UNIVERSITATEA TEHNICĂ GHEORGHE ASACHI DIN IAŞI CERCETĂRI PRIVIND SUPRAVEGHEREA CÂMPURILOR MAGNETICE GENERATE DE SISTEMELE DE ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ -REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT- Ing. Ionel Pavel Conducător de doctorat : Prof. univ. dr. ing. Valeriu David IAŞI, 2019
untverstratea TEHNTCA "GHEORGHE ASACHt" DtN ta$t RECTORATUL CStre Vi facem cunoscut c5, in ziua conferinle "Dragomir Hurmuzescu", va avea intitulati: de loc L0 iulie 2019 la ora 11:00, in Sala de sustinerea publici a tezei de doctorat "CERCETAR! PRIVIND SUPRAVEGHEREA CAMPURTLOR MAGNETICE GENERATE DE STSTEMELE DE AL!MENTARE CU ENERGIE ELECTRICA' elaborati de domnul ing. IONEL PAVELin vederea confeririititlului gtiinlific de doctor. Comisia de doctorat este alcituiti din: 1. Marinel TEMNEANU, prof. univ. dr. ing., Universitatea Tehnici,,Gheorghe Asachi" din lasi 2. Valeriu DAVID, prof. univ. dr. ing,, Universitatea Tehnicd,,Gheorghe Asachi" din lagi 3. Sorin Dan GRIGORESCU, prof. dr. ing., Universitatea POLITEHNIcA din Bucuregti 4. Cilin MUNTEANU, prof. dr. ing., Universitatea Tehnici din Cluj-Napoca 5. Alexandru SALCEANU, prof. dr. ing., Universitatea Tehnici,,Gheorghe Asachi" din lagi pregedinte conducitor de doctorat referent oficial referent oficial referent oficial Cu aceasti ocazie vi invitim si participa[i la suslinerea public5 a tezei de doctorat.,/ RECTOR, {r$ / *li{ x\t' g/.,' =la O \rd (gi \oi' Qr \1K.1 \\Ih ie..oeru ca$caval Secreta r universitate, &*l tns.cristif Nagi!
Cuprins Rezumat Teză Introducere...1 (1) Prezentarea şi motivarea temei de cercetare...1 (1) Organizarea lucrării...1 (2) 1. Importanţa şi aplicaţiile supravegherii câmpului magnetic...3 (4) 1.1 Sisteme de alimentare cu energie electrică...3 (7) 1.2 Măsurări ale câmpului perturbator în compatibilitatea electromagnetică...4 (10) 1.3 Biocompatibilitatea electromagnetică...4 (13) 1.3.1 Reglementări referitoare la câmpul magnetic de joasă frecvenţă...4 (15) 1.3.1.1 International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP)...4 (16) 1.3.1.2 Hotărârea Guvernului României din iulie 2016...5 (18) 1.3.1.3 Expunerea pe termen lung la câmp magnetic...5 (21) 1.4 Concluzii...- (22) 2. Determinarea câmpului magnetic generat de sistemele de alimentare cu energie electrică. Instrumentaţie şi locuri de măsurare...6 (24) 2.1 Instrumentaţie...6 (24) 2.2 Senzori de câmp magnetic...- (25) 2.3 Locuri de măsurare a câmpurilor magnetice de joasă frecvenţă...6 (31) 2.3.1 Zona liniilor electrice aeriene...6 (32) 2.3.1.1 Metode de atenuare a câmpului magnetic generat de liniile electrice aeriene...- (33) 2.3.2 Zona staţiilor de transformare şi distribuţie a energiei electrice...7 (37) 2.3.3 Mediul rezidenţial...7 (42) 2.3.3.1 Spaţii comerciale...7 (42) 2.3.3.2 Locuinţe şi laboratoare...8 (43) i
2.3.4 Mediul spitalicesc...9 (47) 2.4 Concluzii...- (49) 3. Implementarea şi realizarea unui sistem automat de supraveghere a câmpului magnetic de joasă frecvenţă...10 (50) 3.1 Implementarea şi realizarea senzorului activ de câmp magnetic...- (53) 3.2 Calibrarea senzorul triaxial activ de câmp magnetic...- (56) 3.3 Implementarea sistemului automat de supraveghere a câmpului magnetic de joasă frecvenţă...11 (59) 3.4 Calibrarea sistemului automat de supraveghere a câmpului magnetic...- (64) 3.5 Izotropicitatea sistemului...12 (66) 3.6 Prelucrarea automată a datelor achiziţionate...13 (68) 3.6.1 Analiza formelor de undă şi reprezentarea în domeniul timp şi în domeniul frecvenţă...13 (68) 3.6.2 Determinarea şi reprezentarea valorilor efective şi vârf la vârf ale inducţiei magnetice. Prelucrare statistică automată a rezultatelor...13 (70) 3.6.3 Conceperea şi testarea unui sistem de detecţie şi analiză a impulsurilor (momentelor tranzitorii)...14 (73) 3.7 Concluzii...- (78) 4. Măsurarea câmpului magnetic lângă liniile electrice aeriene şi în staţii de transformar...16 (79) 4.1 Măsurarea câmpului magnetic în vecinătatea liniilor electrice aeriene...16 (80) 4.1.1 Câmpul magnetic măsurat în Zona 1...- (80) 4.1.2 Câmpul magnetic măsurat în Zona 2...- (82) 4.1.3 Câmpul magnetic măsurat în Zona 3...- (85) 4.1.4 Câmpul magnetic măsurat în Zona 4...16 (87) 4.1.5 Câmpul magnetic măsurat în Zona 5...- (89) 4.1.6 Valorile maxime ale câmpului magnetic măsurat în zona liniilor electrice aeriene...- (92) ii
4.2 Măsurarea câmpului magnetic în staţii de transformare...18 (96) 4.2.1 Staţia 1...18 (96) 4.2.2 Staţia 2...20 (100) 4.3 Concluzii...- (107) 5. Supravegherea câmpului magnetic în mediul rezidenţial...24 (109) 5.1 Măsurarea câmpului magnetic în spaţii comerciale...24 (110) 5.2 Măsurarea câmpului magnetic din locuinţe...27 (116) 5.2.1 Măsurarea câmpului magnetic într-un apartament...27 (116) 5.2.2 Măsurarea câmpului magnetic într-un cămin studenţesc...28 (119) 5.3 Măsurarea câmpului magnetic din câteva laboratoare...29 (122) 5.4 Măsurarea câmpului magnetic din mediul spitalicesc...31 (127) 5.5 Concluzii...- (134) Concluzii finale şi contribuţii...35 (137) Direcţii viitoare de cercetare...42 (144) Diseminarea rezultatelor...43 (145) Bibliografie...45 (146) Anexe...- (159) iii
Introducere Prezentarea şi motivarea temei de cercetare Datorită diversificării surselor artificiale de câmp magnetic numeroase studii au condus la monitorizări ale câmpului şi totodată, la diminuare efectelor perturbatoare generate de acesta. Ca principale surse de câmp magnetic de joasă frecvenţă s-au remarcat sistemele electrice. Câmpul generat de acestea, poate conduce la apariţia efectelor perturbatoare atât asupra oamenilor cât şi asupra echipamentelor. Aşadar, pentru studiul câmpului magnetic am realizat un sistem automat de supraveghere, cu trei canale, care permite obţinerea de informaţii în vederea caracterizării câmpului. Sistemul triaxial automat propus, realizat şi testat, constituie subiectul unei invenţii cu titlul Supravegherea automată a câmpului magnetic cu detecţia şi caracterizarea câmpurilor tranzitorii, publicată în colectiv, alături de prof. univ. dr. ing. Valeriu David şi conf. univ. dr. ing. Eduard Luncă [David 2018]. Prin utilizarea a două echipamente comerciale (un măsurător, CA 40, cu senzor uniaxial şi un gaussmetru cu senzor triaxial realizat de firma EXTECH), respectiv a sistemului automat de supraveghere a câmpului magnetic, realizat în cadrul tezei, am studiat variabilitatea spaţială şi temporală a câmpului magnetic de joasă frecvenţă în mai multe zone. De asemenea, am prezentat metode de măsurare şi analiză a câmpului magnetic, specifice fiecărei zone studiate, printre care am propus o metodă de reprezentare a distribuţiei spaţiale a câmpului magnetic utilizând un număr redus de măsurări, pentru zona liniilor electrice aeriene. Organizarea lucrării Teza de doctorat intitulată Cercetări privind supravegherea câmpurilor magnetice generate de sistemele de alimentare cu energie electrică este structurată pe cinci capitole, fiind precedate de o introducere. Întregul studiu de cercetare este prezentat pe parcursul a 160 de pagini, utilizând 134 de figuri, 21 de tabele, 102 referinţe bibliografice şi 2 anexe. 1
În capitolul 1, Importanţa şi aplicaţiile supravegherii câmpului magnetic, am prezentat scopul şi importanţa măsurării câmpului magnetic generat de sistemele electrice. Am enumerat apoi, câteva probleme referitoare la compatibilitatea electromagnetică, precum şi la biocompatibilitatea electromagnetică. De asemenea, am prezentat câteva reglementări adoptate la nivel naţional şi internaţional referitoare la expunerea, atât a publicului larg, cât şi a personalului autorizat, la câmpurile magnetice iar în încheiere am făcut o scurtă prezentare a unor studii care raportează posibilitatea apariţiei unor efecte biologice la expunerea pe termen lung, chiar la nivele mici ale câmpului magnetic de joasă frecvenţă (peste 0,4 µt), mai ales în cazul copiilor. Capitolul 2, intitulat Determinarea câmpului magnetic generat de sistemele de alimentare cu energie electrică. Instrumentaţie şi locuri de măsurare prezintă unele principii şi criterii de măsurare, utilizarea unor echipamente speciale, alegerea zonelor de măsurare şi aplicarea unor metode specifice fiecarei zone în parte, în funcţie de sursele existente şi complexitatea spaţiului studiat. Capitolul 3, Implementarea şi realizarea unui sistem automat de supraveghere a câmpului magnetic de joasă frecvenţă, prezintă instrumentul propus pentru supravegherea automată a câmpului magnetic de joasă frecvenţă. Acest instrument permite caracterizarea unor câmpuri complexe, inclusiv detecţia şi analiza impulsurilor (momentelor tranzitorii) dintr-o supraveghere automată a câmpului magnetic de joasă frecvenţă. În capitolul 4, intitulat Măsurarea câmpului magnetic lângă liniile electrice aeriene şi în staţii de transformare, am prezentat rezultatele măsurării câmpului magnetic din apropierea a cinci linii electrice aeriene cu distribuţii diferite şi a două staţii de transformare şi distribuţie a energiei electrice. Am pus în evidenţă strategiile de măsurare ale câmpului magnetic, metodele de reprezentare atât a variabilităţii spaţiale cât şi temporale a câmpului magnetic, dar şi căteva metode de atenuare a câmpului pentru zona liniilor electrice aeriene. Capitolul 5, Supravegherea câmpului magnetic în mediul rezidenţial, prezintă rezultatele măsurării câmpului magnetic din mai multe zone din mediul rezidenţial. În acest scop, am efectuat măsurări şi am caracterizat, din punct de vedere al câmpului magnetic, un spaţiu comercial, două locuinţe (un apartament şi un cămin studenţesc), patru laboratoare din incinta Facultăţii de Inginerie Electrică, Energetică şi Informatică Aplicată şi un spital. 2
Capitolul 1 Importanţa şi aplicaţiile supravegherii câmpului magnetic Scopul supravegherii câmpului magnetic este pentru: Determinarea câmpului la care sunt supuse organismele vii sau anumite sisteme mobile (automobile care circulă pe stradă, stimulatoare cardiace ce urmează a fi implantate, funcţionarea corectă în orice zonă fiind esenţială etc.); Detectarea câmpului magnetic dintr-o zonă de importanţă strategică (măsurări în timp real); Trasarea unor hărţi de câmp pentru diverse zone, această metodă fiind utilă pentru dimensionarea unui emiţător sau a plasării unui obiectiv în acea zonă; Determinarea nivelului de expunere a omului din mediul în care îşi desfăşoară activitatea (acasă, la birou, zone de agrement, etc.). Efectele biologice (interacţiunea dintre câmp şi organismele vii) depind foarte mult de frecvenţă. Aşadar pentru domeniul de frecvenţă de ordinul Hz - 100 khz sunt date anumite tipuri de mecanisme de cuplare şi efecte biologice caracteristice câmpului, respectiv alte tipuri pentru domeniul 100 khz - GHz. Din acest motiv comisiile naţionale şi internaţionale au adoptat normative referitoare la nivelul câmpurilor magnetice pe mai multe domenii de frecvenţă [Scenihr 2009]. Datorită diversităţii şi largii răspândiri spaţiale a surselor de câmp magnetic de joasă frecvenţă (sistemele de alimentare cu energie electrică, consumatorii industriali şi casnici) este foarte importantă cunoaşterea şi reducerea acestor câmpuri. Prin sistem electric se întelege ansamblul tuturor instalaţiilor ce servesc la producerea, transportul, repartiţia, distribuţia şi a consumului de energie electrică. 1.1 Sisteme de alimentare cu energie electrică Prin sistem electric se întelege ansamblul tuturor instalaţiilor ce servesc la producerea, transportul, repartiţia, distribuţia şi a consumului de energie electrică. 3
1.2 Măsurări ale câmpului perturbator în compatibilitatea electromagnetică Prin compatibilitate electromagnetică ( EMC-electromagnetic compatibility ) se întelege capacitatea de funcţionare normală a unui sistem electric într-un mediu poluat electromagnetic, fără ca acest mediu (aparţinând şi altor dispozitive) să fie perturbat. Perturbaţia electromagnetică ( electromagnetic disturbance ) reprezintă acel fenomen electromagnetic ce poate degrada performanţele unui sistem, dispozitiv sau echipament electric ori poate afecta activitatea organismelor vii. O interferenţă electromagnetică este caracterizată prin acţiunea de degradare a unui dispozitiv, echipament electric sau sistem, cauzată de perturbaţiile electromagnetice. Interferenţele electromagnetice ar putea fi reversibile (reduc funcţionalitatea sau conduc la o funcţionalitate eronată), respectiv, ireversibile (pot defecta sau scoate din funcţiune un dispozitiv) [Clayton 2006]. 1.3 Biocompatibilitatea electromagnetică Spre deosebire de compatibilitatea electromagnetică ce caracterizează abilitatea echipamentelor electrice şi electronice de a fi imune la câmpurile exterioare în biocompatibilitatea electromagnetică discutăm de capacitatea organismelor vii de a se adapta şi de a-şi desfăşura activitatea normală într-un mediu poluat electromagnetic [Mertz 2013]. 1.3.1 Reglementări referitoare la câmpul magnetic de joasă frecvenţă 1.3.1.1 International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) Comisia Internațională pentru Protecția Împotriva Radiațiilor Neionizante, recomandă în 1998 o serie de valori ce reprezintă nivelurile limită de expunere la câmp electric şi magnetic. Pentru câmpul magnetic de joasă frecvenţă valorile maxime admisibile sunt de 100 µt pentru publicul larg şi 500 µt pentru personalul autorizat. Ulterior, în 2010, au fost efectuate câteva modificări referitoare la nivelurile maxime de expunere la câmp, acestea fiind: 200 µt pentru publicul larg şi 1 mt pentru personalul autorizat. 4
1.3.1.2 Hotărârea Guvernului României din iulie 2016 Conform Directivei 2013/35/UE a Consiliului și a Parlamentului European din data de 26 iunie 2013, la mijlocul anului 2016, în ţara noastră, Guvernul României a adoptat o hotărâre cu privire la: cerinţele minime de securitate şi sănătate referitoare la expunerea lucrătorilor la riscuri generate de câmpuri electromagnetice [Hotărâre 2016]. Nivelurile de declanşare a acţiunii pentru câmpul magnetic de joasă frecvenţă sunt: 1 mt pentru efecte senzoriale, 6 mt pentru efecte asupra sănătăţii şi 18 mt pentru expunerea membrelor la câmp magnetic localizat. 1.3.1.3 Expunerea pe termen lung la câmpul magnetic de joasă frecvenţă Cu toate că limitele admisibile, conform nivelurilor maxime de expunere prezentate, în cele mai multe cazuri nu sunt depăşite, există preocupări şi s-au realizat studii cu privire la expunerea pe termen lung la câmpuri magnetice de amplitudini mai mici Numeroase studii au pus în evidenţă că pentru copiii expuşi la valori ale câmpului magnetic de peste 0,4 µt există un grad mai ridicat de apariţie a efectelor biologice asupra organismului faţă de cei expuşi la valori ale câmpului sub această valoare [Ahlbom 2000]. Încă nu s-a ajuns la o consecinţă clară în vederea determinării cauzelor principale responsabile pentru apariţia unor afecţiuni grave. Totuşi, în unele cazuri, s-a constatat că expunerea subiecţilor într-un mediu poluat magnetic, pe termen lung, poate avea influenţe asupra sănătăţii [Konstantinoudis 2018]. 5
Capitolul 2 Determinarea câmpului magnetic generat de sistemele de alimentare cu energie electrică. Instrumentaţie şi locuri de măsurare 2.1 Instrumentaţie Sistemele de măsurare a câmpului magnetic sunt compuse din următoarele elemente: senzori de câmp (antene), mijloace de transmisie a semnalului/datelor (conductori, wireless, fibră optică, etc.) şi echipamentele de măsurare. 2.3 Locuri de măsurare a câmpurilor magnetice de joasă frecvenţă 2.3.1 Zona liniilor electrice aeriene În zona liniilor electrice aeriene se studiază câmpul magnetic generat de curentul ce străbate linia de transport şi distribuţie a energiei electrice. Un exemplu al acestei strategii de măsurare este prezentat în Figura 2.7 a, pentru distanţa dintre doi stâlpi (St 1 şi St 2 ) ai unei linii electrice aeriene. Figura 2.7 Strategie de caracterizare a câmpului magnetic generat de o linie electrică aeriană. În urma măsurărilor se pot trasa semiprofile laterale la stânga şi la dreapta, de o parte şi de alta a liniei electrice, pe anumite distanţe, în dreptul fiecărui stâlp (d 2 -d 3 şi d 6 -d 7 ) şi la mijlocul distanţei dintre stâlpi (d 4 -d 5 ). Apoi, se efectuează măsurări pe lungimea distanţei dintre cei doi stâlpi trasându-se astfel, profilul longitudinal (d 1 ). Rezultatelor obţinute se pot reprezenta grafic sau sub formă de hărţi de câmp (Figura 2.7 b) şi se pot recomanda metode de reducere a câmpului magnetic. 6
2.3.2 Zona staţiilor de transformare şi distribuţie a energiei electrice Un exemplu de strategie de măsurare şi reprezentare a distribuţiei spaţiale a câmpului magnetic se poate observa în Figura 2.13 a, unde este dată schiţa unei staţii de transformare ce conţine sursele emiţătoare de câmp (camera de comandă, două transformatoare electrice (T 1 şi T 2 ), două autotransformatoare (AT 1 şi AT 2 ) şi barele cu cele două linii trifazate de transport a energiei electrice) şi de asemenea, punctele de măsurare situate la un metru înălţime faţă de sol. În Figura 2.13 b este reprezentată distribuţia spaţială a câmpului magnetic din staţia prezentată. Figura 2.13 Schiţa unei staţii de transformare cu punctele de măsurare şi sursele existente (a), respectiv harta reprezentând distribuţia spaţială a câmpului magnetic la înălţimea de 1 metru faţă de sol (b) [Nicolaou 2012]. 2.3.3 Mediul rezidenţial 2.3.3.1 Spaţii comerciale Pentru determinarea variabilităţii spaţiale a câmpului magnetic existent în aceste zone, se poate utiliza metoda spot measurements prin măsurarea câmpului în mai multe puncte utilizând echipamente cu unul sau mai mulţi senzori iar reprezentarea rezultatelor se poate face sub formă grafică sau sub formă de hărţi de câmp. După efectuarea măsurărilor în anumite puncte şi la anumite momente se pot identifica sursele perturbatoare de câmp, ori evidenţia anumite locuri unde nivelul câmpului este mai 7
ridicat, după care se poate realiza studiul variaţiei temporale a câmpului efectuând supravegheri automate pe termen lung. 2.3.3.2 Locuinţe şi laboratoare Într-o zonă rezidenţială străbătută de o linie de transport a energiei electrice este necesară efectuarea măsurărilor, conform Figurii 2.16, la anumite distanţe faţă de linia electrică aeriană şi în fiecare casă în parte pentru a determina câmpul magnetic generat de linia respectivă, cât şi nivelul câmpului magnetic de fond la care este expus publicul larg. Figura 2.16 Metode de măsurare a câmpului magnetic generat de o linie electrică de transport din mediul rezidenţial. Măsurările vor fi efectuate în faţa fiecărei case şi între acestea, luând 4 puncte, cu o distanţă între ele de 10 metri longitudinal şi 20 de metri transversal. S-au marcat zonele de măsurare din dreptul fiecărei case şi dintre ele cu punctele P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7. În urma măsurărilor efectuate, valorile obţinute s-au reprezentat sub formă grafică, aşa cum se poate observa în Figura 2.17. Prima măsurare este efectuată sub linia electrică iar apoi în fiecare punct până în apropierea locuinţelor (0 metri, 10 metri, 20 metri şi respectiv 30 metri distanţă faţă de linia electrică) [Tukimin 2007]. Figura 2.17 Rezultatele măsurărilor conform strategiei din Figura 2.16. 8
Pentru determinarea câmpului magnetic de fond din interiorul locuinţelor sau din laboratoare se pot efectua măsurări în diverse puncte, la diverse înălţimi faţă de pardoseală (0 metri, 1 metru şi 2 metri) [David 2005], [Gobba 2011], [Luncă 2012]. O astfel de strategie se prezintă în Figura 2.18 a, unde este dată schiţa unui laborator cu punctele de măsurare şi rezultatele obţinute în urma măsurărilor efectuate în cele 5 puncte (P1, P2, P3, P4, P5) la diverse înălţimi iar rezultatele sunt prezentate în Figura 2.18 b. Figura 2.18 Schiţa unui laborator cu punctele de măsurare (a) şi reprezentarea spaţială a câmpului magnetic în cele cinci puncte la diverse înălţimi (b). 2.3.4 Mediul spitalicesc Pentru a analiza câmpul magnetic dintr-o astfel de zonă, la început, este necesară identificarea surselor, apoi utilizând metoda spot measurements, efectuăm măsurări pentru determinarea câmpului magnetic de fond şi de asemenea, nivelul câmpului din preajma surselor existente. Apoi se efectuează supravegheri automate pe o anumită perioadă de timp cu scopul determinării variabilităţii temporale a câmpului magnetic [Riminesi 2004], [Fuentes 2008]. În Figura 2.20 este prezentată o înregistrare a câmpului magnetic din apropierea unui tomograf RMN dintr-un spital din Iaşi, pe o perioadă de aproximativ 1 oră şi 5 minute la data de 06/07/2018. Supravegherea a fost efectuată în momentul diagnosticării a doi pacienţi. Figura 2.20 Înregistrarea câmpului magnetic din preajma tabloului electric destinat formării gradienţilor a unui tomograf RMN. 9
Capitolul 3 Implementarea şi realizarea unui sistem automat de supraveghere a câmpului magnetic de joasă frecvenţă În cadrul tezei, am propus realizarea unui sistem automat de supraveghere a câmpului magnetic, cu trei canale [David 2009], cu posibilitatea de a obţine simultan, formele de undă ale câmpului magnetic (B x, B y, B z ). Schema bloc a acestuia se poate vizualiza în Figura 3.2. De asemenea, ca senzori de câmp magnetic au fost ultilizaţi senzorii de tip bobină plată. Figura 3.2 Schema bloc a sistemului automat de supraveghere a câmpului magnetic, cu trei canale [Pavel 2018 a]. Senzorul utilizat este realiziat din trei bobine poziţionate perpendicular una faţă de cealaltă, acestea fiind înfăşurate cu un ecran pentru eliminarea perturbaţiilor câmpului electric. Pentru calibrarea senzorului activ de câmp magnetic am utilizat metoda câmpului etalon. În urma calibrării senzorului activ am obţinut variaţii destul de mari ale răspunsului senzorului cu frecvenţa. Pentru a elimina această problemă am calculat câte o constantă medie pentru fiecare 10
canal şi anume: k 1 = 720,728; k 2 = 733,208; k 3 = 730,079. Neliniaritatea răspunsului senzorului în banda de frecvenţă 50 Hz 100 khz este de aproximativ ±13%. 3.3 Implementarea sistemului automat de supraveghere a câmpului magnetic de joasă frecvenţă Prin intermediul software-ul LabVIEW am realizat un instrument virtual ce reprezintă partea de comandă şi control al sistemului automat de supraveghere al câmpului magnetic de joasă frecvenţă. Panoul frontal al sistemului, cel ce reprezintă partea de comandă şi control al sistemului, este dat în Figura 3.12. Figura 3.12 Panoul frontal al sistemului automat de măsurare a câmpului magnetic triaxial, cu trei canale. 11
Fiecare canal în partea a fost testat şi calibrat utilizând aceeaşi metodă ca în cazul senzorului activ, iar valorile obţinute au fost colectate direct din software-ul LabVIEW. Datorită limitării în frecvenţă a plăcii de achiziţii de date utilizate, calibrarea sistemului a fost realizată în banda de frecvenţă 50 Hz - 20 khz. Am obţinut o neliniaritate a răspunsului sistemului de supraveghere cu frecvenţa, de ±10 %. În continuare am realizat testarea izotropicităţii sistemului automat de supraveghere a câmpului magnetic. 3.5 Izotropicitatea sistemului Pentru testarea izotropicităţii sistemului, senzorul triaxial a fost aşezat în şase poziţii diferite şi am efectuat măsurarea câmpului magnetic pentru şase frecvenţe alese din domeniul 50 Hz - 20 khz. Pentru a obţine o exactitate de măsurare mult mai bună am realizat o corecţie modificând constantele celor trei canale pentru fiecare frecvenţă în parte [Lunca 2015]. Acest lucru s-a realizat construind o secţiune în diagrama bloc a instrumentului virtual, conform Figurii 3.17. Figura 3.17 Corecţia constantelor sistemului pentru câteva frecvenţe alese. Astfel, eroarea, datorită schimbării de poziţie a senzorului, este destul de mică. Comparând valorile obţinute, în urma corecţiei constantelor, cu valoarea câmpului generat am găsit diferenţe de sub 2 % pentru reprezentarea în domeniul frecvenţă. 12
3.6 Prelucrarea automată a datelor achiziţionate 3.6.1 Analiza formelor de undă şi reprezentarea în domeniul timp şi în domeniul frecvenţă În urma măsurărilor efectuate, datele colectate sunt prelucrate automat prin intermediul unui program realizat în software-ul LabVIEW. În Figura 3.19 se prezintă panoul frontal al instrumentului virtual, utilizat pentru analiza formelor de undă, atât în domeniul timp cât şi în domeniul frecvenţă. Figura 3.19 Panoul frontal al instrumentului virtual pentru analiza formelor de undă în domeniul timp şi în domeniul frecvenţă. 3.6.2 Determinarea şi reprezentarea valorilor efective şi vârf la vârf ale inducţiei magnetice. Prelucrarea statistică automată a rezultatelor. Se determină valorile efective şi valorile vârf la vârf ale componentelor inducţiei magnetice, după care se determină valoarea efectivă a câmpului magnetic rezultant (conform 13
ecuaţiilor din subcapitolul 2.3). Panoul frontal al instrumentului pentru analiza variaţiei temporale a câmpului magnetic este prezentat în Figura 3.21. Figura 3.21 Panoul frontal al instrumentului virtual pentru analiza valorilor efective şi vârf la vârf a vectorului inducţie magnetică şi prelucrarea statistică a datelor. 3.6.3 Conceperea şi testarea unui sistem de detecţie şi analiză a impulsurilor (momentelor tranzitorii) Detecţia momentelor tranzitorii a luat amploare în ultima vreme, întrucât apariţia unor pulsuri poate perturba anumite măsurări, funcţionarea unor echipamente cât şi activitatea 14
organismelor vii din mediul înconjurător [Jokela 2000]. Prin intermediul software-ul LabVIEW, am realizat un instrument virtual de detecţie şi analiză a momentelor tranzitorii dintr-o supraveghere de câmp magnetic prezentat în Figura 3.25. Figura 3.25 Panoul frontal al instrumentului virtual pentru detecţia şi analiza momentelor tranzitorii. 15
Capitolul 4 Măsurarea câmpului magnetic lângă liniile electrice aeriene şi în staţii de transformare 4.1 Măsurarea câmpului magnetic în vecinătatea liniilor electrice aeriene Am studiat câmpul magnetic generat de cinci linii electrice aeriene din oraşul Iaşi (o linie de joasă tensiune şi patru linii de înaltă tensiune). Pentru determinarea variabilităţii spaţiale a câmpului magnetic generat de liniile electrice aeriene am ales o porţine de circuit a unei linii şi am trasat semiprofile transversale la stânga şi la dreapta, în dreptul fiecărui stâlp cât şi la mijlocul distanţei dintre stâlpi, respectiv profile longitudinale pe întreaga distanţă dintre stâlpi [Bracken 2005], [Paraskevopoulos 2009], [Zangl 2009], [Giaccone 2016]. Ulterior, am propus o metodă de realizare a unor hărţi de câmp, pe întreaga suprafaţă a liniei studiate, prin aproximarea valorilor utilizate la realizarea semiprofilelor transversale la stânga şi la dreapta, respectiv a profilului longitudinal. 4.1.4 Câmpul magnetic măsurat în Zona 4 În Zona 4-4x110 kv am studiat variablitatea spaţială a câmpului magnetic pe o porţiune dintre doi stâlpi trasându-se semiprofile transversale la stânga şi la dreapta în dreptul stâlpilor (Figura 4.14, Figura 4.15) cât şi la mijlocul distanţei dintre stâlpi (Figura 4.16), respectiv un profil longitudinal pe întreaga distanţă dintre cei doi stâlpi (Figura 4.17). Pentru realizarea semiprofilelor transversale la dreapta şi la stânga am efectuat măsurări de o parte şi de alta a liniei electrice, în dreptul stâlpilor cât şi la mijlocul distanţei dintre stâlpi, la o înălţime de 1 metru faţă de sol şi la o distaţă între punctele de măsurare de 1 metru. Figura 4.14 Semiprofil transversal la stânga şi la dreapta, stâlp 1, Zona 4-4x110 kv. 16
Figura 4.15 Semiprofil transversal la stânga şi la dreapta, stâlp 2, Zona 4-4x110 kv. Figura 4.16 Semiprofil transversal la stânga şi la dreapta, la mijlocul distanţei dintre stâlpii 1 şi 2, Zona 4-4x110 kv. Pentru realizarea profilului longitudinal am efectuat măsurări sub linia electrică, pe întreaga distanţă dintre stâlpi, la o înălţime de 1 metru faţă de sol iar distanţa dintre punctele de măsurare fiind de 2 metri. Valoarea maximă a câmpului magnetic identificată în urma măsurărilor efectuate pe acest tronson al reţelei de 4x110 kv a fost identificată la mijlocul distanţei dintre stâlpi şi anume 555 nt. Figura 4.17 Profil longitudinal între stâlpii 1 şi 2, Zona 4-4x110 kv. Cu datele obţinute prin măsurări (cele utilizate la realizarea semiprofilelor transversale la stânga şi la dreapta, respectiv a profilului longitudinal), am realizat o hartă, reprezentând distribuţia spaţială a câmpului magnetic pe o suprafaţă de 40 metri x 126 metri. 17
Figura 4.18 Harta câmpului magnetic dintre stâlpii 1 şi 2, Zona 4-4x110 kv. 4.2 Măsurarea câmpului magnetic în staţii de transformare Am efectuat atât măsurări în anumite puncte şi la un anumit moment (spot measurements), cât și supravegheri automate pe termen lung (long term survey) ale câmpului magnetic cu prelucrări statistice ale rezultatelor. În cele ce urmează voi prezenta rezultatele din două staţii de transformare şi distribuţie a energiei electrice din judetul Iaşi. 4.2.1 Staţia 1 În 2015 am realizat studiul variaţiei câmpului magnetic în Stația 1, situată în afara oraşului Iaşi. Am prezentat în Fig. 4.24, staţia şi zonele în care am efectuat măsurări (toate cele cinci secțiuni, camera de control / birouri, CC S1 și spațiul tehnologic, ST S1 ). Pe toate secțiunile am efectuat măsurări din metru în metru și la o înălțime de un metru faţă de sol. Figura 4.24 Staţia 1 cu zonele în care am efectuat măsurări ale câmpului magnetic. 18
În urma măsurărilor efectuate am identificat în secțiunea 2 cele mai mari valori ale câmpului magnetic din staţie (9845 nt). Pe acest tronson sunt prezente transformatoarele de curent din cea de a doua parte a staţiei de transformare şi distribuție, profilul longitudinal al acestei secţiuni fiind prezentat în Figura 4.26. Figura 4.26 Profilul longitudinal din secţiunea 2, Staţia 1. [Pavel 2016 a] În camera de comandă şi control a Staţiei 1 (CC S1 ) am efectuat măsurări ale câmpului magnetic în anumite puncte (în centrul, C, și în fiecare colț al camerei de control, P1, P2, P3 și P4), la diferite înălțimi (zero metri, un metru și doi metri) obţinându-se astfel variaţia spaţială a câmpului magnetic cu înălţimea. Cele mai mari valori ale câmpului magnetic au fost înregistrate în punctele P1 (181 nt) și P4 (136 nt) deoarece aceste puncte sunt situate în colțurile de lângă peretele ce desparte camera de control de spaţiul tehnologic. Rezultatele obţinute sunt prezentate în Figura 4.30. Figura 4.30 Câmpul magnetic măsurat în camera de comandă a Staţiei 1, în câteva puncte, la diverse înălţimi. Spațiul tehnologic (ST S1 ) este situat lângă camera de control, aici fiind amplasate panourile de control ale stației, convertoarele și invertoarele. Măsurările au fost efectuate în anumite puncte (în centrul, C, și în fiecare colț al camerei de control, P1, P2, P3 și P4), la diferite înălțimi (zero metri, un metru și doi metri) obţinându-se astfel variaţia spaţială a câmpului magnetic cu înălţimea. Cea mai mare valoare a câmpului magnetic măsurat în toate cele cinci puncte a fost indentificată în centrul camerei de control (C), aici fiind amplasate panourile de comandă. Valorile măsurate sunt prezentate în Figura 4.31. 19
Figura 4.31 Câmpul magnetic măsurat în spaţiul tehnic al Staţiei 1, în câteva puncte, la diverse înălţimi. 4.2.2 Staţia 2 A doua locație, Stația 2, prezentată în Figura 2.32 este situată în oraşul Iași unde am efectuat măsurări ale câmpului magnetic pe o porțiune de circuit a rețelei CEL110 kv, LAMINOR (Zona 1), în apropierea transformatorului electric (Zona 2), în camera de comandă (Zona 3) și într-un punct P 2 (P 2 ) situat pe traseul de tranzit al personalului autorizat din staţie. Figura 4.32 Staţia 2 cu zonele în care am efectuat măsurări. Referitor la Zona 1 din Stația 2 am efectuat măsurări în diferite puncte pentru a realiza o hartă a câmpului magnetic așa cum este prezentat în Figura 4.33. 20
Figura 4.33 Harta câmpului magnetic măsurat în Zona 1, Staţia 2. [Pavel 2016 a] Toate aceste măsurări au fost făcute la o înălțime de un metru deasupra solului, utilizând succesiv primele două instrumente de măsură (în același punct, dar la momente de timp diferite). Valorile cele mai mari ale câmpului magnetic din acest perimetru au fost identificate sub fiecare fază a liniei electrice (994 nt). Pentru zona 2, măsurările au fost efectuate la o distanță de un metru de sol și la un metru faţă de transformator, iar rezultatele sunt prezentate în Figura 4.36. În această zonă am identificat cea mai mare valore a câmpului magnetic din Staţia 2, și anume 7409 nt. Figura 4.36 Profilul longitudinal şi transversal în apropierea transformatorului electric în Zona 2, Staţia 2. [Pavel 2016 a] În cele din urmă, voi prezenta o analiză a câmpului magnetic de fond în camera de control a Stației 2 (Zona 3). Acestei zone i s-a acordat o atenţie mai deosebită, deoarece personalul autorizat îşi petrece cea mai mare parte a timpului dintr-o zi de lucru și am luat în considerare determinarea expunerii pe termen lung la câmpul magnetic existent. Măsurările au fost realizate în următoarele puncte: zona de acces a camerei (Acc), partea stângă a panoului de control (St), partea dreaptă a panoului de control (Dr), centrul de comandă (Com) și centrul camerei de control (C). Rezultatele obţinute sunt prezentate în 21
Figura 4.37. Cele mai mari valori ale câmpului magnetic din această zonă au fost identificate în punctele Dr și Acc la 2 metri înălțime (370 nt, respectiv 375 nt), datorită faptului că legătura dintre sursele exterioare și camera de control se face prin podul clădirii. Figura 4.37 Câmpul magnetic măsurat în camera de comandă, în câteva puncte, la diverse înălţimi. În camera de comandă (zona 3) și punctul P 2 al Stației 2 am efectuat supravegheri automate ale câmpului magnetic de fond utilizând sistemul automat realizat. Înregistrarea valorilor efective ale câmpului magnetic de fond (B r.m.s ) pentru 15 minute, în punctul Com, din camera de comandă este prezentată în Figura 4.39. Cea mai mare valoare a câmpului magnetic din această zonă, este de 233 nt. Figura 4.39 Înregistrarea valorii B r.m.s. pentru 15 minute de supraveghere a câmpului magnetic din punctul Com al camerei de comandă, Staţia 2.. Variabilitatea temporală a câmpului magnetic înregistrat în punctul P 2 este prezentată în Figura 4.41. Cea mai mare valoare a câmpului magnetic înregistrat în această zonă este de 294 nt. Figura 4.41 Înregistrarea valorii B r.m.s. pentru 34 minute de supraveghere a câmpului magnetic din punctul P 2, Staţia 2. 22
În Tabelul 4.9 am prezentat valorile maxime ale câmpului magnetic obţinut în urma măsurărilor pe care le-am efectuat în câteva zone din cele două stații. Cele mai mari valori ale câmpului magnetic au fost identificate în zona transformatoarelor în ambele staţii de transformare şi distribuţie a energiei electrice. Tabelul 4.9 Valorile maxime ale câmpului magnetic din staţiile studiate [Pavel 2016 a]. Staţia (anul) Zonele măsurate B [nt] În apropierea transformatoarelor 9845 În apropierea autotransformatoarelor 6300 Staţia 1 (2015) Camera de comandă Birouri 191 Spaţiul tehnologic 4675 În apropierea redresoarelor 1225 În apropierea invertoarelor 6634 În apropierea transformatoarelor 7408 Sub bara de faze de 110 kv 818 Staţia 2 (2016) Birouri 218 Camera de comandă Panoul cu echipamente 390 23
Capitolul 5 Supravegherea câmpului magnetic în mediul rezidenţial 5.1 Măsurarea câmpului magnetic într-un spaţiu comerciale Pentru determinarea expunerii umane la câmpul magnetic de joasă frecvență într-o zonă comercială, am realizat atât măsurări în anumite puncte şi la anumite momente, cât și supravegheri automate pe termen lung. În Figura 5.1 este prezentată harta întregului spațiu comercial cu toate sursele și punctele în care am efectuat măsurările. Figura 5.1 Schiţa spaţiului comercial cu sursele emiţătoare de câmp magnetic şi punctele de măsurare [Pavel 2017]. Spaţiul comercial este împărţit în trei zone: incinta magazinului, spaţiul cu produse chimice şi magazia. Ca surse de câmp magnetic, am identificat trei vitrine frigorifice (VF 1, VF 2, VF 3 ), o ladă frigorifică (LF), o vitrină pentru îngheţată (VÎ), un congelator frontal situat în magazie (C), cântarul electric (CE), alarma electrică (AE), tabloul electric (TE), casa de marcat (CM) și rețeaua de alimentare cu energie electrică. Pentru a studia variabilitatea spațială a câmpului magnetic, am realizat o hartă a câmpului magnetic din incinta magazinului. Punctele de măsurare au fost alese la o distanță de 0,5 metri între ele și 1 metru înălțime faţă de pardoseală. 24
Harta în care am reprezentat variabilitatea spațială a câmpului magnetic din incinta magazinului este prezentată în Figura 5.2. Valoarea maximă a câmpului magnetic din acest spațiu a fost identificată lângă lada frigorifică (LF) şi prima vitrină frigorifică (VF 1 ), fiind 1272 nt. Figura 5.2 Variaţia spaţială a câmpului magnetic din incinta magazinului [Pavel 2017]. Pentru determinarea variaţiei câmpului magnetic cu înălțimea, am efectuat măsurări ale câmpului magnetic în cinci puncte: în fiecare colț al fiecărui spaţiu şi în centrul acestora prezentând în Figura 5.3 valorile câmpului identificat în incinta magazinului. Figura 5.3 Câmpul magnetic măsurat în incinta magazinului în câteva puncte, la diverse înălţimi cu (a) şi fără (b) echipamente conectate la reţeaua de alimentare cu energie electrică [Pavel 2017]. Am realizat, de asemenea, o supraveghere automată a câmpului magnetic de fond, în punctu A-S 1 pentru întregul program de lucru, așa cum se observă în Figura 5.7. Valoarea cea 25
mai mare în această zonă este de 230 nt, iar valorea minimă 96 nt, fiind identificată la finalul programului de lucru deoarece unele echipamente sunt deconectate. Figura 5.7 Înregistrarea câmpului magnetic de fond timp de 13 ore în punctul A-S 1 [Pavel 2017]. Lângă sursa VF 1, am făcut o supraveghere automată a câmpului magnetic de fond la o înălțime de 1 metru faţă de pardoseală. În urma supravegherii automate am determinat valorile câmpului magnetic pentru 1 oră și 21 de minute, cum se arată în Figura 5.8 unde se pot observa momentele de pornire/oprire ale echipamentelor dotate cu termostat. Cea mai mare valoare a fost identificată în momentul pornirii sursei VF 1 şi anume 1272 nt. Figura 5.8 Înregistrarea câmpului magnetic de fond, timp de 1 ora şi 21 de minute, lângă VF 1 [Pavel 2017]. Pentru punctul A-S 2 am efectuat 24 de ore de supraveghere automată în două zile de sâmbătă din două săptămâni consecutive dintre care am prezentat în Figura 5.10 supravegherea automată din data de 15.07.2017. În această zonă am identificat o variație a câmpului magnetic, între 258 708 nt. Figura 5.10 Înregistrarea câmpului magnetic pentru 24 de ore, în punctul A-S 2 (15.07.2017) [Pavel 2017]. 26
5.2 Măsurarea câmpului magnetic din locuinţe 5.2.1 Măsurarea câmpului magnetic într-un apartament Am efectuat câteva măsurări ale câmpului magnetic de fond generat de rețeaua de alimentare cu energie electrică și aparatele electrocasnice, într-un apartament din orașul Iași. Conform Figurii 5.11 apartamentul este împărţit în 8 spaţii: holul de la intrarea în apartament, bucătăria, baia, un living şi un dormitor. Pentru fiecare spaţiu în parte am efectuat măsurări ce au condus la determinarea variabilităţii spaţiale a câmpului magnetic de fond. Figura 5.11 Schița apartamentului cu punctele în care am efectuat măsurări ale câmpului magnetic de fond şi sursele existente. Am identificat şi sursele generatoare de câmp magnetic prezente în acest spaţiu: un frigider (F), un cuptor cu microunde (CM), centrala termică (CT), acestea fiind situate în bucătărie, tabloul electric general (TE) de pe holul de la intrarea în apartament, maşina de spălat (MS), poziţionată în baie, două televizoare (TV) aflate în living, respectiv în dormitor şi nu în ultimul rând instalaţia electrică de alimentare cu energie electrică. Pentru determinarea variabilităţii spaţiale a câmpului magnetic de fond din holul apartamentului am efectuat măsurări în cele 4 colţuri şi respectiv centrul fiecărei camere, la diverse înălţimi (0 metri, 1 metru, 2 metri) faţă de pardoseală şi la 1 metru distanţă de sursele existente. Măsurările au fost efectuate în două cazuri: când electrocasnicele sunt conectate (a) şi când acestea sunt deconectate (b) de la reţeaua electrică de alimentare cu energie electrică. Rezultatele au fost reprezentate sub formă grafică, aşa cum se poate observa în Figura 5.12 unde 27
am prezentat variaţia câmpului cu înăţimea din holul apartamentului, aici identificându-se cea mai mari valoare din întreg spaţiul (300 nt), în apropierea tabloului electric. Figura 5.12 Câmpul magnetic înregistrat pe hol în anumite puncte și înălțimi diferite cu (a) și fără (b) echipamente alimentate. 5.2.2 Măsurarea câmpului magnetic într-un cămin studenţesc Pentru monitorizarea câmpului magnetic dintr-un cămin studenţesc am ales trei zone: zona de intrare în cămin (unde se află biroul personalului de pază şi tabloul electric general, TEG, al căminului din vecinătatea centralei termice), o cameră situată la parter, lângă centrala termică şi o cameră poziţionată perete în perete cu tabloul electric de pe palierul etajului 1 al căminului. Pentru fiecare zonă am măsurat câmpul magnetic de fond şi am reprezentat variabilitatea spaţială a acestuia sub formă grafică. Am prezentat în Figura 5.17 schiţa zonei cu sursele şi punctele de măsurare iar rezultatele sunt date sub formă grafică în Figura 5.18 în două cazuri: seara când studenţii sunt prezenţi în cămin (a) şi într-un moment al zilei când studenţii sunt la cursuri. Figura 5.17 Schița zonei de intrare în cămin cu biroul personalului de pază aflat în apropierea centralei termice și a tabloului electric general. 28
Figura 5.18 Câmpul magnetic măsurat într-un birou în anumite puncte și înălțimi diferite, seara (a) și în timpul zilei (b). Ca surse prezente în această zonă am identificat: un rooter (Wifi), telefonul (T), tabloul electric general (TEG) şi centrala termică. Măsurările au fost efectuate în camera de gardă a personalului de pază studiind nivelul de expunere la câmpul magnetic. Valorile maxime au fost identificate în punctele P1 şi P2 deoarece acestea sunt mai apropiate de tabloul electric general. 5.3 Măsurarea câmpului magnetic din câteva laboratoare Pentru determinarea expunerii organismului uman la perturbaţiilor magnetice în aceste medii, am realizat mai multe supravegheri ale câmpului magnetic în câteva laboratoare din interiorul Facultăţii de Inginerie Electrică, Energetică şi Informatică Aplicată din Iaşi. Am ales anumite puncte strategice unde au acces atât studenţii cât şi cadrele didactice, efectuând apoi supravegheri automate la diverse intervale de timp cu ajutorul sistemului automat triaxial de supraveghere a câmpului magnetic de joasă frecvenţă, implementat şi prezentat în capitolul 3. Primele înregistrări au fost efectuate în sala EN203, care este un laborator cu mai multe calculatoare. În Figura 5.23 este prezentată înregistrarea câmpului magnetic în zona de lucru a studenţilor iar valorile câmpului magnetic identificate în această zonă sunt cuprinse în intervalul 118 nt 168 nt. Figura 5.23 Înregistrarea câmpului magnetic în laboratorul EN203 din zona de lucru a studenţilor. 29
Următorul punct de supraveghere al câmpului magnetic este situat în zona catedrei unde valoarea câmpului este mai mică în comparaţie cu zona de acces a studenţilor deoarece pe fiecare masă din zona studenţilor era poziţionat câte un calculator. Valoarea maximă identificată în această zonă este de 156 nt, după cum se poate observa în Figura 5.24. Figura 5.24 Înregistrarea câmpului magnetic în laboratorul EN203 din zona catedrei. Un ultim studiu a fost efectuat în laboratorul de măsurări electrice situat la parterul clădirii. Câmpurile magnetice în acest laborator sunt generate de curenții ce străbat sistemele de alimentare cu energie electrică, precum și echipamentele necesare la realizarea lucrărilor de laborator. Schița laboratorului este prezentată în Figura 5.29. Figura 5.29 Schiţa laboratorului de măsurări electrice cu sursele existente şi punctele de măsurare. Pentru a studia variabilitatea spațială a câmpului magnetic, am efectuat măsurări în 4 puncte (P1, P2, P3 şi P4) situate la mijlocul distanței dintre centru și cele 4 colțuri, respectiv în centrul laboratorului (P5), în două cazuri: cu echipamentele conectate (a) şi deconectate (b) de la 30
reţeaua de alimentare. Analizând graficele din Figura 5.30 putem observa o diferență semnificativă între valoarea maximă (1 µt) și cea minimă (60 nt) a câmpului magnetic măsurat. Aceste diferențe se datorează faptului că în apropierea punctului P1, la înălțimea de 0 metri față de pardoseală, trece un conductor electric spre tabloul electric general. De asemenea, în punctul P5, valoarea maximă a fost identificată la înălțimea de 0 metri (830 nt), datorită faptului că acest punct se află în apropierea alimentării generale ale tablourilor TE1, TE2 și TE3. Figura 5.30 Variabilitate spaţială a câmpului magnetic de fond din laboratorul de măsurări electrice. 5.4 Măsurarea câmpului magnetic în mediul spitalicesc Am realizat un studiu al câmpului magnetic din secţia de tomografie cu scaner RMN a unui spital din oraşul Iaşi. Ca strategie de monitorizare a câmpurilor magnetice în apropierea unui scaner RMN, am realizat atât supravegheri automate pe termen lung ( long term survey ), cât și măsurări în anumite puncte şi la anumite momente ( spot measurements ) în mai multe zone, utilizând două tipuri de echipamente. Pentru măsurări, am utilizat un aparat comercial (EMF TESTER EXTEC) și pentru supravegherea automată pe termen lung am folosit instrumentul EMF METER, echipament realizat în cadrul tezei. În Figura 5.35 am prezentat o schiţă a zonei din preajma scanerului RMN cu sursele de câmp magnetic și punctele de măsurare unde am studiat variabilitatea temporală și spațială a câmpului magnetic de joasă frecvență. Zona studiată a fost împărțită în 4 sectoare: Sala de așteptare (SA), unde pacienții așteaptă să fie chemați de către personalul medical pentru investigații, holul (Hol), porțiunea care separă sala de așteptare de camera de control (CC), unde pacienții sunt examinați de personalul 31
medical înainte de a intra în camera scanerului RMN și primesc tratamentele necesare, respectiv camera tehnică (CT), identificând majoritatea echipamentelor ce contribuie la funcționarea scanerului RMN. Sursele de câmp magnetic din zona studiată sunt: un grup de tablouri electrice (T1), amplasate în perete, între sala de așteptare și zona holului, dispozitivul de supraveghere video (DVR) din camera de control, două tablouri electrice (T2 și T3), sistemul de răcire cu aer condiționat (CS) situate în camera tehnică. Figura 5.35 Schiţa suprafeței din zona scanerului RMN cu sursele de câmp magnetic și punctele de măsurare [Pavel 2018 b]. Pentru fiecare sector am selectat câteva puncte în care am determinat variabilitatea spațială a câmpului magnetic la trei înălţimi diferite (0 metri, 1 metru și 2 metri) faţă de pardoseală. Punctele evidenţiate cu verde (P 1 -P 26 ) sunt situate la un metru distanță faţă de surse și punctele evidenţiate cu roșu (P 3', P 9', P 11', P 12', P 19', P 20', P 21', P 22' ) sunt situate în apropierea surselor. 32
De asemenea, am determinat variabilitatea temporală a câmpului în trei puncte, A-S 1 și A-S 2 situate în camera de control din apropierea biroului personalului medical și A-S 3 din camera tehnică, în fața panoului sistemului de formare a gradienților. În acest ultim sector am identificat cea mai mare valoare a câmpului magnetic din întreaga zonă (8289 nt). Rezultatele obținute în urma măsurărilor, au fost prezentate sub formă grafică în cele două cazuri: în timpul programului de lucru, atunci când scanerul RMN este funcțional (a) și în afara programului când RMN-ul este oprit (b) dintre care am prezentat valorile obţinute în spaţiul tehnic, aici identificându-se cele mai ridicate valori conform Figuri 5.39. Figura 5.39 Variabilitatea spațială a câmpului magnetic în camera tehnică atunci când scanerul RMN este pornit (a) respectiv oprit (b) [Pavel 2018 b]. S-a constatat că variația câmpului magnetic este influențată de funcționarea scanerului RMN doar în camera de control si spaţiul tehnic. După efectuarea măsurărilor în anumite puncte şi la anumite momente, am identificat câteva zone în care am efectuat supravegheri automate pe termen lung: în camera de control, unde personalul medical supraveghează pacienții examinaţi de scanerul RMN (A-S 1 la 0 metri distanță de pardoseală și A-S 2 situat exact pe birou) şi zona camerei tehnice, (P 21' ) lângă tabloul unde se formează gradienţii (T2). În Figura 5.40 este prezentată înregistrarea câmpului magnetic din punctul A-S 1 timp de 3 ore și 36 de minute într-o zi de lucru (27 martie 2018). Valoarea maximă a câmpului magnetic identificată în această zonă este 85,86 nt. 33
Figura 5.40 Înregistrarea valorilor efective ale câmpului magnetic, timp de 3 ore și 36 de minute în punctul A-S 1 [Pavel 2018 b]. În apropierea tabloului (T2) unde se formează gradienţii am efectuat o supraveghere automată a câmpului magnetic în timpul diagnosticării unui pacient (punctul P 21 ). Am prezentat în Figura 5.44 înregistrarea câmpului magnetic pe o perioadă de aproximativ 3 ore, valoarea maximă identificată în această zonă fiind 8289 nt, în timpul examinării unui pacient. Figura 5.44 Înregistrarea B RMS timp de aproximativ 3 ore în punctul P 21 [Pavel 2018 b]. După realizarea acestui studiu, am făcut o prelucrare statistică a rezultatelor, prezentată în Tabelul 5.4. Tabelul 5.4 Prelucrarea statistică a rezultatelor, pentru trei zile diferite, în două puncte din camera de control şi unul din camera tehnică [Pavel 2018 b]. Supraveghere Nr. de B rms Nr. [nt] de Perioada măsurări Dev. Zona Data Min. Med. Max. [hh:mm] Stand. valori peste B med. t t pestemedie sup raveghere A-S 1 03:36 27.03.2018 5885 2.84 57.88 85.86 9.14 1438 28.21 A-S 2 02:39 24.04.2018 4332 7.02 15.63 36.89 4.63 804 37.29 P 21 02:57 07.06.2018 4822 1961.78 2236.16 8289.31 598.02 701 14.95 [%] 100 34
Concluzii finale şi contribuţii În capitolul 1 am prezentat scopul şi importanţa măsurărilor câmpului magnetic generat de sistemele electrice. Am făcut o clasificare a surselor de câmp magnetic precum şi a diverselor aplicaţii ale măsurării acestor câmpuri după care am făcut o scurtă descriere a sistemelor de alimentare cu energie electrică deoarece ele constituie principalele surse emiţătoare de câmp magnetic de joasă frecvenţă. Datorită efectelor acestor câmpuri perturbatoare asupra echipamentelor şi asupra organismelor vii am prezentat câteva probleme referitoare la compatibilitatea electromagnetică, precum şi la biocompatibilitatea electromagnetică. Am prezentat apoi, câteva reglementări adoptate la nivel naţional şi internaţional referitoare la expunerea, atât a publicului larg, cât şi a personalului autorizat, la câmpurile magnetice. De asemenea, am făcut o scurtă prezentare a unor studii care raportează posibilitatea apariţiei unor efecte biologice la expunerea pe termen lung, chiar la niveluri mici ale câmpului magnetic de joasă frecvenţă (peste 0,4 µt), mai ales în cazul copiilor. Pentru studierea câmpului magnetic generat de sistemele de alimentare cu energie electrică am prezentat în capitolul 2 unele principii şi criterii de măsurare, utilizarea unor echipamente speciale, alegerea zonelor de măsurare şi aplicarea unor metode de măsurare specifice fiecărei zone în parte, în funcţie de sursele existente şi complexitatea spaţiului studiat. Instrumentele convenţionale existente dispun de o limitare a benzii de frecvenţă, în funcţie de domeniul studiat şi de asemenea, pentru instrumentele automate se remarcă existenţa mai multor game de măsură, ceea ce constituie un dezavantaj pentru utilizarea lor la supravegheri automate pe termen lung. Zonele în care se efectuează măsurări ale câmpului magnetic sunt alese în funcţie de numărul şi tipul surselor de câmp şi desigur a domeniilor de activitate din locurile studiate. 35