ELEKTRYKA Krzysztof BUDNIK, Wojciech MACHCZYŃSKI Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Politechnika Poznańska

Podobne dokumenty
NATĘŻENIE POLA ELEKTRYCZNEGO PRZEWODU LINII NAPOWIETRZNEJ Z UWZGLĘDNIENIEM ZWISU

DUAL SIMILARITY OF VOLTAGE TO CURRENT AND CURRENT TO VOLTAGE TRANSFER FUNCTION OF HYBRID ACTIVE TWO- PORTS WITH CONVERSION

ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS NEAR NEW POWER TRANSMISSION LINES POLA ELEKTRYCZNE I MAGNETYCZNE WOKÓŁ NOWYCH LINII ELEKTROENERGETYCZNYCH

Przewody do linii napowietrznych Przewody z drutów okrągłych skręconych współosiowo

Aerodynamics I Compressible flow past an airfoil

Knovel Math: Jakość produktu

WPŁYW GRUBOŚCI EKRANU NA CAŁKOWITE POLE MAGNETYCZNE DWUPRZEWODOWEGO BIFILARNEGO TORU WIELKOPRĄDOWEGO. CZĘŚĆ II EKRAN I OBSZAR WEWNĘTRZNY EKRANU

NONLINEAR BOUNDARY CONDITION FOR ELECTROMAGNETIC FIELD PROBLEMS NIELINIOWE ELEKTROMAGNETYCZNE ZAGADNIENIE I SFORMUŁOWANIE JEGO WARUNKÓW BRZEGOWYCH

Hard-Margin Support Vector Machines

EXAMPLES OF CABRI GEOMETRE II APPLICATION IN GEOMETRIC SCIENTIFIC RESEARCH

Proposal of thesis topic for mgr in. (MSE) programme in Telecommunications and Computer Science

Machine Learning for Data Science (CS4786) Lecture11. Random Projections & Canonical Correlation Analysis

PRÓBY EKSPLOATACYJNE KOMPOZYTOWYCH WSTAWEK HAMULCOWYCH TOWAROWEGO

Outline of a method for fatigue life determination for selected aircraft s elements

ANALIZA ROZKŁADU POLA MAGNETYCZNEGO W KADŁUBIE OKRĘTU Z CEWKAMI UKŁADU DEMAGNETYZACYJNEGO

Kierunek i rodzaj studiów (Specjalność) Rodzaj pracy Nazwa jednostki Opiekun pracy Temat pracy (j.polski i j.angielski)

RESONANCE OF TORSIONAL VIBRATION OF SHAFTS COUPLED BY MECHANISMS

Lecture 20. Fraunhofer Diffraction - Transforms

ZJAWISKA FALOWE W RUROCIĄGACH PRZESYŁOWYCH WYWOŁANE INDUKCYJNYM ODDZIAŁYWANIEM LINII ELEKTROENERGETYCZNYCH

ZASTOSOWANIE PAKIETU FLUX2D DO ANALIZY POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO I TEMPERATURY W NAGRZEWNICY INDUKCYJNEJ DO WSADÓW PŁASKICH

DM-ML, DM-FL. Auxiliary Equipment and Accessories. Damper Drives. Dimensions. Descritpion

EKRANOWANIE W UKŁADZIE RUROCIĄGÓW PODZIEMNYCH

Helena Boguta, klasa 8W, rok szkolny 2018/2019

Weronika Mysliwiec, klasa 8W, rok szkolny 2018/2019

y = The Chain Rule Show all work. No calculator unless otherwise stated. If asked to Explain your answer, write in complete sentences.

ZASTOSOWANIE PROGRAMU FEMM DO ANALIZY NUMERYCZNEJ POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO PRZEWODÓW O PRZEKROJU PROSTOKĄTNYM W PROCESIE NAGRZEWANIA INDUKCYJNEGO

ELEKTRYKA Marcin NIEDOPYTALSKI Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów, Politechnika Śląska w Gliwicach

(Slant delay mesoscale functions)

IEC 62110:2009/AC1:2015

Model standardowy i stabilność próżni

KSZTAŁTOWANIE POLA MAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYCH SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

POLITECHNIKA ŚLĄSKA INSTYTUT AUTOMATYKI ZAKŁAD SYSTEMÓW POMIAROWYCH

OBLICZANIE NATĘŻENIA POLA ELEKTRYCZNEGO I POLA MAGNETYCZNEGO POD LINIĄ ENERGETYCZNĄ Z UWZGLĘDNIENIEM ZWISU PRZEWODÓW

Medical electronics part 10 Physiological transducers

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ

Convolution semigroups with linear Jacobi parameters

Electromagnetism Q =) E I =) B E B. ! Q! I B t =) E E t =) B. 05/06/2018 Physics 0

REDUKCJA NATĘŻENIA POLA ELEKTRYCZNEGO I MAGNETYCZNEGO W OTOCZENIU NAPOWIETRZNEJ LINII ELEKTROENERGETYCZNEJ

POMIARY NATĘŻENIA POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO MAŁYCH CZĘSTOTLIWOŚCI W OBIEKTACH PRZEMYSŁOWYCH

WYKORZYSTANIE SYSTEMU Mathematica DO ROZWIĄZYWANIA ZAGADNIEŃ PRZEWODZENIA CIEPŁA

Metody obliczania izolacyjności akustycznej między pomieszczeniami w budynku według PN-EN :2002 i PN-EN :2002

METODA MACIERZOWA OBLICZANIA OBWODÓW PRĄDU PRZEMIENNEGO

The Overview of Civilian Applications of Airborne SAR Systems

ZASTOSOWANIE SPLOTU FUNKCJI DO OPISU WŁASNOŚCI NIEZAWODNOŚCIOWYCH UKŁADÓW Z REZERWOWANIEM

deep learning for NLP (5 lectures)

Metodyki projektowania i modelowania systemów Cyganek & Kasperek & Rajda 2013 Katedra Elektroniki AGH


INFLUENCE OF A NUMBER OF ROTOR SLOTS ON ELECTROMAGNETIC TORQUE OF THE SINGLE-PHASE SHADED POLE INDUCTION MOTOR

ZASTOSOWANIE RÓWNANIA BOUSSINESQUE A DO OKREŚLANIA NAPRĘŻEŃ W GLEBIE WYWOŁANYCH ODDZIAŁYWANIEM ZESTAWÓW MASZYN

INSPECTION METHODS FOR QUALITY CONTROL OF FIBRE METAL LAMINATES IN AEROSPACE COMPONENTS

Krytyczne czynniki sukcesu w zarządzaniu projektami

Nazwa projektu: Kreatywni i innowacyjni uczniowie konkurencyjni na rynku pracy

Regionalny Dyrektor Ochrony Środowiska ul. 28 czerwca 1956 Poznań

WPŁYW ZJAWISKA NASKÓRKOWOŚCI NA IMPEDANCJĘ WEJŚCIOWĄ KABLA WSPÓŁOSIOWEGO W STANIE JAŁOWYM I W STANIE ZWARCIA

ANALIZA POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO NAGRZEWNICY ZE WZBUDNIKIEM ZEWNĘTRZNYM Z ZASTOSOWANIEM PROGRAMU FLUX 3D

ZASADY ZALICZANIA PRZEDMIOTU:

Modelowanie zagadnień cieplnych: analiza porównawcza wyników programów ZSoil i AnsysFluent

PRACA DYPLOMOWA Magisterska

TEORETYCZNA OCENA WPŁYWU SZCZELINY POWIETRZNEJ NA WARTOŚCI IMPEDANCJI WEJŚCIOWEJ UKŁADU WZBUDNIK WEWNĘTRZNY WSAD RUROWY

Linear Classification and Logistic Regression. Pascal Fua IC-CVLab

Tłumaczenie oryginalnej deklaracji ( z języka angielskiego)

harmonic functions and the chromatic polynomial

Lecture 18 Review for Exam 1

EVALUATION OF REPORTS ON ENVIRONMENTAL MEASUREMENTS OF ELETROMAGNETIC FIELDS GENERATED BY HIGH VOLTAGE TRANSMISSION LINES AND SUBSTATIONS

Instytut W5/I-7 Zestawienie Kart przedmiotów Wrocław,

METODA OGÓLNEJ OCENY STANU ŚRODO- WISKA OBSZARÓW WIEJSKICH NA PODSTAWIE INFORMACJI Z BANKU DANYCH REGIONALNYCH GUS I OSZACOWAŃ PROGRAMU EMEP

WYŁĄCZNIK CZASOWY OUTDOOR TIMER

SYNCHRONOUS GENERATOR FIELD-CIRCUIT MODEL AND ITS VERIFICATION BY MEASUREMENTS

MAGNETIC FORCES CALCULATION IN TWO-SPEED, LARGE POWER, SALIENT POLE, SYNCHRONOUS MOTOR

4. EKSPLOATACJA UKŁADU NAPĘD ZWROTNICOWY ROZJAZD. DEFINICJA SIŁ W UKŁADZIE Siła nastawcza Siła trzymania

XXIII Konferencja Naukowa POJAZDY SZYNOWE 2018


LED WASHER 30x3W WHITE IP65 F

R E P R E S E N T A T I O N S

SYMULACJA OGRANICZANIA ODDZIAŁYWAŃ ELEKTROENERGETYCZNYCH LINII WN NA RUROCIĄGI STALOWE

RADIO DISTURBANCE Zakłócenia radioelektryczne

Inverse problems - Introduction - Probabilistic approach

BIOPHYSICS. Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, Łódź, tel. (042)

Rozpoznawanie twarzy metodą PCA Michał Bereta 1. Testowanie statystycznej istotności różnic między jakością klasyfikatorów

POLOWO OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WERYFIKACJA POMIAROWA

SHP / SHP-T Standard and Basic PLUS

ver magnetyzm

CALCULATION ACCURACY OF SAFE COURSE MADE GOOD IN AN ANTICOLLISION SYSTEM

PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA DOKŁADNEGO NIEPARAMETRYCZNEGO PRZEDZIAŁU UFNOŚCI DLA VaR. Wojciech Zieliński

Mikroskopia polowa. Efekt tunelowy Historia odkryć Uwagi o tunelowaniu Zastosowane rozwiązania. Bolesław AUGUSTYNIAK

Fig 5 Spectrograms of the original signal (top) extracted shaft-related GAD components (middle) and

Instrukcja obsługi User s manual

QUANTITATIVE AND QUALITATIVE CHARACTERISTICS OF FINGERPRINT BIOMETRIC TEMPLATES

TRÓJFAZOWY GENERATOR Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W REśIMIE PRACY JEDNOFAZOWEJ

Installation of EuroCert software for qualified electronic signature

AN EFFECT OF FLOW NON-UNIFORMITY IN EARTH-TO-AIR MULTI-PIPE HEAT EXCHANGERS (EAHEs) ON THEIR THERMAL PERFORMANCE

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO DUŻEJ MOCY Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

RADIO DISTURBANCE Zakłócenia radioelektryczne

HARMONICZNE W PRĄDZIE ZASILAJĄCYM WYBRANE URZĄDZENIA MAŁEJ MOCY I ICH WPŁYW NA STRATY MOCY

MATEMATYCZNY MODEL PĘTLI HISTEREZY MAGNETYCZNEJ

EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF SCREENING WITH NOISE BARRIERS WITH ACCOUNT TO AN EDGE NOISE REDUCER

Vacuum decay rate in the standard model and beyond

SPIS TREŚCI SPIS WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ WSTĘP KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA SEKTORA ENERGETYCZNEGO W POLSCE... 14

ANALIZA STRUKTUR MAGNETOELEKTRYCZNYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH O ROZRUCHU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM. OBLICZENIA

WPŁYW WARUNKÓW CHŁODZENIA NA CHARAKTERYSTYKI LINIOWEGO STABILIZATORA NAPIĘCIA

Transkrypt:

ELEKTRYKA 1 Zeszyt 3 (15) Rok LVI Krzysztof BUDNIK, Wojciech MACHCZYŃSKI Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Politechnika Poznańska MAGNETIC FIELD OF UNDERGROUND CABLES Summary. The paper presents a theoretical study of the calculation of magnetic fields in vicinity of underground electric power lines. Exact and simplified methods of the determination of the magnetic flux density are presented. For a straight underground conductor the exact method bases on the Fourier transform technique, whereas the simplified method is based on the Biot-Savart law. Keywords: magnetic field, underground cables, vector potential, magnetic flux density, Fourier transform, Biot-Savart law POLE MAGNETYCZNE KABLI PODZIEMNYCH Streszczenie. W pracy przedstawiono teoretyczne rozwaŝania, dotyczące obliczania pola magnetycznego w pobliŝu podziemnych kabli elektroenergetycznych. Zaprezentowano metodę dokładną, opartą na rozwiązaniu analitycznym uzyskanym z wykorzystaniem transformaty Fouriera, oraz metodę uproszczoną bazującą na prawie Biota-Savarta. Słowa kluczowe: pole magnetyczne, kable podziemne, potencjał wektorowy, indukcja magnetyczna, transformata Fouriera, prawo Biota-Savarta 1. INTRODUCTION Transmission of the electric power is accompanied with generation of low frequency electromagnetic fields. Nowadays of special concern is the possibility of detrimental environmental effects arising from the electrical and magnetic fields formed adjacent to the transmission lines. These fields may affect both operation of near electric and electronic devices and appliances and also various living organisms. The paper presents a theoretical study of the calculation of magnetic fields in vicinity of underground electric power lines. Exact and simplified methods of the determination of the magnetic field are presented. For a straight underground conductor the exact method bases on the Fourier transform technique, whereas the simplified method is based on the Biot-Savart law.

8 K. Budnik, W. Machczyński. MAGNETIC FIELD CALCULATIONS.1. Exact method (Fourier transform technique) Exact magnetic field computation techniques assume that the current carrying power line conductors are straight horizontal wires of infinite length [1-6]. Consider an infinitely long current carrying conductor placed at depth d under the earth surface, Fig. 1. The current I flows in direction of the x-axis and varies with the time as exp(jωt) where ω is the radian frequency. The x, y plane is considered to be the earth surface. It is assumed that the earth is an isotropic, homogeneous medium of finite conductivity γ. The magnetic permeability of the soil and of the air is µ. The displacement currents in both regions: the air and the earth are neglected. z µ=µ γ 1 = ε 1 =ε d y x I underground conductor µ=µ γ =const. ε =const. Fig. 1. An infinitely long current carrying conductor under the earth surface Rys. 1. Nieskończenie długi przewód podziemny z prądem The vector potential of the electromagnetic field has the x-component only denoted A x (y, which satisfies the following equations: where: the Laplace equation in the air: the Helmholtz equation in the earth: A A Ax + x = z (1) y z A x y + δ Dirac delta function, x z k A k = jωµ γ, j = 1 x = Iδ ( y) δ ( z d) z µ ()

Magnetic field underground 9 The vector potential A in the air can be obtained if the Fourier transform is used and the boundary conditions in the system considered expressing the continuity of the normal component of the magnetic flux density and the tangential components of the magnetic as well as electric intensities are taken into account: Ax 1) = Ax ) (3) 1 Ax1( y,) 1 Ax ) = (4) µ z µ z Hence the x-component of the vector potential in the air can be written in the form: A x1 d µ I e = π u + cos( uy) du z u u + k + k uz It should be noted that the formula (5) is the same that obtained by Sunde []. The magnetic flux density B r can be obtained from the equation: In the case considered: r B = rot A r B = 1y Ax z x, z y 1 A ( y where 1 x, 1 z are the unit vectors in the direction x and z respectively. become: From eqns (7) and (5) two components of the magnetic flux density in the air (z ) B y B d µ I ue = π u + Inserting to equations (8) and (9): u + k cos( uy) du z z d µ I ue = π u + u + k uz sin( uy) du z u u + k + k uz we have for the y - component of the magnetic flux density (5) (6) (7) (8) (9) u = k n (1) B I k k d n + j k nz µ ne y ) π = cos( k ny dn n + n + j (11)

1 K. Budnik, W. Machczyński The key aspect of magnetic flux density evaluation is to calculate the infinite integral in eqn.(11), where the exponent in the exponential function in the integrand is complex and is given by k d n + j. In consequence the real and imaginary parts of the integrand are oscillatory functions, what can lead to numerical problems by evaluation of the integral. Taking into account that n + 1 = j( n n + n + j j ) (1) and denoting: n + j = a + jb (13) where: 4 n + 1 + n a = (14) one becomes 4 n + 1 n b = (15) µ I k By = j π k nz k da ne e k nz k da j ne e [( n a) cos( k db b sin( k db) ] cos( k ny) dn + [( n a) sin( k db + b cos( k db) ] cos( k ny) dn (16) Similarly we obtain the z-component of the magnetic flux density in the form Bz = µ I k j π k nz k da ne e k nz k da j ne e [( n a) cos( k db b sin( k db) ] sin( k ny) dn + [( n a)sin( k db + b cos( k db) ] sin( k ny) dn (17) The integrals in the formulas have to be solved numerically. Figures - 4 show a typical dependency of the real and imaginary integrand parts on the integral variable n.

Magnetic field underground 11 Extensive investigations of the integrand with different geometrical and electrical parameters of the system shown in Fig. 1, have led to determination of the integral upper limit. In practical cases, for f = 5 Hz, commonly depths of the conductors buried in the earth with typical earth conductivity, the upper limit can be not greater then 5. Finally, the magnitude of the magnetic flux density: B ( ) B ) ( y B ( ), = y + z z (18) Fig.. Real and imaginary parts of the integrand J y for different earth conductivity and d=1 m, y=, z=1 m Rys.. Część rzeczywista i urojona funkcji podcałkowej J y w funkcji konduktywności gruntu dla d=1 m, y=, z=1 m

1 K. Budnik, W. Machczyński Fig. 3. Real and imaginary parts of the integrand J y for different coordinate z and d=1 m, y=, γ=1-3 S/m Rys. 3. Część rzeczywista i urojona funkcji podcałkowej J y w funkcji współrzędnej z dla d=1 m, y=, γ=1-3 S/m

Magnetic field underground 13 Fig. 4. Real and imaginary parts of the integrand J y for different coordinate y and d=1 m, z=1 m, γ=1-3 S/m Rys. 4. Część rzeczywista i urojona funkcji podcałkowej J y w funkcji współrzędnej y dla d=1 m, z=1 m, γ=1-3 S/m.. Simplified method (Biot-Savart law) The magnetic field in the observation point P(x,y, produced by a current path c as in Fig. 5 can be computed using the Biot-Savart law [1, ]:

14 K. Budnik, W. Machczyński µ I( dl 1 B( x, y, = 4π r r ) c (19) where I is a phasor current, the vector element dl coincides with the direction of the current I, 1 r is a unit vector in the direction of the vector r, r is the distance between the source point P s (X, Y, Z) and the observation point P(x, y, and µ is the magnetic permeability of the vacuum. I dl 1 r P s (X,Y,Z) r P(x,y, c Fig. 5. Current path generating the magnetic field Rys. 5. Pole magnetyczne przewodu z prądem If the current carrying conductor is straight and infinitely long as shown in Fig. 1, it follows from eqn.(19) that B µ = π I y + z () 3. EXAMPLE Consider a system of three conductors shown in Fig.6. The conductors of the underground power cable (separate cores) are buried in flat configuration at depth d = 1, m. The conductors for the three phases are separated by the distance a =,5 m. We wish now to calculate the magnetic flux density in the air at the frequency f = 5 Hz, at the height z = 1, m above ground level, for currents: I 1 = 1 A, I = 1. e -j 1 A, I 3 = 1. e j 1 A. The calculations have been curried out using the MatLab according to accurate relationships (16) and (17) as well as to simplified relation ().

Magnetic field underground 15 z I 1 I I 3 d y a a Fig. 6. Underground current carrying conductors of the three phase power cable Rys. 6. Podziemny trójfazowy kabel elektroenergetyczny The results of calculations are shown in Fig. 7 and Fig.8, respectively. It should be noted, that the results of calculations are practically identical. It should be however pointed out, that the simplified method based on the Biot-Savart law is adequate for homogeneous soils having a relative permeability equal to unity and for low frequency values [8]. On the contrary, the accurate method can be used in more complex cases. Fig. 7. Profile of the module of the magnetic flux density obtained using the accurate formulas Rys. 7. Rozkład modułu wektora indukcji magnetycznej wyznaczony z zaleŝności dokładnych

16 K. Budnik, W. Machczyński Fig. 8. Profile of the module of the magnetic flux density obtained using the simplified formula Rys. 8. Rozkład modułu wektora indukcji magnetycznej wyznaczony z zaleŝności przybliŝonych 4. FINAL REMARKS From the equations presented the quasi-stationary magnetic field produced by currents flowing in conductors of an underground power cable can be calculated. The accurate formulas are derived by a general solution of the electromagnetic field equations, using a methodology based on the vector potential approach. The simplified formula follows from the Biot-Savart law and gives results with considerably accuracy, comparing with the exact method. The results derived may be applied in practical EMI problems related to earth return circuits laid along power cable in the same right of way. BIBLIOGRAPHY 1. Carson J.R.: Wave propagation in overhead wires with ground return. Bell System Technical Journal, 196, No. 5, s. 539-554.. Sunde E.D.: Earth conduction effects in transmission system. New York, Dover 1968. 3. Krakowski M.: Obwody ziemnopowrotne. WNT, Warszawa 1979. 4. Machczyński W.: Oddziaływania elektromagnetyczne na obwody ziemnopowrotne rurociągi podziemne. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1998. 5 Guide on the influence of high voltage AC power systems on metallic pipelines. CIGRE, 1995.

Magnetic field underground 17 6. ITU-T, Directives concerning the protection of telecommunication lines against harmful effects from electric power and electrified railways lines; Vol. II. Calculating induced voltages and currents in practical cases, Vol. III. Capacitive, inductive and conductive coupling: Physical theory and calculation methods: International Telecommunication Union, Geneva 1989. 7. Adhikari S., Holbert K.E., Karady G.G., Dyer M.L.: Modelling Magnetic Fields Generated by Single-Phase Distribution Cables. 39 th North American Power Symposium, NAPS 7, p. 85 91. 8. Malo Machado V., Almeida M.E., Guerreiro das Neves M.: Accurate magnetic field evaluation due to underground power cables, Euro. Trans. Electr. Power (8). Published online in Wiley InterScience, (www.interscience.wiley.com) DOI: 1.1/etep.96. Wpłynęło do Redakcji dnia 1 września 1 r. Recenzent: Prof. dr hab. inŝ. Zygmunt Piątek Omówienie Przesył energii elektrycznej jest związany z generowaniem pola elektromagnetycznego niskiej częstotliwości. Obecnie szczególne zainteresowanie budzi moŝliwość niekorzystnego oddziaływania pola na organizmy Ŝywe oraz infrastrukturę techniczną znajdujące się w pobliŝu linii elektroenergetycznych wysokiego napięcia. W pracy przedstawiono teoretyczne rozwaŝania, dotyczące wyznaczenia rozkładu pola magnetycznego w pobliŝu podziemnych kabli elektroenergetycznych. Zaprezentowano metodę dokładną, opartą na rozwiązaniu analitycznym uzyskanym z wykorzystaniem transformaty Fouriera, oraz metodę uproszczoną bazującą na prawie Biota-Savarta. Uzyskane wyniki mogą mieć praktyczne znaczenie w analizie oddziaływań elektromagnetycznych podziemnych kabli elektroenergetycznych na pobliskie obwody ziemnopowrotne.