie GSM funcţionează cu o tehnologie de transmisie

economică, numită Time Division Multiple Access – TDMA, care permite ca fiecare

canal de transmisie să fie, la rândul său, utilizat în comun de 8 telefoane care pot

funcţiona simultan; astfel informaţia este transmiăa în pachete compacte de câte 0.58

ms, care se succed cu frecvenţa de 216 Hz (sau, la intervale de câte 1/216 = 0.00464 s

= 4.64 ms).

La nivelul antenei aparatului telefonic, în timpul unei convorbiri, sunt emise şi

primite semnale sub formă de pulsuri cu durată de 0.58 ms şi frecvenţă de 216 Hz,

fiecare puls fiind de fapt o undă armonică cu frecvenţă apropiată de 0.9 respectiv 1.8

GHz.

Problema de câmp se poate descompune în două probleme armonice, una

pentru frecvenţa purtătoarei (0.9 GHz sau 1.8 GHz) şi cealaltă pentru frecvenţa de

modulaţie de 216 Hz. Datorită liniarităţii mediului în care se propagă radiaţia

electromagnetică, soluţiile celor două probleme pot fi în final suprapuse pentru studiul

efectelor cumulative. De fapt, în acest caz nu se poate vorbi de efecte cumulative,

deoarece efectele biologice sunt distincte pentru câmp electromagnetic de înaltă,

respectiv de joasă frecvenţă.

- 30 -

Pătrunderea radiaţiei de 0.9 sau 1.8 GHz în mediul biologic (dielectric cu

pierderi la această frecvenţă înaltă) are preponderent efecte termice, în timp ce la joasă

frecvenţă mediul biologic este preponderent conductor, iar câmpul magnetic incident

şi cel electric incident se pot decupla.

Pătrunderea câmpului magnetic variabil în timp produce, prin inducţie

electromagnetică, un câmp electric indus care dă naştere în mediul conductor la

curenţi turbionari; aceştia pot avea efecte biologice de stimulare; în acest caz avem de

rezolvat o problemă cuasistaţionară.

Câmpul electric incident este practic ecranat de mediul biologic, amplitudinea

sa reducându-se cu mai multe ordine de mărime la trecerea din aer în ţesut; astfel,

amplitudunea acestuia este nesemnificativă prin comparaţie cu a câmpului electric

rezultat prin inducţie electromagnetică.

2.2.5 Studiul problemei cuplate câmp electromagnetic – câmp

termic

Localizarea de energie în ţesutul expus la radiaţie, transformarea acesteia în

căldură şi tendinţa organismului de a disipa căldură prin procesele fiziologice naturale

sunt fenomene care se iau în considerare în rezolvarea problemei cuplate. Ecuaţia care

descrie procesele are forma:

şi exprimă rata de creştere a temperaturii locale; în ecuaţie mai intervin:

• - creşterea de temperatură;

• Pm – rata de încălzire datorată aportului energetic metabolic;

• Pc – rata de cedare a căldurii prin conducţie termică;

• Pb – rata de cedare a căldurii prin circulaţie sanguină;

• C – capacitatea calorică specifică a tesutului.

- 31 -

Ecuaţia se poate trata în cazul mai simplu în care se consideră că înaintea

expunerii la câmp electromagnetic organismul se află în echilibru termodinamic (Pm =

Pc + Pb) şi procesele fiziologice se menţin neschimbate şi în timpul expunerii.

Studiul problemei cuplate prezintă interes pentru următoarele motive:

• calculul termic permite determinarea nivelului maxim al sursei de

radiaţie (emisia antenei) limitat astfel încât să nu fie depăşite limitele

termice admisibile în organism;

• este necesară compararea, din punct de vedere al efectului termic, a

limitărilor impuse de normele în vigoare asupra valorilor SAR

admisibile.

- 32 -

Capitolul III

Poluarea electromagnetică în sisteme electrice

Odată cu folosirea intensivă a circuitelor integrate, problema interferenţei şi

susceptibilităţii electromagnetice a devenit o condiţie în proiectarea unor echipamente

de automatizare de înaltă fiabilitate.

Interferenţa electromagnetică este reprezentată printr-un semnal nedorit, care

este indus datorită câmpului electromagnetic poluant, semnal care poate defecta

funcţionarea unui echipament sau sistem. Interferenţa electromagnetică poate fi

definită ca o poluare electromagnetica, la fel de periculoasă ca poluarea aerului sau a

apei în mediul ambiant.

Din punct de vedere al compatibilităţii electromagnetice, există emiţătoare de

perturbaţii electromagnetice şi receptoare de perturbaţii electromagnetice.

Emiţătoare se consideră:

• lămpile cu descărcări în gaze, în faza aprinderii;

• sistemul DELCO de aprindere la autovehicule;

• sistemele de emisie radio, TV, radar;

• exploziile nucleare;

• descărcările atmosferice între nori sau între nor şi pământ;

• motoarele electrice cu colector.

Receptoare se consideră:

• sistemele de automatizare cu semiconductoare, care pot recepţiona

semnale false;

• sistemele de recepţie a informaţiilor (telefonice, televizate, radar);

• sistemele de măsurare electrică a mărimilor electrice şi neelectrice

(osciloscoape, etc.);

- 33 -

• reţelele de calculatoare;

• microscopul electronic.

Sursele de zgomot electromagnetic sunt cauzate de fenomene naturale sau

artificiale, ca de exemplu:

• zgomotele electrice generate de furtuni electrice, reprezintă surse

naturale de zgomote electromagnetice cu frecvenţe sub 10 MHz;

• zgomotele generate de radiaţiile solare şi zgomotele cosmice reprezintă

surse naturale de zgomote cu frecvenţe peste 10 MHz;

• zgomotele electrice artificiale sunt generate de activităţile umane şi pot

fi neintenţionat sau intenţionat create.

Sursele neintenţionat create de om sunt echipamente a căror funcţionare nu are

ca scop emisia de câmpuri 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 electromagnetică intenţionat create de activitatile umane

sunt acele echipamente a căror funcţionare normală constă în emisia de semnale

electromagnetice, ca de exemplu echipamente radar, radiouri mobile, echipamente cu

modulare în frecvenţă sau amplitudine etc.

3.1. Armoniciile Armonicile provoacă perturbaţii în reţea şi funcţionări proaste ale altor

echipamente electrice, electronice şi informatice. Echipamentele electrice având caracteristica tensiune-curent neliniarǎ sau

variabilǎ (sarcini neliniare) în timp determinǎ apariţia unor efecte perturbatoare în

reţelele de joasǎ tensiune sub forma de componente spectrale şi fluctuaţii de tensiune. Printre sursele de armonici se numară:

• sisteme de acţionare cu motoare de c.c;

- 34 -

• acţionǎri reglabile de c.a;

• redresoarele de putere din staţiile de transformare;

• transformatoarele şi maşinile electrice.

Reprezentarea unei armonici:

Figura 3.1. În domeniul timp

Figura 3.2. În domeniul frecvenţă

Parametrii armonicii de ordin n sunt:

• Amplitudinea teoretică

= ,

- 35 -

unde:

o n - rangul armonicii;

o An - amplitudinea armonicii de rang n;

o A1 - amplitudinea fundamentalei.

Amplitudinea armonicii de curent depinde de impedanţa circuitului

• Frecvenţa :

Efectele negative ale armonicilor sunt:

• reducerea factorului de putere;

• produc suprasolicitări dielectrice şi termice ale condensatoarelor şi

motoarelor;

• funcţionǎri false ale instalaţiilor de măsurare, comandǎ şi reglare,

precum şi ale instalaţiilor de prelucrare a datelor, regulatoarelor

electronice de iluminare, sistemelor de conducere a proceselor

industriale;

• perturbarea instalaţiilor de telecomandǎ şi a instalaţiilor de semnalizare

la distanţǎ;

• în cazul fluctuaţiilor de tensiune, poate fi afectatǎ şi fiinţa umanǎ,

deoarece fluctuaţiile luminozităţii instalaţiilor de iluminat provoacă, în

anumite condiţii, reacţii fiziologice intolerabile în lanţul lampǎ – ochi -

creier.

Metode de antiparazitare:

• în curent continuu:

o diode;

o varistoare;

o grupuri RC.

- 36 -

• în curent alternative:

o varistoare;

o grupuri RC;

3.2. Interferenţe de mod diferenţial şi de mod comun În cazul în care semnalul util este transferat de la sursă la receptor prin

intermediul conductoarelor electrice, pot apărea interferenţe sub forma unor curenţi

de conducţie.

Funcţie de modul de intrare al acestor curenţi prin bornele receptorului există:

• interferenţe de mod diferenţial - apar atunci când curentul de interferenţă

intră printr-o bornă a receptorului şi iese prin borna cealaltă;

• interferenţe de mod comun - în acest caz curentul de interferenţă intră

prin ambele borne ale receptorului şi se închide prin capacităţi parazite.

Interferenţa este importantă dacă valoarea curentului este mare, iar frecvenţa

armonicelor este de ordin superior.

3.3. Cuplaje

Interferenţa asupra receptorului se transmite de la sursa de interferenţa prin

intermediul unui cuplaj.

3.3.1. Cuplajul galvanic

Se pot distinge două categorii de cuplaje galvanice:

• cuplaj galvanic între circuitele funcţionale;

• cuplaj galvanic datorită legării la pământ a echipamentului.

- 37 -

Cuplaj galvanic între circuitele funcţionale

Dacă două sau mai multe circuite au o impedanţă comună, atunci trecerea

curentului prin impedanţa comună poate distorsiona curenţii din toate circuitele

cuplate galvanic.

Măsuri de neutralizare la alimentare - se consideră două receptoare (A, B)

alimentate din sursa S prin intermediul unei linii comune, cu impendanţa Z= R+jωL.

Figura 3.1.

Soluţiile sunt:

• dispunerea unui condensator de mare capacitate la ieşirea sursei şi

utilizarea unor linii de alimentare distincte pentru cele două receptoare,

figura 3.2.a) ;

• alimentarea fiecărui receptor de la o sursă proprie, figura 3.2. b).

a) b)

Figura 3.2.

- 38 -

Cuplaj galvanic datorat legării la pământ

Între două prize de pământ P1 şi P2 situate la distanţa d, există o diferenţă de

potenţial, care depinde de poziţia geografică a terenului şi de evetualele instalaţii

industriale din zonă.

Diferenţa de potenţial dintre prizele P1 şi P2 se datoreaza curenţilor vagabonzi

din pământ.

Figura 3.3. Diferenţa de potenţial dintre două prize de pământ P1 şi P2.

Din punct de vedere al CEM se poate considera ca între prizele de pământ

există o t.e.m. echivalentă de influenţare.

Măsuri de neutralizare - se izolează aparatul de măsurat AM. Capacitatea

parazită Cp determină o micşorare a curentului datorat t.e.m. echivalente edp.

Figura 3.4.

- 39 -

3.3.2. Cuplajul inductiv

Circuitele 1 şi 2 din figura 3.5. sunt cuplate inductiv, adică o parte din fluxul

magnetic produs de trecerea curentului într-un circuit străbate bucla formată de

celălalt circuit.

Figura 3.5. Cuplaj inductiv între două circuite, unde:

E1, E2 – t.e.m. ale surselor; Zs1, Zs2 – impedanţele interne ale surselor; Z1, Z2 – impedanţele

liniilor de legătură; Zr1, Zr2 – impedanţele receptoarelor.

În cele două circuite interferate apar t.e.m. de interferenţă.

Mijloace de neutralizare:

• soluţii generale: o conexiuni scurte;

o conductoare dus-întors răsucite;

o conexiuni în cablu coaxial pentru circuitele de forţă şi

pentru circuitele de măsurare;

o aşezare geometrică astfel încât să existe un transfer minim

de flux magnetic în bucla circuitului vecin.

• soluţii particulare:

o şuntul coaxial pentru măsurarea curenţilor cu variaţii rapide;

- 40 -

o ecranarea suplimentară a cablului coaxial şi folosirea cabinei

ecranate.

3.3.3. Cuplajul capacitiv

Cuplajul capacitativ apare între conductoare care se găsesc la potenţiale diferite

şi se datorează existenţei capacităţilor parazite.

În figura 3.6. linia 1 este supusă tensiunii U1 faţă de pământ. Ca urmare a

diferenţei de potenţial, se produce între conductoare un camp electric, care este

modelat în schema echivalentă printr-o capacitate parazită C1. Linia 2 primeşte

tensiunea U2 datorată capacitaţilor parazite C1, C2 şi rezistenţei de pierderi R2.

Figura 3.6.

Mijloace de neutralizare:

• în instalaţiile din tehnica măsurării şi din informatică, conductorul 2 se

introduce într-un ecran conectat la pământ (figura 3.7.).

Figura 3.7.

- 41 -

Liniile de câmp care pornesc de la linia 1 se termină toate pe ecranul pus în

pământ, astfel încât curenţii prin C1 circulă direct la pământ şi nu provoacă căderi de

tensiune perturbatoare pe linia 2.

• în tehnica curenţilor intenşi se recurge la formarea unui divizor de

tensiune capacitativ cu capacităţi mult superioare faţă de capacităţile

parazite.

3.3.4. Cuplajul prin radiaţia electromagnetică

Reprezintă interferenţa provocată de câmpurile electromagnetice, variabile în

timp, asupra liniilor electrice.

Câmpul electric şi câmpul magnetic se pot considera independente numai la

frecvenţe joase şi în apropierea sistemului perturbator. La frecvenţe înalte şi la mare

distanţă de sistemul perturbator, câmpurile electrice şi magnetice apar împreună fiind

legate prin legea inducţiei electromagnetice.

Neutralizarea efectului radiaţiei electromagnetice se realizează cu ajutorul

filtrelor, ecranelor şi a spaţiilor ecranate.

3.4. Filtre electrice

Filtrele electrice au rolul de a atenua interferenţele de conducţie, care altfel ar fi

introduse în echipamentul electric sau electronic prin conductoarele de legătură între

sursă şi echipament, sau prin linia electrică de alimentare a echipamentului.

Din punct de vedere al rolului funcţional, filtrele se clasifică în:

• filtre pentru semnalul util;

• filtre de reţea.

Din punct de vedere al caracteristicii de frecvenţă, filtrele se clasifică în:

• filtre trece-jos;

• filtre trece-sus;

• filtre trece-bandă;

- 42 -

• filtre cu bandă de rejecţie.

Figura 3.7. Poziţia filtrului de semnal util şi a celui de reţea.

Criteriul de bază în clasificarea filtrelor după caracteristica de frecvenţă îl

constituie atenuarea de -3 dB. Parametrii specifici filtrelor electrice sunt atenuarea şi

defazajul.

Atenuarea este raportul între mărimea de intrare şi mărimea de ieşire (puteri,

tensiuni sau curenţi).

Defazajul este unghiul dintre mărimea de intrare şi cea de ieşire (tensiuni sau

curenţi sinusoidali).

Filtrele atenuează transmiterea perturbaţiilor prin conducţie. Utilizarea lor fără

probleme presupune ca, pe cât posibil, componentele spectrale ale semnalului util sunt

separate de componentele spectrale ale perturbaţiilor.

Printr-o alegere corespunzătoare a frecvenţelor de tăiere şi a pantei flancurilor

funcţiilor de transfer ale filtrelor se obţine o atenuare selectivă a perturbaţiilor, fără o

infuenta importantă asupra semnalului util.

Componentele pasive ale filtrelor formează, împreună cu impedanţele surselor

şi ale receptoarelor, divizoare de tensiune al căror raport de divizare, dependent de

frecvenţă, reprezintă atenuarea reală a filtrului.Deoarece o impedanţă internă redusă a

sursei de pertubatii de înaltă frecvenţă nu permite o divizare importantă a tensiunii,

prin conectarea în serie a unor bobine acest raport de divizare se poate mări.

Componentele de bază ale filtrelor elementare sunt:

• impedanţe longitudinale (bobine);

• impedanţe transversale (condensatoare).

- 43 -

3.4.1. Filtre electrice pasive pentru semnalul util

Introducerea unui filtru între sursă şi receptor conduce la formarea unui divizor

de tensiune, pe baza căruia se poate aprecia eficienţa filtrului. Atenuarea depinde de

frecvenţa semnalului perturbator dar şi de impedanţa sursei şi a receptorului.

Figura 3.8. Conexiunea standard pentru determinarea practică a atenuării unui filtru electric

Determinarea practică a eficienţei unui filtru se face astfel:

• se standardizează impedanţele sursei şi receptorului;

• se măsoară tensiunea de interferenţă în absenţa filtrului şi în

prezenţa filtrului. Atenuarea va fi:

a=

- 44 -

3.4.2. Filtre de reţea

Filtrul de reţea se plasează între reţeaua electrică şi aparatul electric sau

electronic.

Din punct de vedere funcţional, filtrul de reţea este un filtru trece - jos.

Atenuarea produsă la trecerea curentului de 50 Hz prin filtru este nesemnificativă, în

timp ce la frecvenţe superioare atenuarea este foarte mare.

Rolul funcţional al filtrului de reţea este atât de a opri ca semnalele de

interferenţă să pătrundă din reţeaua electrică de alimentare în aparatul electric sau

electronic, cât şi de a opri că semnalele de interferenţă produse de funcţionarea unui

receptor să fie transmise în reţea. Filtrul trebuie să fie eficient atât pentru semnalele de

interferenţă de mod diferenţial, cât şi pentru semnalele de interferenţă în acelaşi tact.

Figura 3.9. Schema electrică a unui filtru de reţea.

Pentru frecvenţa de exploatare 50 Hz fluxurile magnetice Ф produse de cele

două bobine se anulează, cu excepţia unui mic flux de dispersie. În acest caz efectul

de filtrare este produs numai de condesatoarele C1 şi C2, de capacitate mare. Când

filtrul nu este în serviciu, descărcarea condensatoarelor C1 şi C2 este asigurată de

rezistenţa R. În acest mod de funcţionare, condensatoarele C3 şi C4 nu joacă un rol

esenţial.

- 45 -

3.4.3. Filtre pentru reţele trifazate

Invertorul static constituie una dintre cele mai supărătoare surse de perturbaţii

care se propagă pe linia de alimentare cu energie electrică şi, ca urmare, poate produce

efect de interferenţă asupra altor receptoare conectate la linie.

Efectul perturbator se datorează armonicilor de înaltă frecvenţă care apar în

procesul de choppare cu front drept. Aceste armonici excită reţeaua de inductivităţi şi

capacităţi parazite şi provoacă astfel oscilaţii pe frecvenţe proprii. Fără nici o protecţie

împotriva acestor oscilaţii de înaltă frecvenţă are loc atât o propagare galvanică pe

conductoarele reţelei, cât şi o radiaţie electromagnetică directă în mediul ambiant.

Măsuri pentru eliminarea acestor interferenţe:

• se introduce convertorul static într-o cutie metalică conectată la pământ;

• linia de alimentare dintre convertor şi consumator se ecranează prin

introducerea conductoarelor într-o ţeavă metalică sau prin folosirea unui

cablu ecranat cu manta din liţă metalică;

• convertorul static se alimentează prin intermediul unui filtru trifazat

trece - jos, filtru a cărui carcasă metalică este în contact direct cu cutia

metalică a convertorului.

Figura 3.10. Măsuri pentru eliminarea interferenţelor cauzate de funcţionarea convertorului

static.

- 46 -

3.4.4. Filtre pentru hiperfrecvenţe

În domeniul producerii microundelor (cu magnetroane, klystroane, f= 2450

MHz, 5800 MHz, 22125 MHz în Europa), pentru utilizări în tehnică radar şi în

transmiţătoarele de microunde, filtrarea instalaţiilor de frecvenţă joasă se realizează cu

ajutorul filtrelor de absorbţie, în domeniul de frecvenţă 100 MHz ÷ 100 GHz.

În domeniul microundelor, filtrele de absorbţie sunt mai avantajoase decât

filtrele cu bobine pe miez de ferită pentru că se elimină reflexiile, formarea de unde

staţionare, discontinuitatea de impendanţa, conectarea la pământ.

Filtrele de absorbţie se construiesc în două variante:

• varianta solenoidală;

• varianta flexibilă.

- 47 -

Capitolul IV

Măsurări ale poluării electromagnetice

4.1. Metode de măsură

Principala problemă a măsurărilor constă în determinarea interacţiunii dintre

perturbaţii şi echipamentele electronice.

Marimile care se măsoara cel mai frecvent sistemele electrice sunt:

• tensiunile perturbatoare;

• curentţii perturbatori.

În procesul de măsurare pot apărea şi mărimi de interferenţă. O condiţie

primordială a măsurărilor este aceea de asigurare a reproductibilităţii acestora. Acest

lucru este posibil pentru perturbaţiile care se transmit prin conducţie sau sunt unde

continue, însă la măsurarea perturbaţiilor tranzitorii pot apare probleme mari.

Cel mai uşor se măsoară curenţii şi câmpurile magnetice. Celelalte tipuri de

măsurători pot fi afectate de erori sistematice şi incertitudini de măsurare importante.

Măsurările se pot clasifica în două categorii:

• măsurarea perturbaţiilor emise de echipamente;

• testarea imunităţii echipamentelor la perturbaţii.

Având în vedere fenomenele complexe ce iau naştere în procesul de producere,

propagare şi recepţionare a perturbaţiilor, o importanţă deosebită o prezintă locul în

care se face măsurarea. Astfel, măsurările se pot efectua :

• în laboratoare special amenajate (camere ecranate, camere anechoice,

etc);

• în spaţii libere (măsurările de radiaţie);

• în locul de montare al echipamentelor.

- 48 -

Primele tipuri asigură teste (reproductibile) şi se folosesc la validarea

echipamentelor conform normelor.

Măsurările efectuate la locurile de montare pot ridica o serie de probleme din

cauza prezenţei unor surse de perturbaţii suplimentare.

Măsurările privind emisia perturbaţiilor folosesc mijloace de măsurare

specifice, care preiau informaţia de măsurare prin intermediul unor :

• senzori – cum ar fi:

o divizor rezistiv;

o divizor capacitive;

o divizor mixt de serie R-C;

o divizor universal;

• sonde de curent (cleşti);

• dipoli electrici;

• bobine de curent;

• antene – cum ar fi:

o antene de recepţie dipol;

o antene de recepţie cadru.

Mărimile măsurate şi mijloacele de măsurare folosite sunt :

• tensiuni :

o tensiuni înalte statice sau în impuls (exemple de mijloace de

măsurare: divizoare de tensiune şi voltmetre);

o tensiuni cu durată mare (exemple de mijloace de măsurare:

sisteme de achiziţie a datelor);

o semnale de bandă îngustă sau largă (exemple de mijloace de

măsurare: osciloscoape analogice, numerice sau cu memorie;

analizoare spectrale).

• curenţi (exemple de mijloace de măsurare: cleşti de curent si mijloace de

măsurare a tensiunii).

- 49 -

• câmpuri electromagnetice:

o câmpuri electrice (exemple de mijloace de măsurare: electrometre

aparate pentru măsurarea intensităţii câmpului electric);

o câmpuri magnetice (exemple de mijloace de măsurare: antenă

buclă sau sonde de curent şi mijloace de măsurare a tensiunii);

o câmpuri electromagnetice (antene şi mijloace de măsurare a

tensiunii).

4.2. Aspecte privind poluarea electromagnetică a LEA

înaltă tensiune asupra utilităţilor din vecinătate

Creşterea semnificativă a cererii de energie electrică din zilele noastre a dus la

mărirea densităţii liniilor de transport şi distribuţie a energiei electrice. În ciuda

beneficiilor aduse de utilizarea energiei electrice, riscurile creşterii poluării

electromagnetice datorate sporirii masive a densităţii liniilor electrice trebuie luate în

considerare şi evaluate.

În ultimii ani s-a asistat la o creştere explozivă a sistemelor şi reţelelor de

comunicaţii mobile. Acest fapt a implicat o creştere dramatică a necesarului de site-uri

de comunicaţii. Instalarea de noi turnuri pentru aceste sisteme a devenit din ce în ce

mai dificilă pe de o parte datorită lipsei de spaţiu disponibil iar pe de altă parte datorită

creşterii neîncrederii publice în efectele prezenţei acestor sisteme de emisie de înaltă

frecvenţă. În acest context, stâlpii LEA înaltă tensiune devin o alternativă viabilă în

raport cu soluţiile clasice.

Astfel, amplasarea antenelor pe stâlpi ai LEA poate fi o soluţie eficientă din

punct de vedere economic, al duratei de implementare şi al amplasării strategice din

punct de vedere al acoperirii cu semnal util al zonei. Această soluţie este utilizată în

ţări membre ale UE respectiv în America de Nord de câţiva ani iar numărul de astfel

de site-uri este în creştere rapidă.

- 50 -

În ciuda beneficiilor pe care soluţia le aduce, problema interferenţelor

electromagnetice mutuale între conductoarele LEA şi echipamentele de comunicaţii

amplasate pe stâlpii acestora ridică anumite semne de întrebare.

Pe de altă parte, dezvoltarea recentă în toate sectoarele economice a condus la

creşterea densităţii LEA aflate în vecinătatea unor structuri metalice utilitare dintre

care cele mai semnificative sunt sistemele de conducte metalice pentru transportul

diferitelor fluide precum apă, gaz, etc.

Există riscul apariţiei unor supratensiuni datorită interferenţelor

electromagnetice generate în conductele metalice subterane de către LEA înaltă

tensiune funcţionând în condiţii normale sau de defect. Siguranţa în exploatare a

acestor conducte materializată prin protecţia personalului de deservire, coroziune şi

protecţie catodică sunt câteva din aspectele care trebuie luate în considerare.

În această idee, lucrarea abordează două direcţii principale:

• interferenţele LEA cu sistemele de comunicaţii mobile;

• efectele LEA asupra utilităţilor metalice vecine acestora.

4.2.1. Interferenţele electromagnetice între conductoarele LEA de

înaltă tensiune şi antenele plasate pe stâlpii LEA gazdă

Studiul propus se referă la prima Staţie de Radiocomunicaţii (RBS) instalată în

România ale cărei antene sunt plasate pe un turn al unei LEA înaltă tensiune.

Amplasamentul este localizat în Vâlcele, o localitate în apropierea oraşului Cluj-

Napoca, la o distanţă de aproximativ 20 de km pe drumul European E60 în direcţia

Bucureşti. Locaţia folosită este stâlpul 73 Floreşti - Turda al LEA 110 kv aparţinând

companiei Electrica.

Poziţionarea şi alte câteva detalii tehnice sunt prezentate în figura 4.1.

- 51 -

Figura 4.1. Staţia de radiocomunicaţii de la Vâlcele

Aşa cum se poate observa, RBS are o antenă MW cu Φ 0.6 m şi două antene

RF, distanţele şi poziţiile plasamentului fiind menţionate în figura 4.1. Luând în

considerare dispunerile conductoarelor LEA din apropierea stâlpului, modelele

numerice 3D au fost dezvoltate pentru evaluarea numerică a nivelului interferenţelor

electromagnetice (EMI) dintre cele două sisteme.

Pentru calculul nivelului poluării electromagnetice generate de către LEA

înaltă tensiune în antenele MW şi RF, s-a luat în considerare un curent de fază de 150

A prin conductoarele LEA 110 kV.

- 52 -

Figura 4.2. Curenţii induşi în antene de către curenţii din conductoarele LEA 110 kV

aflată în regim normal de funcţionare

- 53 -

Figura 4.2. prezintă magnitudinea şi reprezentările vectoriale a densităţii

curentului indus pe suprafeţele antenelor considerând că LEA 110 kV lucrează în

condiţii normale de funcţionare. După cum se poate observa, valoarea maximă a

densităţii curentului indus este 5.8 mA/ , valoare nepericuloasă. Dacă un curent

de scurtcircuit de 15 kA apare în una din fazele LEA, valoarea actuală calculată a

curentului indus ar trebui multiplicată cu un factor 100 rezultând astfel o valoare

maximă de aproximativ 600 mA/ , valoare care de asemenea este nepericuloasă

pentru funcţionarea corectă a sistemului de comunicaţii.

În aceste condiţii concluzia acestui studiu de caz prezentat şi implementat

pentru prima data în România, este că nu există efecte EMI periculoase ale LEA 110

kV asupra antenelor RBS. Desigur, considerând cazurile cele mai defavorabile

posibile ale plasamentului antenelor în raport cu poziţiile conductoarelor LEA este

posibilă apariţia valorilor semnificative a densităţii de curent indus şi care ar putea fi

periculoase pentru funcţionarea RBS. Este de asemenea importantă poluarea

electromagnetică generată de către antenele RBS în conductoare LEA 110 kV.

Valoarea maximă a curentului indus calculată în cazul radiaţiilor antenei MW

este 8.63* A/ (valoarea reală fiind 4.315* A/ luând în considerare

EIRP al antenei). Această valoare s-a găsit în zona localizată la cea mai scurtă distantă

de la antenă la conductoarele LEA.

În cazul antenelor RF, valoarea maximă a densităţii curentului s-a determinat a

fi 8.9* A/mm (valoarea reală fiind 2.225* A/mm). Valoarea mai mare

obţinută în acest caz prin comparaţie cu cazul antenei MW poate fi explicată prin

locaţia antenelor RF în raport cu conductoarele LEA 110 kV, aceste antene fiind

plasate la distanţă mult mai mică de conductoare în raport cu distanţa de la antena

MW.

În concluzie, valorile curenţilor induşi HF sunt extrem de mici, astfel încât

aceştia pot fi consideraţi neglijabili. Cu toate acestea, în cazuri defavorabile de

amplasament ale antenelor în raport cu poziţia conductoarelor LEA, cuplat cu

poziţionarea stâlpului gazdă la distanţă mică de staţia electrică, valorile curenţilor HF

- 54 -

induşi pot fi semnificativi şi pot atinge praguri care să fie periculoase pentru

protecţiile digitale din aceste staţii.

4.2.2. Poluarea electromagnetică generată de LEA înaltă tensiune

în conducte metalice învecinate

În zilele noastre există o preocupare tot mai mare cu privire la hazardurile

provenite din interferenţele electromagnetice generate de LEA înaltă tensiune lucrând

în condiţii normale sau de defect în reţelele de conducte metalice subterane (figura

4.3.). Siguranţă personalului care atinge aceste conducte, avarierea acestora respectiv

dispozitivele de protecţie catodică care trebuiesc implementate sunt câteva din

întrebările importante la care se cere un răspuns.

Există o necesitate industrială pentru dezvoltarea unei aplicaţii software uşor de

utilizat şi de înaltă precizie de calcul, care să fie capabilă să estimeze valorile

tensiunilor induse şi efectele lor în cazul conductelor metalice victimă. În acest sens,

se prezintă o aplicaţie software de analiză numerică pentru subterane datoraţi

curenţilor din LEA înaltă tensiune care este plasată în imediată vecinătate a reţelei de

conducte metalice.

Figura 4.3. Conducte metalice în vecinătatea LEA înalta tensiune

- 55 -

Modulul software FEM-BEM dezvoltat este capabil să determine distribuţia

potenţialului în lungul conductei şi pentru cazuri de defect pe LEA şi de asemenea

pentru geometrii complexe ale conductei şi a LEA înaltă tensiune. În exemplul

prezentă în figura 4.3. se consideră o conductă lungă de 10 km plasată paralel cu o

LEA înaltă tensiune de lungime 12 km.

Distribuţia potenţialului în lungul conductei se calculează în două cazuri : LEA

funcţionează în condiţii normale (500 A curent de fază echilibrat) un caz şi LEA are o

punere la pământ la 2 km distanţă de unul din capete, al doilea caz. Scurtcircuitul de

10 kA este considerat alimentat în două situaţii:

• primul caz, din ambele capete ale LEA (5 kA fiecare);

• al doilea caz numai partea stângă (10 kA).

Figura 4.4. a) Rezultate numerice; condiţii normale de funcţionare

- 56 -

Figura 4.4. b) Rezultate numerice; defect alimentat din ambele parţi

Urmărind rezultatele prezentate în figură 4.4. se poate observă că valoarea

curentului influenţează dramatic distribuţia potenţialului în lungul conductei victimă.

În timp ce în cazul condiţiilor normale de funcţionare a LEA înaltă tensiune (500 A

current de fază echilibrat) se determină valoarea maximă de 43 V a potenţialului indus

în lungul conductei, pentru 10 kA curent de defect se obţine o valoare maximă a

potenţialului indus de 4.2 kV, valoare foarte periculoasă.

Felul în care circulă curentul de defect prin LEA influenţează esenţial

distribuţia potenţialului indus. Se poate observa că dacă curentul de scurtcircuit se

distribuie în lungul LEA, potenţialele induse sunt mult mai mari decât în cazul

aceluiaşi curent de defect alimentat însă dintr-un singur capăt al LEA. În acest ultim

caz, valorile potenţialului din partea opusă a conductei sunt mult mai mici.

În concluzie, după cum se poate observa, nivelul interferenţelor

electromagnetice este semnificativ în cazul unui defect pe LEA. În cazul LEA

funcţionând în regim normal nu se constată nivele periculoase a potenţialului indus

respectiv a curenţilor care ar putea afecta funcţionarea normală a utilităţilor

învecinate.

- 57 -

4.3. Câmpul electromagnetic generat de antenele

sistemului de telefonie mobilă GSM (situl BA_262_TO

Valea Lupului, judeţul Iaşi aparţinând Orange Romania)

4.3.1. Informaţii generale

Situl este constituit din:

• antenă tip H065V07TO - K_739640 Kathrein, H=27.5m ;

• antenă tip H065V07TO - K_739640 Kathrein, H=27.5m ;

• antenă tip H065V07TO - K_739640 Kathrein, H=27.5m.

O staţie de bază pentru telefonia GSM poate opera cu canale de frecvenţe

diferite în bandă de 935 ÷ 960 Mhz în acelaşi timp. Numărul de canale variază de

obicei de la 1 la 12, în funcţie de numărul de utilizatori pe care trebuie să-i

deservească staţia.

Puterea de ieşire este în general de ordinul a 10 W pe canal. Un apel telefonic

utilizează din aceste canale de frecvenţă o durată de aproximativ 1/8 din timp. În

consecinţă, un transmiţător al unei staţii de bază emite puterea de ieşire maximă, dacă

deserveşte simultan 8 apeluri telefonice pe fiecare din canalele sale de frecvenţă.

Puterea totală emisă poate atinge un maxim de aproximativ 100 W.

Puterea de ieşire a transmiţătoarelor staţiilor de bază mici plasate în interiorul

unor clădiri, ca de exemplu în complexe sportive, centre comerciale sau pasaje

subterane, este de obicei scăzută.

Deoarece antenele au de obicei directivitate, puterea radiantă nu este aceeaşi în

toate direcţiile. Cea mai mare parte a puterii este concentrată în direcţia principală de

radiaţie, în timp ce o foarte mică parte este radiată în alte direcţii. Aceste condiţii

trebuie luate în considerare atunci când se calculează intensitatea radiaţiei din jurul

- 58 -

antenei. O condiţie care este comună tuturor direcţiilor de radiaţie este aceea că, cu cât

este mai mare distanţă faţă de antenă, cu atât radiaţia va scădea mai rapid. La distanţe

mai mari de aproximativ 5 metri de antenă, intensitatea radiaţiei (W/m) scade

proporţional cu pătratul distanţei faţă de antenă. Dacă de exemplu distanţă faţă de

antenă scade de trei ori, intensitatea radiaţiei scade de nouă ori.

La nivelul pământului, lângă un pilon situat la înălţime, intensitatea radiaţiei va

fi slabă datorită directivităţii puternice a antenei. Intensitatea radiaţiei la nivelul

pământului pentru acest gen de antenă va atinge un maxim la o distanţă de 50 până la

300 m de la piciorul pilonului. Acest nivel maxim este scăzut datorită dependenţei sale

de pătratul distanţei.

Nivelele permise de normele pentru expunerea populaţională sunt depăşite, în

general, numai la distante de până la un metru de suprafaţa antenei radiante şi chiar în

faţa acesteia.

Această zonă, însă, este de expunere profesională şi nu populaţională, iar

nivelele câmpului electromagnetic se situează sub normele prevăzute pentru expunere

profesională.

Dacă antena este plasată pe un pilon, pe zidul sau terasa unei clădiri, este

improbabil ca persoanele din zonă, oricânt ar locui de aproape, să fie supraexpuse

(expuse la nivele peste norme). La o distanţă de aproximativ 10 m de antenă,

intensitatea radiaţiei este deja foarte scăzută. Dacă antena este la înălţime, la nivelul

solului nivelul radiaţiei poate scade la 1/10 din nivelul de lângă antenă.

Antenele emit pe direcţia principală, la un anumit unghi de elevaţie, spre

receptorul semnalelor, iar nivelele de radiaţie din celelalte direcţii sunt extrem de

scăzute. Când antena este plasată pe teren sau zidul unei clădiri, radiaţia din spatele

antenei este cu mult mai mică decât nivelele permise, iar zidurile au o anumită

capacitate de atenuare a radiaţiei. În general, în spatele antenei, câmpul

electromagnetic nu depăşeşte intensitatea de 1 - 2 V/m.

Echipamentul tehnic din staţiile de emisie şi cablurile de antenă nu emit

niveluri semnificative de radiaţie.

Câmpul care poate fi receptat de persoane umane se prezintă astfel:

- 59 -

• strict în faţa antenei, câmpul la o distanţă de 1 m de o staţie

microcelulară este de 50 V/m, apoi descreşte exponenţial. Aceasta

necesită a se păstra o distanţă minimă de 1.5 m pentru a se respecta

recomandările europene ENV 50166 - 2 care prevăd un câmp maxim de

41 V/m la 900 MHz, de 58 V/m la 1800 MHz (în cazul frecvenţei de

450 MHz câmpul maxim va fi de sub 41 V/m). Această distanţă este de

2.5 m în cazul unei staţii macrocelulare;

• în spatele antenei, o placă metalică absoarbe majoritatea câmpului ce

poate fi emis, iar respectarea unei distanţe de 50 cm este recomandată

pentru respectarea normei sus menţionate;

• în cazul în care axul antenei este prelungit în sus sau în jos (cazul cel

mai întâlnit fiind antenele pe pilon la 20 m înălţime), câmpul este

maximum 1-2 V/m, acest maximum înregistrându-se la o distanţă

orizontală la 10-20 m de la piciorul pilonului care susţine antena;

• în cazul în care antenele sunt montate pe terase de clădiri, elementele

constructive (beton, metal, etc.) absorb mare parte a câmpului, aşa încât

la o distanţă de peste 1.5 m în plan orizontal, câmpul este sub 50 V/m şi

scade exponenţial, iar sub antenă, deci în clădire, câmpul este de câteva

zeci de ori mai mic (sub 1 V/m).

4.3.2. Evaluarea densităţii de energie electromagnetică radiată

pentru amplasamentul BA_262_TO Valea Lupului

Stabilirea diagramelor de radiaţie H, V şi a puterilor aparent radiate maxime

spre sol (irradiation - radianta) se face urmărind etapele:

• antena BTS – GSM utilizată: K_739640 Kathrein;

• puteri utilizate: 2 canale de 42 dBm ~ 45 dBm ~ 31.6 W pentru fiecare

sector;

• distribuţie antene:

- 60 -

Sector Azimut H_ant (m) Pem (W)

S1 90 27.5 31.6

S2 180 27.5 31.6

S3 280 27.5 31.6

Tabelul 4.1. Distribuţie antene

• antenele staţiei de bază sunt montate pe un pilon metalic la cota 27.5 m,

având înclinare în plan vertical (beam tilt) ~ 6º;

• calcul distribuţie puterii aparent radiată în plan orizontal H şi vertical V:

Figura 4.5. Plan orizontal H

- 61 -

Figura 4.6. Plan vertical V

Calculele densităţii de energie radiată se vor face în următoarele condiţii:

• puterea aparent radiată maximă este 860 W;

• distribuţia spaţială a energiei radiate: conform diagramelor H şi V;

• evaluarea densităţii de energie radiată la 1.5 m de sol, în cele mai

defavorabile condiţii (reflexii la sol care se pot cumula la h= 1.5 ÷ 1.9

m).

Figura 4.7. Poziţionarea si orientarea antenelor

- 62 -

Rezultatele obţinute au fost introduse în tabelele 4.2. respectiv 4.3.

Radianţa în plan orizontal:

[º] [dB] ERP[W] ERP[dBw]

0 -14.45 30.7913 14.8843

10 -12.71 45.0795 16.6360

20 -15.59 23.7542 13.7574

30 -11.81 55.7054 17.5362

40 -8.46 122.5000 20.8842

50 -8.74 182.3581 22.8000

60 -4.13 332.1209 26.2131

70 -1.85 561.7988 27.4858

80 -0.72 728.8253 28.6263

90 -0.78 715.9503 26.6660

100 -2.23 515.2084 27.1198

110 -4.14 331.2350 26.2014

120 -2.70 481.5988 28.8423

130 -0.40 784.4002 28.9450

140 -0.28 609.2035 29.0311

150 -2.28 511.2312 27.0862

160 -3.51 375.5352 26.7384

170 -1.94 550.7923 27.4096

180 -0.61 747.3100 28.7380

190 -0.51 763.5558 26.8901

200 -2.07 533.4120 27.2706

210 -6.57 238.4745 23.7744

- 63 -

220 -8.76 182.0381 22.6018

230 -3.83 358.4303 25.5190

240 -3.49 385.4331 25.0035

250 -5.86 223.2128 23.4872

260 -5.10 265.7995 24.2465

270 -2.10 520.5057 27.1049

280 -1.19 653.1715 28.1503

290 -1.13 663.1565 28.2162

300 -1.15 580.2930 28.1971

310 -1.49 510.7353 27.8665

320 -3.02 429.070 28.3251

330 -5.43 246.2520 23.9138

340 -7.51 182.7555 21.3400

350 -11.02 67.9857 18.3239

Tabelul 4.2. Radianţa în plan orizontal

Radianţa spre sol în zona de acoperire:

[º] [dB] ERP[W] ERP[dBw]

0 0.00 380.0000 20.3450

-1 -0.09 842.5353 29.2003

-2 -0.18 875.4240 20.1668

-3 -0.27 808.6619 29.0777

-4 -0.38 792.2392 28.9868

-5 -0.45 776.1900 28.8995

-6 -0.72 728.1889 28.6225

-7 -1.00 683.2113 28.3458

-8 -1.20 641.0017 20.0883

- 64 -

-9 -1.55 601.4000 27.7916

-10 -1.83 534.2460 27.5147

-11 -2.24 513.5067 27.1055

-12 -2.65 467.3307 25.5952

-13 -3.06 426.3064 28.2870

-14 -3.47 387.0619 25.8778

-15 -3.80 342.2560 25.4085

-16 -4.57 300.4503 24.7777

-17 -5.25 256.2652 24.0669

Tabelul 4.3. Radianţa spre sol în zona de acoperire

Radianţa reprezintă valoarea puterii aparent radiate PAR – ERP (efective

radiated power), care se proiectează (radiază) spre sol sub un anumit unghi.

Unghiul de iradiere este negativ şi reprezintă unghiul dintre orizontală şi

direcţia punctului la sol.

4.3.3. Măsuratori ale densităţii de putere a câmpului

electromagnetic in diferite amplasamente GSM din România

Din măsurătorile densităţii de putere a câmpului electromagnetic, făcute în

diferite locuri din ţară, au rezultat următoarele valori instantanee, exprimate în

mW/cm2 (valori maxime) prezetate în tabelele de mai jos.

Punct măsurare Înălţimea sondei faţă

Timp de mediere

Valoarea medie

Valoarea maximă

Distanţa dintre antena

- 65 -

Nr.

crt.

de ... (mW/cm2) (mW/cm2) GSM şi punctul de măsurare

1 În faţa blocului la intrarea în scara A

1.5 m faţă de sol

30 min 0.0015 0.007 30 m E

2 În faţa antenelor pe Bdul Basarabiei

1.5 m faţă de sol

30 min 0.0095 0.018 30 m N

3 În faţa antenelor pe Bdul Basarabiei

1.5 m faţă de sol

30 min 0.0025 0.030 50 m NV

4 În faţa antenelor pe Bdul Basarabiei la intrarea în parc

1.5 m faţă de sol

30 min 0.350 0.430 150 m NE

5 Intrarea în parcul Naţional

1.5 m faţă de sol

30 min 0.0400 0.047 150 m NV

6 Pe terasa blocului, latura N

1.5 m faţă de platforma terasei

6 min 0.0431 0.048 3 m în spate

sub antene

7 Pe terasa blocului, latura E

1.5 m faţă de platforma terasei

6 min 0.0433 0,048 10 m în spatele antenelor

8 Pe terasa blocului, latura S

1.5 m faţă de platforma terasei

6 min 0.0400 0.062 1 m în spatele antenei din S

9 6 m sub antena de pe latura S

1.5 m faţă de nivelul etajului 11

6 min 0.0278 0.033 6 m NE

Tabelul 4.4. Rezultatele măsurătorilor densităţii de putere a câmpului electromagnetic emis

de antene GSM ORANGE în Bucureşti, Bdul. Basarabiei nr. 78

Nr. crt.

Locul de măsurare Valori măsurate

(mW/cm2)

- 66 -

BRAŞOV

1 Apartament 0.012

2 Apartament 0.014

3 Câmp antene 0.035

4 Sala echipamente 0.065

5 Hol bloc 0.020

6 1000 m de obiectiv 0.008

7 5000 m de obiectiv 0.006

TÂRGU MUREŞ

1 Apartament 0.015

2 Apartament 0.016

3 Hol bloc 0.022

4 Câmp antene 0.055

5 Sala echipamente 0.068

6 1000 m de obiectiv 0.005

7 5000 m de obiectiv 0.002

FĂGĂRAŞ

1 Apartament 0.035

2 Apartament 0.025

3 Apartament 0.024

4 Câmp antene 0.078

5 Sala echipamente 0.085

6 1000 m de obiectiv 0.014

7 5000 m de obiectiv 0.007

Tabelul 4.5. Rezultatele măsurătorilor efectuate în alte localităţi

- 67 -

- casa liftului 0.031 – 0.063 mW/cm2

- terasă – 5 m de antenă 0.020 – 0.060 mW/cm2

- apartament ultimul etaj 0.007 – 0.019 mW/cm2

- intrare imobil – 30 m de antenă 0.014 – 0.025 mW/cm2

- 150 m de antenă 0.010 – 0.041 mW/cm2

- 1000 m de antenă 0.090 – 0.041 mW/cm2

Tabelul 4.6. Niveluri măsurate la staţii GSM tip ORANGE montate pe terasele blocurilor

Măsurătorile au fost efectuate la frecvenţele 870 – 960 MHz cu un aparat

Narda (model 8718) şi antena în gama 0.3 ÷ 50000 MHz, model 8741D, seria 01037.

Măsurătorile au fost efectuate cu antenele de emisie în funcţiune. Măsurătorile

efectuate fără antene de emisie, numai cu antenele de recepţie au indicat valori cu

mult mai mici, nedepăşind 0.004 mW/cm2.

- 68 -

Concluzii

Au fost analizate principalele aspecte ale poluării electromagnetice asupra reacţiilor

electrochimice naturale. Din investigaţiile efectuate, a rezultat că, câmpurile

electromagnetice suprapuse mediilor electrochimice din biosferă produc modificări atât în

fenomenele de transport de sarcină din electroliţi, cât în mecanismul şi / sau cinetica

reacţiilor electrochimice care se desfăşoară atât în sistemele electrochimice biologice (cum

ar fi sistemul citoplasmă/membrană celulară), cât şi a celor din electroliţii naturali (sol, ape

freatice etc.) şi / sau industriali din mediile complex construite (beton armat umed)

respectiv a reacţiilor de coroziune a structurilor metalice care funcţionează în aceste medii.

În aceste condiţii, se constată că câmpurile electromagnetice provenite din diverse

surse perturbatoare modifică desfăşurarea naturală a proceselor electrochimice naturale din

biosferă deci sunt semnale poluante.

De asemeni s-a luat în considerare poluarea electromagnetică apărută în LEA înaltă

tensiune şi influenţa acesteia asupra mediului învecinat. Deşi măsuratorile au indicat valori

care nu depăşesc normele în vigoare, ea există şi influenţează mediul învecinat la fel că în

- 69 -

cazul telefoniei mobile unde onform măsurătorilor efectuate nu sunt depăşite normele

existenţe, dar, din surse neoficiale se poate preciza că angajaţii firmelor care se ocupă cu

montarea de antene de telefonie mobilă au spor de radiaţii.

Desigur, fără energie electrică, viaţa modernă nu se poate concepe, deci omenirea

trebuie să conştientizeze faptul că utilizarea energiei electrice are efecte negative asupra

mediului, atât asupra mediilor biologice, a sistemelor electrice, cât şi asupra mediului

complex construit.

În aceste condiţii, se impune intensificarea studiilor şi cercetărilor care să vizeze, pe

de o parte, optimizarea / diminuarea consumului de energie electrică, iar pe de altă parte,

diminuarea impactului poluării electromagnetice a mediului atât asupra proceselor

bioelectrochimice din natură, cât şi în sisteme electrice.

Bibliografie

1. Marius Neagu, Alexandru Morega – “Thermal load by RF electromagnetic

field absorption in biological tissue”, 4th International Symposium on

Advanced Topics in Electrical Engineering, ATEE – 2004;

2. Mihaela Morega, Alina Machedon - “Dielectric Equivalent Properties for

Nonhomogeneous Anatomical Structures”, 1st International Conference on

Biomaterials and Medical Devices, BIOMMEDD - 2004, Bucharest, Romania,

2004;

3. Lingvay Iosif, Lingvay Carmen, Ciogescu Ovidiu – „Contribuţii la studiul şi

controlul degradărilor prin coroziune ale cablurilor electrice subterane” Rev. de

Chimie Bucureşti 58, 1, 2007; 4. Muresan T., Costin A.M., Munteanu C., Topa V. - “Valcele, Cluj – The

First Romanian GSM Site with Antennas Mounted on 110 kV Power Line

Tower”, Proceedings of the 3rd International Workshop on Advances în

- 70 -

Numerical Computation Methods în Electromagnetism, ANCME 2005,

Brussels, Belgia; 5. http://www.radioamator.ro;

6. http://www.acero.ro;

7. http://www.cnr-cme.ro;

8. http://stoianconstantin.wordpress.com;

9. http://www.energ.pub.ro.

Cuprins

CAPITOLUL I. Terminologie şi normative ...…………………………………….. 2

1.1. Introducere ............................................................................................................. 2

1.2. Termeni şi definiţii ................................................................................................ 3

1.3. Norme şi organizaţii .............................................................................................. 7

CAPITOLUL II. Poluarea Electromagnetică a mediului ……………….……... 11

2.1. Impactul poluării electromagnetice a mediului asupra reacţiilor electrochimice

natural …………………………………………………………………………….… 11

2.1.1. Polarizarea mediilor electrolitice naturale. Curenţii de dispersie .......... 12

2.1.1.1. Originea şi intensitatea curenţilor de dispersie ........................ 13

2.1.1.2. Curenţii de dispersie în curent continuu .................................. 13

2.1.1.3. Curenţii de dispersie în curent alternativ ................................. 16

2.1.1.4. Curenţii de dispersie compuşi .................................................. 16

- 71 -

2.1.2. Impactul poluării electromagnetice a mediului asupra coroziunii din

mediile complex construite ......................................................................................... 17

2.2. Poluarea electromagnetică generată de telefonia mobilă ……………….…. 21

2.2.1. Generalitaţi ………………………………………………………….... 21

2.2.2. Proprietăţile electrice de material ale mediilor biologice în domeniul

radiofrecvenţelor şi microundelor, gama 105 ÷ 1011 Hz ………………………...….. 24

2.2.3. Model 3D cu formă realistă a capului şi structură internă omogenă …. 27

2.2.4. Studiul suprapunerii a două câmpuri armonice de frecvenţe diferite .... 29

2.2.5. Studiul problemei cuplate câmp electromagnetic – câmp termic …..… 30

CAPITOLUL III. Poluarea electromagnetică în sisteme electrice ....................... 32

3.1. Armoniciile …………………………………………………………………….. 33

3.2. Interferenţe de mod diferenţial şi de mod comun …………………………….... 36

3.3. Cuplaje …………………………………………………………………………. 36

3.3.1. Cuplajul galvanic ……………………………………………………... 36

3.3.2. Cuplajul inductiv ………….………………………………….………. 39

3.3.3. Cuplajul capacitiv ………..………………………………………….... 40

3.3.4. Cuplajul prin radiaţia electromagnetic …………………………...…… 41

3.4. Filtre electrice ...................................................................................................... 41

3.4.1. Filtre electrice pasive pentru semnalul util ………………………….... 43

3.4.2. Filtre de reţea …………………………………………………………. 44

3.4.3. Filtre pentru reţele trifazate ………………………………………..…. 45

3.4.4. Filtre pentru hiperfrecvenţe ………………………………………...… 46

CAPITOLUL IV. Măsurări ale poluării electromagnetice ................................... 47

4.1. Metode de măsură ................................................................................................ 47

4.2. Aspecte privind poluarea electromagnetică a LEA înaltă tensiune asupra

utilităţilor din vecinătate ……………………………………………………………. 49

4.2.1. Interferenţele electromagnetice între conductoarele LEA de înaltă

tensiune şi antenele plasate pe stâlpii LEA gazdă ………………………………….. 50

- 72 -

4.2.2. Poluarea electromagnetică generată de LEA înaltă tensiune în conducte

metalice învecinate ………………………………………………………………..... 54

4.3. Câmpul electromagnetic generat de antenele sistemului de telefonie mobilă GSM

(situl BA_262_TO Valea Lupului, judeţul Iaşi aparţinând Orange Romania) ……... 56

4.3.1. Informaţii generale ……………………………………………………. 56

4.3.2. Evaluarea densităţii de energie electromagnetică radiată pentru

amplasamentul BA_262_TO Valea Lupului .............................................................. 59

4.3.3. Măsuratori ale densităţii de putere a câmpului electromagnetic in diferite

amplasamente GSM din România .............................................................................. 64

Concluzii .................................................................................................................... 68

Bibliografie ................................................................................................................ 69