Rapport R11-801 Rev 1
Gnisturladdningar vid färd med cykel under kraftledningar av Lena Lunn och Göran Olsson
Titel
Gnisturladdningar vid färd med cykel under kraftledningar
Författare
Lena Lunn, Göran Olsson
Datum
2012-06-28
STRsI projektnummer
83628
Kundens referens
Proj nr 41001228. Erik Thunberg
Distribution till
Erik Thunberg
[email protected]
Antal sidor i huvuddokument Distribution STRI
9
Copyright:
Utan skriftligt tillstånd från STRI AB får publicering eller kopiering av innehållet i denna rapport endast ske i sin helhet.
Rapport version 1.94
sid 1-3 VD, M, Q, R, RT, S
Rapport R11-801 Sida 1 (9)
Sammanfattning Till Svenska Kraftnät har det kommit klagomål från personer som upplevt besvärande elektriska urladdningar när de cyklar under större kraftledningar. Man har bl a klagat över urladdningar mellan fingrar och styre och mellan lår och ram. För att närmare kunna förklara dessa fenomen och avgöra om de direkt kan medföra någon hälsopåverkan, har det genomförts en serie mätningar. Mätningar av det elektriska fältet kring en cyklist utfördes i oktober 2011 under en 400 kV kraftledning i Snöån utanför Ludvika. Mätningen visar på en fältförstärkning med ca 50 % nära cyklisten jämfört med det opåverkade fältet. Kapacitansen mellan cykel och cyklist har genom mätningar uppskattats till ca 300 pF. Baserat på detta värde, fältförstärkning närmast cykeln och den maximala fältstyrkan under kraftledningar har en största urladdningsenergi på 1,1 mJ uppskattats. Detta är en ofarlig men fullt kännbar nivå. Beräkningar baserade på ett mer genomsnittligt förekommande elektriskt fält under en kraftledning ger ca 0,2 mJ, vilket ligger under den energinivå som är kännbar för de flesta personer. Mätresultaten visar att fältpåverkan av en kraftledning inte helt kan förklara de upplevelser som folk berättat om och att det måste finnas andra orsaker, eller troligare, en kombination av orsaker till dessa problem. En sådan möjlighet skulle kunna vara statisk uppladdning orsakad av byxor av syntetmaterial som gnider mot en cykelsadel. Mätningar av statisk elektricitet gjordes på en cyklist med byxor av med bomull i ett fall och polyester i ett annat fall. Mätningarna visade att kläderna gav ett bidrag även om det finns flera faktorer som påverkar noggrannheten på mätningarna. Det är i detta fall svårt att mäta uppladdningsspänningen direkt utan att drastiskt påverka situationen. En möjlighet, som användes här, är att mäta det statiska elektriska fältet och sedan beräkna spänningen. För korrekt resultat kräver dock det kännedom om fältets utbredning med avståndet, vilket här bara uppskattats som linjärt avtagande. Den här osäkerheten till trots, visar mätresultaten på en uppladdning och som bli mer påtaglig med byxor av syntetmaterial jämfört med bomullstyg. Uppladdningsspänningen orsakad av kraftledningens elektriska fält och uppladdningen orsakad av statisk elektricitet kan summeras och energin i urladdningen likaså. I slutändan är det dock så att den sammanlagda urladdningsenergin är måttlig och väl under gränsen för att akut kunna påverka hjärta eller nervsystem. Däremot finns naturligtvis alltid risken för sekundära händelser, d v s att en smärtförnimmelse skrämmer cyklisten så till den grad att han eller hon tappar kontrollen över cykeln och kör i diket eller krockar med mötande trafik. Risken för obehagliga urladdningar mellan kropp och cykel minskar påtagligt om man har elektrisk kontakt med cykelramen. Enklast löser man detta genom att hålla tummarna direkt mot styret och inte mot de isolerande handtagen.
Rapport R11-801 Sida 2 (9)
Innehåll Sammanfattning ..................................................................................................................... 1 Innehåll .................................................................................................................................. 2 Bakgrund ............................................................................................................................... 3 1 Gnisturladdningar......................................................................................................... 3 2 Mätning av kapacitans mellan cykel och cyklist.......................................................... 3 3 Fältmätningar med cykel under kraftledning ............................................................... 4 4 Beräkning av gnisturladdningar ................................................................................... 5 5 Mätning av urladdningsström ...................................................................................... 6 6 Statisk elektricitet ......................................................................................................... 7 7 Slutsats ......................................................................................................................... 9 8 Referenser .................................................................................................................... 9 Rev 1. 2014-08-18. Rapporten har kompletterats med en administrationssida (före sid 1)
Rapport R11-801 Sida 3 (9)
Bakgrund Svenska Kraftnät har 2011 tagit emot ett antal klagomål från personer som upplevt besvär med elektriska urladdningar när de cyklat under större kraftledningar. Den 2 juli rapporterade t ex Aftonbladets nätupplaga om en sådan händelse i trakterna av Döshult nära Helsingborg. Klagomålen kan av någon anledning möjligen ha varit fler 2011 än tidigare år. De drabbade klagar framförallt över urladdningar mellan hand och styre och mellan lår och ram. En sadel med metallnitar lär också ha gett upphov till smärtsamma urladdningar.
1
Gnisturladdningar
Frågan om gnisturladdningar har tidigare behandlats mer utförligt i Elforskrapporten 07:36 (Gnisturladdningar och kontaktströmmar av Anette Larsson och Göran Olsson [1]). Urladdningar i samband med cykling togs dock inte upp i rapporten, men i korthet torde följande gälla: Cyklisten är isolerad från cykeln via handtag av gummi, pedaler/skor och via sadeln. Själva cykeln är sedan isolerad från jord via däcken. Det elektriska fältet under en kraftledning medför att cyklisten laddas upp till en viss spänningsnivå och cykeln till en något lägre nivå. Spänningsskillnaden blir i vissa fall tillräckligt stor för att det skall kunna ske kortvariga urladdningar över korta luftgap; t ex mellan ett finger och styret. Högre urladdningsspänning och större uppladdad kapacitans, d v s större energi, medför en mer smärtsam urladdning.
2
Mätning av kapacitans mellan cykel och cyklist
För att kunna göra beräkningar av gnisturladdningarna har kapacitansen mellan en cykel och en cyklist mätts upp. Mätningar av kapacitansen har utförts med en LCR mätare. Mätningen utfördes inomhus vid rumstemperatur. Mätningen har gjorts mellan ramen och en aluminiumfolie av samma storlek som kontaktytan. För att få rätt avstånd har en cyklist suttit på cykeln vid mätningen mellan händer och styre respektive mellan sadel och ram. För mätning av kapacitans mellan fot och pedal har en folie lagts i en sko. Ovanpå folien har en träbit lagts och allt har sedan klämts fast på pedalen med en plastklämma. Cykeln som användes var samma som vid fältmätningen av elektriska fältet. Följande resultat har erhållits:
Styre-båda händerna: 161 pF
Sadel-ram: 96 pF
Mellan 1 pedal och 1 fot: 12 pF
Totalt fås då 161 + 96 +2 * 12 ≈ 300 pF
Rapport R11-801 Sida 4 (9)
3
Fältmätningar med cykel under kraftledning
Mätningar av det elektriska fältet har utförts under en 400 kV kraftledning i Snöån utanför Ludvika den 5 oktober 2011. Mätning av bakgrundsfältet gjordes på tio olika punkter nära ledningen innan den plats som hade högst fält valdes ut för mätningarna. Om mätningen utförts en riktigt varm sommardag, då nedhängningen av linorna varit större, hade fältstyrkan blivit högre. Utgångspunkten här är att den lokala fältförstärkningen vid cyklisten i procent blir lika stor som vid ett högre omgivande fält.
Figur 1 Uppställning vid mätning av elektriskt fält kring cyklist.
Området har delats upp i rutor med 1x1 meters sidor, se Figur 2 Mätpunkternas placering relativt cykeln. Mätningar har gjorts på 1 respektive 2 meters höjd. Mätningen gjordes med ett fältmätinstrument typ EHP 50C.
Rapport R11-801 Sida 5 (9)
Figur 2 Mätpunkternas placering relativt cykeln.
Fältstyrkan vid mätningen på 2 meters höjd låg kring 4 - 4,5 ,5 kV/m för att stiga till 6 kV/m närmast cyklisten (punkt ( 10 och 11 vid mätning på 2 meter). Jämförelse med mätresultat från samma punkter utan cykel ger en beräknad fältförstärkning på ca 50 %.
4
Beräkning av gnisturladdningar nisturladdningar
För det mer allmänna fallett med urladdning mellan människa och jord gäller att: UC = IC / ω C IC =ω ε E S dvs att UC = ε E S / C Där UC = Den maximala uppladdningsspänningen ε = εr ε0 ≈ 8,854 x 10-12 E = Den elektriska fältstyrkan. Ett rimligt maximalt värde under en 400 kV ledning är ca 10 kV/m på 2 meters höjd. Den beräknade fältförstärkningen en (baserat på mätningar) vid en cyklist är 50 %. Antag därför att den faktiska maximala fältstyrkan är 15 kV/m.
Rapport R11-801 Sida 6 (9) S = Den laddningsuppsamlande ytan hos cyklisten. Motsvarande yta för en upprättstående 1,8 m lång person är 5,25 m2. En cyklist är mer ”hopvikt” men vänder samtidigt ryggen upp mot kraftledningen. Antag därför att ytan är 6 m2. C = Kapacitansen mellan cyklist och cykel. Mätningen som gjordes gav ca 300 pF. Det här är givetvis ett osäkert värde, som beror av handtagens tjocklek och framförallt av sadelns stoppning. En kraftig sadel, som vid denna mätning, ger låg kapacitans. Ingen hänsyn har tagits till det bidrag som kommer från kroppen i övrigt, exempelvis mellan ram och ben då detta är särskilt svårt att uppskatta, men detta extra bidrag bör vara litet. Uppladdningsspänningen UC = ε E S / C kan med detta beräknas till: UC = 8,854 x 10-12 x 15000 x 6 / 300 x 10-12 = 2 656 V Den maximala energin i urladdningen kan beräknas enligt: W = 0,5 x C x U2 W = 0,5 x 300 x 10-12 x 26562 ≈1,1 mJ Den framräknade spänningen är förhållandevis hög för att vara gälla för en gnisturladdning från en människa men å andra sidan är kapacitansen högst måttlig. Energin blir därmed också högst måttlig. En urladdning på ca 1 - 2 mJ är kännbar men ofarlig i sig (IEC TS 60479-2:2007, Figur 19 [2]). Om den beräknade energin däremot baseras på uppmätta 6 kV/m närmast cyklisten, fås en urladdningsenergi på 0,2 mJ. En sådan nivå ligger under tröskeln för att vara kännbar för de flesta personer.
5
Mätning av urladdningsström
I samband med fältmätningen den 5 oktober 2011 genomfördes även en mätning av urladdningsströmmen från en stillastående cyklist. Mätningen gjordes med en digital multimeter typ Fluke 85 III. Cyklisten försågs en kopparlits runt handleden som via strömmätinstrumentet var kopplad till cykelstyret. Strömmen som mättes upp låg i normalfallet på 0,18 - 0,20 mA, men även högre värden kunde tillfälligtvis mätas upp. För en försöksperson låg maxvärdet på 0,40 mA för den andra på 0,55 mA. De tillfälliga höga värdena kan inte enkelt förklaras, men kan möjligen vara orsakade av en laddningsomfördelning i kondensatorsystemet cyklist-cykel-jord. En kontinuerlig ström av i storleksordningen 0,1 – 0,2 mA förefaller rimlig i detta fall då strömmen från en upprättstående människa är ca 0,07 mA och från en bil ca 0,4 mA vid denna opåverkade elektriska fältstyrka (4,5 kV/m) [3]. Gränsen för vad som är kännbart vid kontakt med finger ligger på 0,2 - 0,3 mA [1]. Förnimmelse vid ett stadigt grepp ligger på 0,7-1,1 mA [1]. Kvinnor är här mer känsliga än män. En intressant iakttagelse här är att när höjden på mätinstrumentet för elektriskt fält justerades in med en talmeter i metall så kändes det i fingrarna men inte så mycket att det upplevdes som obehagligt. Det gör att de uppmätta värdena
Rapport R11-801 Sida 7 (9) verkar rimliga även om man inte helt kan förklara den stora spridningen hos mätvärdena. En beräkning av strömmen vid den uppmätta opåverkade fältstyrkan E = 6 kV/m nära cyklisten och en laddningsuppsamlande yta S = 6 m2 ger: IC = ω ε E S = 2 * π * 50 * 8,854 * 10-12 * 6 000 * 6 = 0,1 mA Strömmen är proportionell mot det elektriska fältet. Med en högsta opåverkad fältstyrka på 10 kV/m, motsvarande 15 kV/m nära cyklisten, bör den maximala urladdningsströmen kunna bli 2,5 x 0,1 = 0,25 mA. Även du uppmätta värdena bör kunna multipliceras med samma faktor 2,5 för att motsvara maximal fältmiljö. Medelströmmen (vid 2,5 x 6 = 15 kV/m) fås på detta sätt till 2,5 x 0,2 = 0,5 mA. På grund av de oväntade resultaten gjordes ytterligare en mätning på samma plats den 2:a december 2011. Mätningen av det elektriska fältet gjordes i punkt 19 på 1 meters höjd. Fältet var då 4,4 kV/m, vilket är likvärdigt med den förra mätningen. Strömmen blev den här gången bara 50 μA, vilket ligger under gränsen av vad som kan kännas. Vid mätning av höjd med talmeter kändes heller ingenting i fingrarna. Vid mätningen den 5 oktober kändes fältet svagt men upplevdes inte som obehagligt. Vid mätningen i december var det kyligt och fuktigt ute. Vatten kondenserade på cykel och mätinstrument. Detta har troligen haft inverkan på mätresultaten även om storleken därav inte är klarlagd.
6
Statisk elektricitet
Då den beräknade elektriska fältstyrkan blev så pass låg föddes tanken om det fanns ytterligare fenomen som kan bidra till gnisturladdningar. Ett sådant bidrag skulle kunna vara statisk elektricitet, som skulle kunna orsakas av att man gnider kläder mot cykel och framförallt mot sadel. För att undersöka detta riggades en cykel upp i laboratoriet. Cykeln var upphängd i pakethållaren. Lastpallarna på bilden tar upp sidokrafter och stabiliserar cykeln medan bakhjulet kan snurra fritt medan försökspersonen trampar.
Rapport R11-801 Sida 8 (9)
Figur 3. Cykel uppriggad för prov med statisk uppladdning.
Mätningarna utfördes med en Influence-E-Fieldmeter EMF 57 för statiska E-fält. Det elektriska fältet (E) mättes på ett visst mätavstånd (L). E (kV/m)
L (m)
E*L uppskattad (kVdc)
Material byxor
Mätningar
0
0,5
0
100% bommull
stillasittande
+0,5
0,5
0,25
100% bommull
Cyklar, kontakt med sadel
+0,51.0
0,5
0,250,5
100% bommull
Cyklar, kontakt mot sadel och ram
-0,5
0,5
0,25
100% polyester
Stillasittande
-1,2
0,5
0,6
100% polyester
Cyklar, kontakt mot sadel och ram
-2
0,25
0,25
100% polyester
Cyklar, kontakt mot sadel och ram
+2
0,1
0,2
100% bommull
Cyklar, kontakt mot sadel och ram
-4
0,1
0,4
100% polyester
Cyklar, kontakt mot sadel och ram
Tabell 1. Uppmätning av statisk uppladdning.
Det finns betydande mätosäkerhet både via mätinstrumentet i sig (det mäter lågt på sitt mätområde) och att det hölls på exakt avstånd under själva mättillfället. Fältet
Rapport R11-801 Sida 9 (9) hos den cyklande personen är inte homogent, därför är det också en grov förenkling att spänningen kan beräknas genom att multiplicera E och L. Tyvärr medgav inte tillgänglig mätutrustning en mer exakt uppmätning av spänningen, då det krävs ett instrument med extremt hög ingångsimpedans för en sådan mätning. Bomull gav ett positivt elektriskt fält. Polyester gav ett negativt elektriskt fält. Det var tillräkligt att cykla 1 minut för att kunna mäta fälten i tabellen ovan. Fältet vid den första mätningen med polyester orsakades troligen av klädbytet. Det är fullt rimligt att anta att uppladdning orsakad av kraftledningens växelfält och uppladdningen orakad av statisk elektricitet kan överlagra varandra och därmed summeras. En uppladdning till i storleksordningen 500 V orsakad av statisk elektricitet kan antas vara rimlig. Om det summeras med de beräknade 2,8 kV i kapitel 4 ovan ger det en urladdningsenergi på totalt 1,6 mJ. Jämfört med de tidigare beräknade 1,1 mJ (baserat enbart på uppladdningen via kraftledningen), ger det ett högst intressant bidrag där man ligger i gränslandet mellan förnimbart och smärtsamt. Urladdningsenergin beror på kvadraten av spänningen, vilket gör att varje ytterligare bidrag till spänningen får en stor inverkan. Även det här beräknade högre värdet ligger på en ofarlig nivå.
7
Slutsats
När man cyklar under en kraftledning orsakar den elektriska fältstyrkan en uppladdning av cyklisten jämfört med cykeln. Detta kan resultera i en kortvarig urladdning. Beräkningar baserade på ett genomsnittligt förekommande elektriskt fällt under en kraftledning ger en urladdningenergi på 0.2 mJ, som ligger väl under den energinivå som är kännbar för de flesta personer. Även under en ledning för 400 kV och räknat med en hög lokal fältstyrka, fås en måttlig urladdningsenergi (1.1 mJ) . Nivån ligger väl under gränsen för att akut kunna påverka hjärta eller nervsystem. Det är dock möjligt att statisk uppladdning kan bidra till problemet och ge upphov till en märkbar men i sig ofarlig nervretning. En viss risk finns naturligtvis alltid för sekundära händelser, d v s att en smärtförnimmelse skrämmer cyklisten så till den grad att han eller hon tappar kontrollen över cykeln och kör i diket eller krockar med mötande trafik. Risken för obehagliga urladdningar mellan kropp och cykel minskar påtagligt om man har elektrisk kontakt med cykelramen, ex vis genom att hålla tummarna direkt mot styret.
8 [1] [2] [3]
Referenser Elforskrapport 07:36 (Gnisturladdningar och kontaktströmmar av Anette Larsson och Göran Olsson). IEC TS 60479-2:2007 Effects of current on human beings and livestockPart2: Special aspects. Transmission Line Reference Book. 345 kV and Above. EPRI. Second edition. 1982.
