TEKNISK RAPPORT. Martin Lundmark, Anders Larsson och Janolof Hagelberg. Institutionen i Skellefteå EMC on SITE

Transkript

1 2002:16 TEKNISK RAPPORT Förstudie gällande förekomst av elektriska fält i kontorsmiljöer inom frekvensområdet 10kHz - 30 MHz Martin Lundmark, Anders Larsson och Janolof Hagelberg Institutionen i Skellefteå EMC on SITE 2002:16 ISSN: ISRN: LTU-TR--02/16--SE

2

3 Förord Projektet EMC on SITE i Skellefteå har av SIF erhållit ett uppdrag att mäta nivåerna av elektriska fält i kontorsmiljöer inom frekvensområdet 10 khz - 30 MHz. Avsikten har varit att få en uppfattning om vilka nivåer av elektriska fält som finns i kontor inom frekvensområdet och dessutom få en viss uppfattning om vilka utrustningar i byggnader som generar dessa fält i detta frekvensområde. Syftet har varit att kunna ge en bättre bedömning gentemot tidigare mätningar av de elektriska fältstyrkorna, genom att använda sig av en spektrumanalysator vid mätningarna. De gängse instrument som brukar användas för allmänna mätningar av elektriska fält, har inte samma dynamiska mätområde som en spektrumanalysator har. Huvuddelen av mätningarna utfördes under sensommaren 2001 på ett antal kontor. Tre personer har varit med och valt ut vilka mätplatserna. Ett stort tack riktas till de som upplåtit sina kontor för mätningar och till Gustav Berggren för utförandet av mätningar samt övriga som har hjälp till med rapporten.

4 Sammanfattning Projektet EMC on SITE i Skellefteå har av SIF erhållit ett uppdrag att undersöka nuläget gällande förekomst av elektriska fält i kontorsmiljöer inom frekvensområdet 10 khz - 30 MHz. Mätningarna utfördes under senvåren - sommaren En mycket intressant iakttagelse är, i de fall belysningen består av lysrör med högfrekvensdrift (HF-drift), att det elektriska fältets styrka till största delen bestäms av belysningen, och inte av bildskärmar. Vid lysrörsanläggningar med konventionell drift (med reaktor som förkopplingsdon) var nivåerna typiskt lägre än nivån från de bildskärmar som förekom på mätplatsen. De typiska nivåerna från lysrör med HF-drift var tio ggr starkare än de från de katodstrålerörbaserade bildskärmar som fanns på mätplatserna. En annan mycket intressant iakttagelse är att bakgrundsfältet (det elektriska fältet som kvarstår när olika källor som belysning och bildskärmar slagits av), har en sådan karaktär att skyddsjordsystemet kan ha distribuerat signaler från jordade apparater i andra rum i byggnaden, till det rum där mätning skedde. I projektet har vi tidigare visat att på det sätt som skyddsjordning är utfört i våra byggnader, så kan elektriska fält av nätfrekvens (50Hz) i de flesta fall hanteras via anslutning till skyddsjord. Konsekvensen av att använda skyddsledaren för att eliminera elektriska fält för högre frekvenser, kan dock i många fall vara att den totala nivån av det elektriska fältet i byggnaden ökar. Höga nivåer av elektriska fält i luft eller höga nivåer av högfrekvent brus i våra ledningssystem (kraftnät, datanät mm.), kan allvarligt störa tekniska funktioner eller t.o.m. förstöra dem. Om vi med trovärdighet skall fortsätta med att testa och godkänna bildskärmar gällande elektriska fält, så måste de i detta fall förhållandevis höga nivåerna från lysrör med HF-drift uppmärksammas och hanteras på ett bättre sätt. Inte minst därför att ljuskällor förekommer i alla typer av lokaler, i ett betydligt större antal än bildskärmar totalt sett, samt att ökningstakten för HF-drift är mycket stor.

5 Innehållsförteckning Sid Bakgrund 1 EMC, standards och mätteknik 3 Mätutrustning begrepp 7 Utförandet vid mätning av det elektriska fältet 8 Mätresultat 9 Slutsatser 13 Fortsatt arbete 15 Referenser 17

6

7 Bakgrund Intresset att mäta elektriska fält ur teknisk störningssynpunkt (gällande elektromagnetisk förenlighet, EMC) har funnits både civilt men framför allt militärt i mer än femtio år. Det frekvensområde som då varit aktuellt är från ca 10 khz och uppåt till ett tiotal GHz. Nätfrekvens 50 Hz Framför allt på senare år har även eventuella biologiska effekter av elektriska- och magnetiska fält diskuterats. Kraftledningar, bildskärmar (VDU, video display unit,) samt mobiltelefoner och deras basstationer har då mest fångat intresset. De två frekvensområden som därigenom har hamnat i blickpunkten är främst nätfrekvensen 50 Hz samt mobiltelefonernas arbetsområde kring 1 GHz ( Hz). För nätfrekvensen, 50 Hz, är ofta nivån av det elektriska fältet (uttryckta i V/m) stort. Detta beror i huvudsak på att den signalspänning (amplituden hos fasspänningen) som orsakar fältet är stort. I våra svenska elnät är fasspänningen inne i en byggnad 230V RMS (effektivvärde). Två metallplattor med potentialskillnaden (spänningsskillnaden) 230V, placerade en meter från varandra genererar ett elektriskt fält på 230 V/m. Höga nivåer på det elektriska 50 Hz fältet innebär normalt inte några nämnvärda problem för tekniska utrustningar. Kraftigt förenklat så beror detta på att det elektriska fältet har svårare att koppla till (påverka) utrustningen vid lägre frekvens, samtidigt som det nätfrekventa fältet enkelt dämpas (skärmas) genom t.ex. apparatkapslingen, bara denna är någorlunda ledande. Den långa våglängden innebär att fältet dämpas även om skärmen inte är helt tät. Detta innebär att ett metallnät med centimeterstora rutor kan dämpa det nätfrekventa elektriska fältet. För att kortsluta ett fält som finns mellan en apparat och byggnadskroppen (byggnadsstommen) ansluts ofta apparaten till skyddsledaren (PE, protective earth). Detta fungerar utmärkt vid nätfrekvensen 50 Hz, men fungerar sämre vid ökande frekvens. Detta på grund av att skyddsledarens ledningsförmåga minskar med frekvensen. Poängteras bör att skyddsledaren enbart är avsedd att bära ström vid ett fel och att strömmen vid ett fel kan vara i storleksordningen 100 ggr säkringens märkström. I starkströmsföreskrifterna, den föreskrift som hanterar elsäkerhetsarbetet, är skyddsledaren definierad på följande sätt. Skyddsledare (PE) Ledare för anslutning av utsatt del, som vare sig den är ansluten till systemets neutralpunkt eller inte uteslutande är avsedd för skyddsjordning [1]. Störningsfri samexistens, EMC Förutom för nätfrekvensen (50 Hz) och delvis för frekvensområdet för mobiltrafik (runt 1 GHz) förekommer idag liten kartläggning av nivåerna av de elektriska fälten i våra byggnader. Det faktum att nivåerna i mätvärde räknat (uttryckt i V/m) är stora och att åtgärderna för att minska det elektriska fältet vid 50 Hz är relativt enkla att utföra, räcker inte som motiv när det gäller att besluta om var insatserna behövs inom det tekniska området. 1

8 Önskas störningsfri samexistens mellan olika tekniska funktioner och apparater i byggnader, måste det EMC arbete som utförs på våra apparater och utrustningar i laboratorium kontrolleras, så att önskat utfall erhålls då dessa apparater och utrustningar hamnat i våra byggnader. Ett sätt att kontrollera störningsfri samexistens är att mäta nivåerna av det elektriska fältet i rummet. Andra sätt kan vara att studera det magnetiska fältet, de ledningsbundna störningarna i våra ledningsnät eller mellan olika ledningsnät osv. Frekvensområdet 10 khz 30 MHz Projektet EMC on SITE har av SIF erhållit ett uppdrag att undersöka nuläget gällande förekomst av elektriska fält i kontorsmiljöer i frekvensområdet 10 khz - 30 MHz. En av orsakerna till förfrågan är att man idag visserligen har en testmetod för VDU som är känd över hela värden, men ändå vet väldigt lite om hur utfallet har blivit i kontorsmiljö. Detta inte minst därför att en modern kontorsmiljö innehåller mer än bara VDU. Rådet för arbetslivsforskning - RALF I sin slutrapport om elöverkänslighet och hälsorisker av EMF, som rådet för arbetslivsforskning (RALF) den 1 december 2000 lämnade till regeringen, påpekas just att gällande det så kallade intermediära frekvensområdet (frekvenser mellan 300 Hz och 1-10 MHz 1 ) krävs mer insatser. Ytterligare mätningar och beräkningar krävs för att klarlägga huruvida grundrestriktionerna överskrids. Arbetsgruppens bedömning är att detta är troligt framför allt i vissa situationer i några yrken. [2] I de allmänna slutsatserna står: Samtidigt konstaterar arbetsgruppen att forskningsunderlaget är begränsat inom flera områden. Hit hör i första hand vissa delar av det intermediära frekvensområdet [2]. Enligt rådet för arbetslivsforskning krävs alltså mer forskningsinsatser i frekvensområdet mellan 50 Hz och 1 GHz. 2 1 Definition, speciellt den övre gränsen, varierar i olika publikationer.

9 EMC, standards och mätteknik Elektromagnetisk Förenlighet Elektromagnetisk Förenlighet EMC är ett gammalt begrepp som innebär att olika apparater och utrustningar skall kunna användas för sitt ändamål utan att störa varandra. En del av EMC-området handlar om elektriska och magnetiska fält EMF. Genom att begränsa tillåten emission (utsändning) till en låg nivå från enskilda apparater och utrustningar, samtidigt som immuniteten (tåligheten) av EMF sätts högt, så skapas en störmarginal. På detta sätt skapas utrymme att uppnå EMC även vid användning av fler än två apparater och utrustningar. Standard och provning För att undersöka om en utrustning uppfyller EMC-krav så finns olika standard. Provning av utrustning utförs av ackrediterade EMC-laboratorium. I standarden finns tydliga beskrivningar på hur provet utförs och anvisningar om inkoppling eller begränsning i användning av utrustningen. Då en utrustning är provad enligt sin produktstandard utförs normalt sett ingen ytterligare kontroll av nivåerna av elektriska och magnetiska fält. Byggnaden eller dess elsystem provas normalt sett inte heller gällande EMC. Bedömningen är att EMC uppfylls om regelverket följs. På militär teknisk utrustning och vid vissa industrianläggningar förekommer prov i anläggning. Denna kompletterar den komponentprovning som skett i ackrediterat laboratorium och innebär en form av totalbedömning om EMC har uppnåtts i anläggning. Naturligtvis så är en störningsfri drift det slutgiltiga beviset på EMC. Militär utrustning genomgår på detta sätt två prov. Det första provet utförs i ackrediterat laboratorium med standarder i många fall utformade av tillverkarna. Vid detta prov testas en apparat eller utrustning åt gången. Det andra provet genomförs med kundens (militärens) kravspecifikation, i ackrediterat laboratorium eller i anläggning och då kan flera apparater, utrustningar eller system testas samtidigt på den plats där de skall fungera. På den civila marknaden inskränks testproceduren till att enbart innefatta det första provet. Det första provet, ett prov i ackrediterat laboratorium enligt en produktstandard, kan sägas säkerställa lika konkurrens mellan liknande produkter. Det andra provet, kan sägas kontrollera att en apparat, utrustning eller en hel funktion uppfyller EMC (elektromagnetisk förenlighet) på den plats som är avsedd. Även om dessa senare prov inte skulle utföras vid alla installationer skulle ändå stora vinster uppnås. Dels genom en bättre återkoppling om hur hela EMC-arbetet fungerar på plats, dels därför att fastigheten och dess installation då skulle uppmärksammas. Störmarginalen Störmarginalen mellan emissionen och immuniteten garanterar att den avsedda funktionen upprätthålls. Desto större störmarginal som byggs in i systemen, desto större säkerhet att allt fungerar, men samtidigt ökar kostnaden vid byggnation. Liten störmarginal kan i sin tur ge höga driftskostnader. 3

10 Det kan dock vara svårt att veta att det är just bristande störmarginal som är orsaken till driftstörningen och därför så kan felsökning ta lång tid och misstankarna om orsaken kan vara riktade åt ett annat håll. I system och anläggningar med stora krav på driftsäkerhet måste man på ett eller annat sätt säkerställa en tillräcklig störmarginal. Om störmarginalen successivt tillåts minska, t.ex. genom att fler störkällor tillkommer, kan även små förändringar i störnivåer få stora konsekvenser när bägaren rinner över. En god störmarginal ger utrymme för att anläggningen kan utökas med fler utrustningar. Ett sätt att kontrollera störmarginalen är att undersöka emissionen genom uppmätningen av nivåerna samt immuniteten genom pålagda störningar, t.ex. på det sätt som det utförs för militära och vissa industriella anläggningar. Standarden MIL-STD-461E Den militära standarden MIL-STD-461E [3] är avsedd att mäta utrustning eller delsystem som ingår i större system. Standarden som utvecklats och förfinats under flera år, innehåller bl.a. anvisningar om hur man i en anläggning, kan verifiera nivån både av ledningsbundna och icke ledningsbundna störningar i form av elektriska och magnetiska fält. Gällande emission av det magnetiska fältet täcker standarden inom frekvensområdet 30 Hz till 100 khz. Motsvarande frekvensområde för det elektriska fältet är 10 khz till 18 GHz. Standarden SS I samband med det stora intresset kring mätningar av bildskärmar, tillkom en typ av mätinstrument speciellt anpassade för ändamålet. Denna typ av instrument används idag vid test av VDU enligt riktlinjer av TCO. Det är också väldigt vanligt verktyg för skyddsingenjörer och andra som mäter elektriska fält. Instrumentet användes även av Energimyndigheten (tidigare NUTEK) i ett omfattande demonstrationsprojekt om belysning i kontorsrum, "Ljusa korridorer", för att kontrollera nivån av elektriska fält från ljuskällor och då främst HF-armaturer. Mätningen av de olika belysningsparametrarna utfördes i ett för ändamålet speciellt uppbyggt mätrum. Fortfarande hänvisas det krav som ställs på belysningskällor gällande elektriska fält, att de skall mätas enligt metoden i projektet "Ljusa korridorer" [4] och programkrav för kontorsbelysning [15]. Någon standard för mätning av elektriska fält enligt denna metod finns dock inte. Den standard som finns gällande mätningar av VDU i det ackrediterade laboratoriet heter SS , Datorer och kontorsmaskiner Mätmetoder för elektriska och magnetiska fält [5]. Den publicerades i sin första version Den nu gällande är från Standarden gäller VDU men kan användas för annan liknande utrustning, men då skall det verifieras att den går att tillämpa. It is possible that it may be suitable for measuring other similar office equipment but anyone using it to do so must first verify its suitability. Vid tillkomsten av standarden SS har hänsyn tagits till det stora intresset som utvecklats att utföra mätningar av VDU på plats i byggnad (in-situ). Avsaknad av standardiserade metoder och dålig förståelse för den speciella mätproblematiken har, då många erbjudit dylika mätningar, dock skapat begreppsförvirring och rapportering av felaktiga resultat. Standarden SS innehåller därför en standardiserad 4

11 mätmetod för att utföra mätningar på VDU utanför det ackrediterade laboratoriet. Denna mätning sker dock med betydligt sämre mätnoggrannhet (av storleksordningen fem ggr) än i det ackrediterade laboratoriet. I samband med redovisningen av mätmetoden i standarden SS påpekas tydligt att metoden inte hanterar mätning av total exponering utan enbart emissionen från en VDU. The total exposure of individual results from the complex interaction of the emission from all local devices, building wiring, building construction and other physical aspects. Exposure assessments is outside the scope of this standard. [5] Standarden SS baseras på MPR1990:8 och MPR1990:10 vanligtvis kallad MPR II [6] som i sin tur har sitt ursprung i MPR:P 1987:1 (även kallad MPR I ) [7]. MPR II har sedan spridits till flera länder och blivit accepterad som de-facto standard. Grupperingar som svenska TCO [8] och japanska JEIDA [9] har producerat alternativa provningsbestämmelser för VDU. Andra grupperingar som IEEE [10] och ECMA [11] har publicerat testmetoder baserade på MPR II dock utan att specificera kravnivåer. Skyddsjordsledare och jordplan som referens vid mätning. Mätinstrumentet och mätobjektet skall enligt standarden SS vid mätning anslutas to a common ground eller chassis ground. Detta innebär att det går att med begränsad mätnoggrannhet kontrollera en VDU utanför det ackrediterade laboratoriet, men inte mäta emissionen från andra källor och framför allt inte den totala exponeringen i rummet. Detta förutsätter dock att standarden följs och att det elektriska fältet i bakgrunden är lågt. Vill man mäta den totala exponeringen av elektriska fält i rummet i detta frekvensområde finns idag ingen civil standard. Vid mätning av det elektriska fältet i frekvensområdet från 10 khz och till 30 MHz enligt MIL-STD-461E används jordplanet och inte skyddsledaren som referens. Att mäta relativt jordplanet är det normala vid mätning i EMC laboratorium. Detta för att erhålla en stabil referens både för låga och höga frekvenser. En av orsakerna till att skyddsledaren skall undvikas som referens förklarar standarden MIL 461E med att den, liksom andra ledare, skall betraktas som en störkälla. Also, safety grounds can conduct induced signals from external sources and reradiate within the equipment enclosure. Therefore, they must be treated similarly to other wiring. [3] Skyddsjordsledare och elektriska fält vid olika frekvenser Som tidigare nämnts så har skyddsledaren vid nätfrekvens en låg impedans (lågt motstånd för växelspänningen) och därmed ett lågt spänningsfall. Denna låga impedans är en förutsättning för att skyddsledaren skall fungera vid skärmning av kraftfrekventa (50 Hz) elektriska fält. Vid ökande frekvens ökar impedansen för en elektrisk ledare. En 100 m lång ledare med frekvensen 300 khz respektive en 1 m lång ledare med frekvensen 30 MHz motsvarar impedansen i ledaren, den karaktäristiska impedansen i luft (se fig. 1). Vid 5

12 anslutning av ett föremål till en ledare med en så hög impedans begränsas starkt nyttan för skärmningsändamål. Den ökande förekomsten av HF-brus genererat av modern energisnål och kompakt elektronisk utrustning anslutna i elnätet kan dessutom öka problemen. Vid anslutning av ett ledande föremål, t.ex. i avsikten att begränsa det elektriska fältet, till en skyddsledare som bär ett HF- brus i form av ström och spänning kan innebära, att det ledande föremålet själv blir en sändare för elektriska fält [12]. Den läckström av nätfrekvens som uppstår i skyddsledaren kanseleras (bidragen från de tre faserna tar ut varandra) i ett trefassystem. De mesta av bidragen med högre frekvenser som övertoner och HF-brus kanseleras dock inte i skyddsledaren. Av den anledningen kan skyddsledaren i de flesta fall användas vid skärmning och som referens vid mätning av nätfrekvens, men bör undvikas för högre frekvenser då mätresultatet riskerar att bli osäkert. Skall skyddsledaren användas som referens vid mätning av högre frekvenser måste störnivån först undersökas och konsekvensen för mätresultatet bedömas. Nuvarande utveckling tyder på att antal källor som genererar HF-brus i våra elnät ökar [13]. Skyddsledaren, vars funktion är att skydda person och egendom, skall enligt starkströmsföreskrifterna i normalfallet inte leda någon ström. Enda tillfället som skyddsledaren tillåts att leda ström är vid de korta ögonblick som felströmmar uppstår. Tyvärr används skyddsledaren som återledare för högfrekventa strömmar som alstras i modern energisnål och kompakt elektronisk utrustning. Detta kan skapa stora kostnader i framtiden [14]. Som tidigare nämnts så krävs ett lågt spänningsfall hos skyddsledaren om denna bär högfrekventa strömmar, för att ledande föremål som ansluts till skyddsledaren inte skall bli signalkällor för elektriska fält. I de fall skyddsledaren är en signalkälla för elektriska fält, är det naturligtvis olämpligt att använda denna som referens vid mätning av elektriska fält Ω m 100m 0,1 0,01 0,001 Hz 1,0E+0 10,0E+0 100,0E+0 1,0E+3 10,0E+3 100,0E+3 1,0E+6 10,0E+6 100,0E+6 50 Hz 300 khz 30 MHz Fig. 1 Visar hur impedansen hos en ledare med längden 1 m resp 100 m varierar med ökande frekvens. 6

13 Mätutrustning - begrepp Antenner Det är svårt att mäta det elektriska fältet under 30 MHz. En av orsakerna är den långa våglängden. I frekvensområdet mellan 10 khz och 30 MHz är våglängden mellan 10 m (gäller 30 MHz) och 30 km (gäller 10 khz). Detta påverkar bl.a. konstruktionen av den antenn som används vid mätning. Över 30 MHz kan antennerna konstrueras med antennspröt som motsvarar en halv eller en kvarts våglängd. Det typiska utseendet är som en vanlig utomhusantenn för TV och inget jordplan används. Under 30 MHz där antennspröten blir korta i förhållande till våglängden brukas ofta speciella högohmiga antenner. Dessa har inbyggda förstärkare och mäter den elektriska fältstyrkan med jordplanet som referens. Vid mätning enl. MIL 461E används en 104 cm lång antenn som är placerad på en kvadratisk jordplan (counterpoise) en plåt med sidan 60 cm se fig. 2. Antennen placeras med det kvadratiska jordplanet nära fastighetskroppen (fastighetens jordplan) och med avståndet en meter till närmaste mätobjekt. Den signal som då uppmätts är, på samma sätt som om det gällde en vanlig radiomottagare, summan av det elektriska fält som når antennen. Decibelbegreppet Det kan vara stora skillnader i styrkan av det elektriska fältet. För att enkelt kunna redovisa amplitudskillnader på tiotusen gånger eller en million gånger, så används decibelbegreppet. Tiotusen gånger motsvarar 80 decibel (förkortas db) och en million gånger motsvarar 120 db. En ökning med 10 db innebär ca tre ggr högre nivå, en ökning med 20 db innebär en tiodubbling av nivån. 30 db innebär ca 30 ggr högre nivå och 40 db innebär 100 ggr högre nivå på det uppmätta elektriska fältet. Som referens för amplituden används nivån 1 µv/m. Nivån 1 V/m som är en million gånger starkare än referensen nivån 1 µv/m har följaktligen nivån 120 dbµv/m. Spektrumanalysator En spektrumanalysator, som närmast kan liknas vid en radiomottagare med automatiskt frekvenssvep, lagrar undan mätdata i form av frekvens och motsvarande amplitud, i detta fall toppvärdet. Normalt mäts EMC-nivåer i någon form av toppvärde (peak eller kvasipeak), detta gäller även MIL-STD-461E. Tre olika frekvensområden har svepts 10 khz till 150 khz, 150 khz till 30 MHz samt 10 khz till 1 MHz. De två första är helt enligt MIL-STD-461E den sistnämnda har valts för att den ger en bättre upplösning av området mellan 150 khz och 1 MHz. 7

14 Utförandet vid mätning av det elektriska fältet Mätningarna har genomförts i ett antal olika kontorslokaler. Urvalet av mätobjekt har utförts av tre olika personer, som var och en har försökt att hitta lämpliga lokaler av olika typ och geografisk placering. En person har utfört mätningarna, ibland ensam ibland med hjälp. De personer som varit ansvariga för de lokaler där mätningar utförts, har visat ett stort intresse när de har tillfrågas om att upplåta lokaler för mätning. I inget fall har man uttryckt att man inte vill att mätning skall utföras. Drygt 40 mätningar har gjorts i kontor på varierande platser. Det finns en spridning både gällande kontorens storlek och geografiska placering. Mätningarna utfördes under senvåren och sommaren 2001 och de flesta mätningarna har utförts under kontorstid. Inga speciella arrangemang eller förändringar har skett i lokalen eller fastigheten i samband med mätningarna. Antennen har i enlighet med standarden MIL-STD-461E placerats minst en meter från föremål i rummet och i de flesta fall, i enlighet med anvisningarna, placerats mitt i rummet. Det kan dock inte uteslutas att det i något fall p.g.a. små utrymmen eller motsvarande blivit ett kortare avstånd till något objekt. Genom att i de fall det var möjligt, släcka belysning och bildskärmar, kunde bidragen från dessa kontrolleras. Då målet för denna förstudie enbart varit att erhålla en uppskattning om hur nivåerna av det elektriska fältet över 10 khz ser ut i ett större antal kontorslokaler, har inte mätning skett under lång tid eller vid olika tidpunkt på dygnet eller veckan. Detta bör naturligtvis göras. Fig. 2 Illustration av mätuppkoppling med mätobjekt och antenn. 8

15 Mätresultat Mätningarna visar genomgående stora variationer i nivåer på uppmätta elektriska fält. Styrkan av det elektriska fältet varierar beroende på de apparater som finns i rummet och dess omgivning men också på vilka apparater som är i drift vid mättillfället. Högsta uppmätta nivån är ca 105 dbµv/m, detta motsvarar ett toppvärde på det elektriska fältet av ca 0.18 V/m. I MIL-STD-461E ställs krav på tillåtna signalnivåer som säkerställer funktion för teknisk utrustning för bl.a. ytfartyg, ubåtar och flygplan. I dessa normer är kravet att det elektriska fältet ska understiga dbµv/m i frekvensområdet 10 khz till 30 MHz. Något motsvarande krav gällande kontorslokaler finns ej. Mätningarna kan därför inte ses som ett godkännande/underkännande av lokalerna utan som en inventering av läget och ett underlag för fortsatt arbete. Ambitionen i denna förstudie har inte varit att materialet skall vara av en sådan beskaffenhet att resultaten är statistiskt säkerställt. För detta krävs ytterligare mätning. Det finns en tydlig koppling mellan förekomsten av elektriska fält och förekomsten av elanslutna utrustningar i fastigheten. Främst då i samma rum men, i de fall bakgrundsnivåerna visat stor likhet i frekvensspektrat mellan flera olika rum i närheten av varandra, så kan det handla om distribuerade fält [12] Ett distribuerat fält innebär kortfattat att utrustningen som är källan till fältet (t.ex. en lysrörsarmatur eller en bildskärm) är ansluten till elnätet utanför rummet. Genom att skyddsledaren inte är tillräckligt god ledare vid frekvenser långt över nätfrekvensen 50 Hz uppstår en potentialskillnad mellan fastighetens stomme och skyddsledaren. En utrustning som ansluts till elnätet på en annan plats i fastigheten, kan därmed fungera som en källa för ett elektriskt fält oberoende om utrustningen innehåller aktiva komponenter eller inte. Mätresultatet från en spektrumanalysator erhålls i form av ett diagram med nivån på den lodräta axeln och frekvensen på den vågräta axeln. I fig. 3 ses en typisk mätkurva i frekvensområdet 10 khz till 150 khz. De toppar som bildas i diagrammet kommer från olika signalkällor. Om en signalkälla slås ifrån genom att t.ex. släcka belysningen så försvinner en eller flera toppar. 9

16 110,0 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, , , , , , , , Fig. 3 Exempel på mätkurva i frekvensområdet 10 khz till 150 khz där signalstyrkan från mätobjekten redovisas på den lodräta axeln och frekvensen på den vågräta. Mätningen visar inte maxnivån i rummet utan nivån i hela det mätta frekvensbandet på den plats där man placerat antennen. Ur denna nivåkurva kan topparna avläsas. Mätningen i fig. 3 visar en högsta nivå på ca 104 dbµv/m vid ca 26 khz. När belysningen slås ifrån försvinner denna topp. Då det elektriska fältet från belysning eller bildskärmar innehåller ett helt frekvensspektra så kan naturligtvis flera toppar försvinna om en signalkälla urkopplas. På detta sätt kan maxnivån vid en mätplats bestämmas. I många fall kan även maxnivån från andra källor identifieras, genom att koppla in och ur källor. För att göra en översikt över alla mätningar gjordes ett s.k. låd-diagram, se fig. 4. Ur varje mätkurva togs största toppvärdet ut. Dessa toppvärden är sorterade och indelade i fyra lika stora grupper. 50% av värdena som finns i mitten kallas för interkvartil. I diagrammet presenteras medianen med en linje genom lådan och medelvärdet med ett +. Värden som är markerade med en fyrkant, är värden som befinner sig mellan 1,5 till 3 ggr interkvartilen, från respektive kvartil. Värde mellan 1,5 till 3 ggr interkvartilen från 75% kvartilen Interkvartil. O msluter 50% av de mellersta värdena. Medelvärde Kvartiler Median Det minsta värdet. Ligger inom 1,5 ggr interkvartilen från 25% kvartilen. 10

17 Fig. 4. Ett exempel på hur värden presenteras i ett låd-diagram. Av de tre frekvensområdena 10 khz till 150 khz, 150 khz till 30 MHz samt 10 khz till 1 MHz täcker de två förstnämnda hela frekvensområdet. Av fig. 5 syns dessutom tydligt att frekvensområdet 10 khz till 150 khz har betydligt kraftigare maximalnivåer än frekvensområdet 150 khz till 30 MHz. dbµv/m till 150kHz 10 till 1000kHz 0.15 till 30MHz Fig. 5 Jämförelse av maxima nivåer i de olika frekvensområdena, 10 khz till 150 khz, 150 khz till 30 MHz samt 10 khz till 1 MHz. Här syns tydligt att de kraftigaste signalerna finns i frekvensområdet 10 khz till 150 khz. Frekvensområdet 10 khz till 1 MHz täcks av de båda övriga. I Fig. 6 kan styrkan av det elektriska fältet från bildskärmar och belysning jämföras. Typiska nivåer vid HF-drift av belysningen i frekvensområdet 10 khz till 150 khz är dbµv/m ( mv/m) och med bildskärmar dbµv/m (3-6 mv/m). Skillnaden i nivå är ca 10 gånger relativt de bildskärmar som fanns på mätplatserna. Dessa var nästan uteslutande katodstrålerörbaserade (CRT). En intressant iakttagelse är att höga nivåer av elektriska fält i det mätta frekvensområdet är mycket starkt kopplade till förekomsten av lysrörsbelysning med elektroniska förkopplingsdon, så kallad högfrekvensdrift (HF-drift). Vid lysrörsanläggningar med konventionell drift (reaktorer, tändare och kondensatorer) var nivåerna betydligt lägre, t.o.m. lägre än från de bildskärmar som förekom på mätplatsen. I många fall är signalen från lysrörsanläggningar med konventionell drift svåra att särskilja från bakgrundsbruset. Det elektriska fältet är relativt jämnt fördelat över rummet, då belysning var den huvudsakliga källan till det elektriska fältet och flera ljuskällor av samma typ användes. Den rimliga orsaken till detta är att armaturerna avger ljus och elektriskt fält med ungefär samma spridning. Eftersträvas en jämn ljusfördelning i ett rum erhålls samtidigt en relativt jämn nivå av elektriskt fält i rummet. 11

18 dbµv/m CRT HF Fig. 6 Nivåerna av elektriska fältet i frekvensområdet 10 khz khz från katodstrålerörbaserade bildskärmar (CRT) och lysrörsbelysning med elektroniska förkopplingsdon, så kallad högfrekvensdrift (HF). Nivån för lysrören med HF-drift är av storleksordningen 10 ggr högre än från katodstrålerörbaserade bildskärmar. Mätningarna tyder på att fastigheter som har stor mängd av HF-drivna lysrörsarmaturer också har det elektriska fältet relativt jämnt fördelat över hela fastigheten. För att kontrollera detta bör dock ytterligare mätningar utföras. 12

19 SLUTSATSER Mätningarna av elektriska fält i frekvensområdet 10 khz 30 MHz i kontorslokaler visar på två allvarliga problem. För det första ökar antalet störkällor i våra byggnader. För det andra har inte bara den enstaka störkällan utan också byggnaden och dess ledningssystem stor betydelse för nivån och utbredningen av det elektriska fältet. En dålig medvetenhet om vilka källor till elektriska fält som finns i våra byggnader, hur störsignalerna sprids, vilka nivåer som uppnås, samt hur dessa skall hanteras kan innebära stora kostnader för andra teknikområden som t.ex. telemedicin. För att öka medvetenheten krävs regelbundna mätningar med standardiserade mätmetoder avsedda för mätning i byggnad. För att uppnå en förändring är det viktigt att vi återför resultatet så att detta får påverka komponenter, bygg- och installationsteknik. Mätningarna visar att HF-drivna lysrörsarmaturer är en betydligt starkare källa än katodstrålerörbaserade bildskärmar till det elektriska fältet i frekvensområdet över 10 khz. Detta resultat är mycket anmärkningsvärt, då trots att HF-armaturer har funnits i minst tio år så har fokuseringen gällande det elektriska fältet i våra kontor begränsats till bildskärmar. En anledning till att HF-armaturer ger starkare elektriska fält än bildskärmar är avsaknaden av standardiserade prov. Både bildskärmar och HF-armaturer testas för elektriska fält. För bildskärmar finns en standard SS där det elektriska fältet upp till 400 khz mäts. För HF-armaturer finns däremot ingen standard som kräver mätning av det elektriska fältet under 30 MHz, utan enbart en form av provningsanvisningar. Dessa provningsanvisningar härrör från TCO:s certifieringssystem och Energimyndighetens projekt Ljusa korridorer. Provningsanvisningar tycks dock ha gjort mer skada än nytta eftersom de inneburit att belysningstillverkarna anger att deras armaturer uppfyller Energimyndighetens krav på låga elektriska fält och ytterligare uppföljning i byggnad med standardiserad mätmetod har inte gjorts av Energimyndigheten. Trots Energimyndighetens ambition att hitta liknande provbestämmelser för belysning och bildskärmar visar mätningarna att bildskärmarna avger generellt sett lägre nivåer när de installerats i fastigheten. Detta kan naturligtvis bero på att mängden armaturer är större, att mätavstånden vid test och i fastighet är olika eller bero på någon annan orsak. Men faktum kvarstår att vid de utförda mätningarna har HF-armaturer haft det kraftigaste bidraget till det elektriska fältet över 10 khz. Kompletterande mätningar bör här utföras. En annan intressant iakttagelse gäller distribuerade fält. Resultatet av att använda skyddsledaren för att eliminera elektriska fält varierar starkt beroende på frekvensen och utseendet på elsystemet. För nätfrekvensen 50 Hz fungerar skyddsledaren ofta alldeles utmärkt men för högre frekvenser fungerar skyddsledaren sämre. Detta innebär att en generell användning av skyddsledaren för att eliminera elektriska fält i byggnader, i många fall kan innebära en ökning av elektriska fält vid högre frekvenser. 13

20 Av samma anledning kan inte skyddsledaren utgöra referens vid mätning av det elektriska fältet för frekvenser över tiotalet kilohertz. Att skyddsledaren skall betraktas som vilken signalledare som helst har tydligt påpekats i MIL-STD-461E. Vid mätning av bildskärmar enligt standarden SS skall skyddsledaren användas som referens. Detta är en anledning till att mätmetoden är olämplig vid mätning av elektriska fält i byggnad över 10 khz. För att nedbringa det elektriska fältet av högre frekvenser måste all anslutning av skärmar ske till jordplanet (i detta fall till fastighetskroppen). Att skärmning av höga frekvenser kräver specialistkompetens är allmänt känt bland sakkunniga inom elektronik och EMC. Det tycks dock finns ett gap i teori och praktik mellan normenlig EMC-provning i laboratoriemiljö och utförandet i fastighetsinstallationer. Ytterligare ett problem kan vara att EMC-standarden har utvecklats gemensamt under de senaste tio åren samtidigt som elsystem och annan infrastruktur har utvecklats olika i olika länder under ca. hundra år. Detta kan innebära olika förutsättningar för de elsystemen i de olika länderna att klara av störningar från apparater. Allvarligast är om Sverige, som inom EU är en förebild på energibesparing och informationsteknologi, på detta sätt får sämre konkurrensläge jämfört med andra EU-länder. Det är därför av största vikt att följa upp och kontrollera att EMC-standard på apparater verkligen ger avsedd EMC i byggnader. Ett sätt att kontrollera utfallet är att mäta ledningsbundna och luftburna störnivåer i byggnader. Ett sätt att motarbeta en ökning av störnivåerna är att påverka det sätt apparater konstrueras och det sätt som vi bygger och installerar. I denna studie av elektriska fält i frekvensområdet 10 khz - 30MHz i kontorsmiljöer konstateras följande: 1. Bildskärmar är inte den enda och framförallt inte den starkaste störkällan. 2. Anslutning av apparater och utrustning som innehåller snabb elektronik, t.ex. lysrörsarmaturer försedda med s.k. HF-don, till skyddsledare begränsar ej elektriska fält över 10 khz. Anslutning av apparater och utrustning till skyddsledare kan istället medföra att elektriska fält över 10 khz distribueras inom fastigheten. 3. För att mäta de elektriska fälten i frekvensområdet 10 khz - 30MHz kan skyddsjorden inte användas som referens. 4. För att hantera de elektriska fälten i frekvensområdet 10 khz - 30MHz måste krav ställas på emission av elektriska fält från alla apparater och utrustningar som ansluts till elnätet. 5. För att hantera de elektriska fälten i frekvensområdet 10 khz - 30MHz måste relevanta krav ställas på fastigheternas elsystem. 6. För att hantera de elektriska fälten i frekvensområdet 10 khz - 30MHz måste metoder för verifiering av hela elanläggningen i fastigheter beskrivas och göras. 14

21 Fortsatt arbete En ökande störnivå, i ledningssystem eller i luften i form av elektriska och magnetiska fält i kontorsmiljöer, innebär en ökad risk att den teknik som vi anser nödvändiga för det dagliga arbetet inte fungerar som avsett. Därför är det viktigt, både av ekonomiska och av säkerhetsmässiga skäl, att EMC-arbetet inte stannar vid mätlaboratoriet. Den tekniska termen elektromagnetisk förenlighet (EMC) innebär att elektriska utrustningar skall kunna arbeta tillsammans utan att störa varandra. Uppnås inte EMC innebär detta att system tappar vissa funktioner, blir långsammare, slutar fungera eller t.o.m. går sönder. Att ute i en anläggning åtgärda dålig EMC är ofta komplicerat, tidsödande och kostsamt. Av den anledningen ställer man EMC-krav på de enskilda apparaterna vid tillverkning. Det gäller dock att dessa krav är riktigt ställda samt att man i anläggning kontrollerar att resultatet uppnås. Den använda MIL-normen har syftet att kontrollera att resultatet uppnås i anläggning. Förutom EMC-krav gällande teknisk utrustning, så pågår ett arbete med att undersöka ev biologiska effekter och hälsoeffekter vid exponering av elektriska och magnetiska fält. Rådet för arbetslivsforskning fick 1997 regeringsuppdraget att redovisa en forskningsöversikt och utvärdering av såväl svenska som internationella forskningsresultat inom området elöverkänslighet och hälsorisker av elektriska och magnetiska fält. Resultatet överlämnades i december 2000 [2]. Rapporten på 117 sidor redovisar på sid 29 att Med intermediära frekvenser avses här frekvenser mellan 300 Hz och 1-10 MHz 2. Dessutom står att Under de senaste decennierna har antalet källor som ger upphov till fält i detta frekvensområde ökat kraftigt, bl.a. på grund av att katodstrålerörbaserade bildskärmar samt stöldskydd ( larmbågar ) har införts. Däremot nämns inte den kraftigt ökade förekomsten av lysrör med HF-drift. Det verkar med bakgrunden till det här presenterade resultatet, underligt att speciellt omnämna ökningen av antalet källor i form av katodstrålerörbaserade bildskärmar, då lysrör med HF-drift både redovisar genomgående en betydligt högre avgiven nivå samt förekommer totalt sett i betydligt större antal. Inte ens i den speciella översikt över olika källor till intermediära frekvenser som återfinns i bilaga 6 på sid 82 i rapporten [2] omnämns lysrör med HF-drift (inte ens lysrör eller belysning omnämns). Under rubriken bildskärmar i bilaga 6, står inledningsvis Den spridda användningen av bildskärmar både i yrkes- och hemmamiljö gör sannolikt denna källa till den vanligast förekommande i det intermediära området. Förutom bildskärmar som källor till intermediära frekvenser anges bl.a. motståndssvetsning, elektrisk järnvägsdrift, radiosändningar, stöldskyddsutrustning ( larmbågar ), kortläsare, induktionsspisar, högtalare, metalldektorer, viss medicinsk utrustning samt militär utrustning. 2 Definition, speciellt den övre gränsen, varierar i olika publikationer. 15

22 Det är synnerligen viktigt att vi inte tappar kontrollen över hur störnivåerna förändras samt om orsakerna till förändringar på detta område. Därför är det av största vikt att det här redovisade resultatet av förstudien åtföljs av ytterligare mätningar både i kontorsmiljöer och även i andra offentliga (men även privata) miljöer. Förslagsvis bör Aerotech Telub AB i Östersund som är ackrediterade för mätning enligt den använda MIL-normen, anlitas för att erhålla ytterligare mätresultat samt en bedömning av resultaten. Detta ger oss anledning att föreslå följande: 1. En utveckling av provmetoder ur användarperspektiv. Där den totala nivån av det elektriska fältet får en ökad betydelse för hur utrustning skall konstrueras och anslutas. 2. Det är lämpligt att starta utvecklingen av provmetoder på lysrörsarmaturer. Metoden bör omfatta både enskild armatur och montage i större antal. 3. Starta en undersökning om det, trots likheten i EMC-kraven inom EG, finns skillnader i elinstallationer och fastighetsbyggande som kan påverka den totala nivån av det elektriska fältet i frekvensområdet 10 khz - 30 MHz. 4. En harmonisering av arbetet gällande exponering av EMF. Behovet styrs både av kraven för minskad exponering av människor och risker för tekniska störningar. 5. Ytterligare mätningar och kartläggning gällande nivåerna av det elektriska fältet i frekvensområdet 10 khz - 30 MHz i våra fastigheter bör utföras omgående. 6. De standards som här har används gällande elektriska fält startar vid 10 khz. Det vore önskvärt att mätningarna kunde ske enligt standard från ca 10Hz och uppåt. 16

23 REFERENSER 1. Starkströmsföreskrifterna ELSÄK-FS 1999:5, ISSN X 2. U Bergqvist, L Hillert, E Birke, Slutrapport Elöverkänslighet och hälsorisker av elektriska och magnetiska fält Forskningsöversikt och utvärdering, RALF, Rådet för arbetslivsforskning 3. MIL-STD 461D, Requirements For The Control Of Electromagnetic Interference Emissions and Susceptibility, NUTEK (numera Energimyndigheten), Slutredovisning projektet Ljusa korridorer 5. SS , Svenska Elektriska Kommissionen, SEK, Datorer och kontorsmaskiner Mätmetoder för elektriska och magnetiska närfält, Utgåva 2, MPR 1990:8 TEST METODS , och MPR 1990:10 Tested characteristics of the visual display unit and keyboard, , MPR (Statens Mät och Provningsråd) numera Sveriges Akrediteringsanstalt (SWEDAC) 7. MPR:P 1987:1, presenterad 1987 även kallad MPR I. MPR (Statens Mät och Provningsråd) numera Sveriges Akrediteringsanstalt (SWEDAC). Reviderad efter tre år genom MPR II 8. TCO-91 Screen Facts Japan Electronic Industries Development Association, JEIDA-G Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE Std European Computer Manufacturers Association, ECMA/TC20/95 Final Draft, Second edition 12. M Lundmark, JO Hagelberg, A Larson, M Byström, Å Larsson, The use of protective earth as a distributor of fields and radiation. Biological Effects of EMFs, Heraklio, Crete, October 2000 pp 13. Sven Jansson, Sveriges Elleverantörer, Bruset i elnäten kan skapa problem, ERA nr , sid Larsson, Å.; Lundmark, M.; Hagelberg, J. O.; Increased Pollution in the Protective Earth, EPE 97 Power Electronic and Applications, Volume 2, 8-10 September 1997, pp NUTEK (numera Energimyndighetens) Programkrav för god och energieffektiv belysning på kontor, utgåva , s 9 Författare (1) Martin Lundmark, (1) Anders Larsson, (1) Janolof Hagelberg (1) Luleå tekniska universitet, Skellefteå Campus, Skeria 3, S Skellefteå 17