Yngve Hamnerius AB. Innehållsförteckning 1 INLEDNING MAGNETISKA FÄLT MAGNETISKA FÄLT FRÅN SPÅRVÄG DISKUSSION...

Transkript

1

2 Yngve Hamnerius AB Innehållsförteckning 1 INLEDNING MAGNETISKA FÄLT MAGNETISKA FÄLT FRÅN SPÅRVÄG DISKUSSION

3 Yngve Hamnerius AB 1 Inledning Spårvagnar i Skåne är ett samverkansprojekt mellan Malmö, Helsingborg, Lund, Skånetrafiken och Region Skåne, vilket omfattar spårvägsutbyggnad i respektive stad. Lund har kommit längst i planerna på att iföra spårväg. I denna rapport uppskattas det magnetfält som kommer att alstras kring spårvägen när den trafikeras. Vi ser på förhållandena för den planerade spårvägen i Lund. En uppskattning av fälten kring spårvägen behövs i samband med den inventering av verksamhet i närheten av spåren som kan störas av magnetfälten. Spårvägen kommer att försörjas med 750 V likström, distribuerad via kontaktledning och likriktarstationer. Uppskattningen har utgått från en spårvagnsström på 1000 A vilket är ett typiskt värde för spårvagnsdrift vid matningsspänningen 750 V. Det totala magnetfältet beror på hur många spårvagnståg som samtidigt strömförsörjs via den aktuella spårvägssträckningen. 3

4 Yngve Hamnerius AB 2 Magnetiska fält Magnetiska fält alstras av strömmar. Vi tar ett enkelt exempel, en rak ledning som det går en ström i, se figur 2.1. Runt ledningen skapas ett magnetiskt fält. De elek- triska fältlinjerna går från en spänning till en annan, de magnetiska fältlinjerna bildar däremot alltid slutna banor runt om de strömmar som alstrar dem. Styr- kan på de magnetiska fälten, den magnetiska flödestätheten, mäts i tesla (T). 1 tesla är en mycket stor enhet. När det gäller normal miljö får vi ta till mikrotesla (µt), milliondels tesla och nanotesla (nt), milliarddels tesla. Figur 2.1 Magnetiska fält bildar slutna fältlinjer kring strömförande ledare. Den magnetiska flödestätheten (B) uppgår till, en meter från en ledare, som för strömmen (I) 1 A. Om vi låter en ström, I, gå genom ledaren i figur 2.1, får vi en magnetisk fältstyrka, H, på avståndet, r. (2.1) Den magnetiska flödestätheten B är, (2.2) där µ är en materialkonstant, permeabiliteten (Vs/Am). Permeabiliteten för vakuum brukar betecknas µ 0, den har värdet 4π 10-7 Vs/Am. Nästan alla material har en permeabilitet med värde mycket nära µ 0. Detta gäller för normala byggnadsmaterial, biologisk vävnad och de flesta metaller. Endast magnetiska material som järn har en permeabilitet som avviker kraftigt från µ 0. För material med permeabilitet µ 0 blir flödestätheten från ledaren i figur 2.1: (2.3) Om det går en ström på 1 A, i figurens ledare, får vi en magnetisk flödestäthet på en meter ut från ledaren. Vi ser att för normala strömstyrkor blir 4

5 Yngve Hamnerius AB flödestätheten mycket mindre än 1 T. Är strömmen en likström bildas ett statiskt fält, är det en växelström bildas ett magnetiskt växelfält. När vi har en tvåledare, där strömmen I går fram i den ena ledaren och samma ström går tillbaka i den andra ledaren, kommer dessa båda strömmar att ge upphov till motriktade magnetfält som delvis tar ut varandra. Magnetfältet från en tvåledare med avståndet d mellan ledarna, enligt figur 2.2, blir om strömmen I 1 går i den ena ledaren och en returström I 2 går i den andra ledaren: (2.4) Figur 2.2 Magnetiskt fält från en tvåledare där den ena ledaren för en ström I 1 och den andra ledaren en returström I 2. Vinkelräta avståndet till ledarna är r 1 respektive r 2. Om vi skriver om med gemensamt bråkstreck och ansätter att I 2 = -I 1, dvs. fram och returström lika stora, får vi: (2.5) Om avståndet d mellan ledarna är mycket mindre än r 1 och r 2 så kan man approximera (2.6) Vi ser att magnetfältet blir direkt proportionellt mot d och omvänt proportionellt mot avståndet i kvadrat. En vanlig lampsladd innehåller två ledare, en som för strömmen till lampan och en som för strömmen tillbaka. Dessa två ledare kommer att skapa motriktade fält som nästan helt tar ut varandra, om ledarna ligger tätt tillsammans (d litet). Är ledarna långt från varandra, som avståndet mellan kontaktledning och räl vid spårvägstrafik, får vi ett större magnetfält. 5

6 Yngve Hamnerius AB De magnetiska fälten avtar med avståndet från källan. Avståndsavtagandet är emellertid olika för olika källor. Det magnetiska fältet från en oändligt lång rak enkelledare avtar med ett genom avståndet (1/r), se ekvation 2.1 och 2.3. Ekvation 2.6 visar att fältet från en tvåledare avtar ungefär kvadratiskt med avståndet (1/r 2 ). Detta gäller även för trefasledningar, som kraftledningar och skenförband. Magnetfältet avtar kubiskt (1/r 3 ) från en punktkälla som en liten transformator eller motor. I figur 2.3 visas fältavtagandet för några olika källor. Figur 2.3. Magnetfältsavtagande för olika källor. Från en enkelledare avtar fältet endast med ett genom avståndet, från två motriktade strömmar (som kontaktledning och räls) och från trefasledningar avtar fältet med kvadraten på avståndet och från en punktkälla, som en liten elmotor eller transformator, avtar fältet med kubiken på avståndet. Då alla strömmar normalt bildar slutna slingor, finns det alltid någon ström, som går åt andra hållet och ger ett motriktat fält. Det innebär att den ensamma enkelledarströmmen endast existerar som en teoretisk abstraktion. I verkligheten beror fältstyrkan och avståndsavtagandet på avståndet mellan fram och återgående strömmar. Om avståndet till en enkelledare är mycket kortare än avståndet till återgångsströmmen så blir avståndsavtagandet approximativt 1/r i detta område. Magnetfältet från strömmatningen till spårvagnar avtar normalt med kvadraten på avståndet från spåret eftersom vi har en framgående ström i kontaktledningen och en återgångsström i rälen. Då vanligtvis alla spårvägsräler sitter ihop elektriskt (och är jordade) innebär det att återgångsströmmen i rälen kan välja olika vägar om man har ett maskat spårvägsnät. Ett spårvägsnät kan antingen ha en trädstruktur med grenar som inte möter andra grenar eller vara maskat, dvs. det finns förbindelser mellan olika grenar av nätet. När vi utförde dygnsloggningar av magnetfält från spårvägen i Göteborg såg vi magnetfält vid en spårvägslinje även efter det att den sista vagnen gått för natten, på den sträckningen. Dessa magnetfält berodde på att återgångsströmmar, från spårvagnar på andra sträckningar, delvis transporterades utefter linjen vi mätte vid. En sådan återgångström är långt ifrån matningsströmmen i den aktuella kontaktledningen där spårvagnen går, varför den kan betraktas som en enkelledarström. Dess magnetfält kommer att ha ett avståndsavtagande på 1/r. 6

7 Yngve Hamnerius AB 3 Magnetiska fält från spårväg Spårvägen kommer att matas med en likspänning på 750 V via kontaktledning. En likström (betecknas DC = Direct Current) på typiskt 1000 A matas från kontaktledningen, via spårvagnen och åter via rälsen. Det innebär att det uppstår ett statiskt elektriskt fält från kontaktledningen. När en spårvagn drivs på linjen kommer det att gå en ström som alstrar ett magnetfält. Detta innebär att det bildas magnetfält vid spåret, inte endast när spårvagnen passerar, utan också under den tid som den matas via kontaktledningen. Man brukar benämna detta fält för ett DC- magnetfält då det är alstrat av en likström (kan även benämnas statiskt magnetfält, men denna benämning är mindre lämplig då styrkan på magnetfältet varierar med strömpådraget i spårvagnen). Även de elektriska apparaterna inne i vagnen som motorer etc. ger upphov till fält. Dessa källor inne i vagnen avtar dock snabbt med avståndet (tredjepotensen på avståndet) varför det framförallt är passagerare och förare som utsätts för dessa fält. Förutom det magnefält som beror på strömförsörjningen blir det även en variation av det jordmagnetiska fältet när ett stort järnföremål som en spårvagn eller buss far förbi. Det beror på att de magnetiska fältlinjerna från det jordmagnetiska fältet hellre vill gå i järn än i luft. I hus som ligger på lite avstånd från spårvägen har spårvagnens egna fält avtagit så att det är den matande spänningen och strömmen i kontaktledningen samt återgångsströmmen i räl, som alstrar det dominerande fältet. Det elektriska fältet skärmas av byggnadsmaterialen i husets tak och väggar, medan det magnetiska fältet inte dämpas av normala byggnadsmaterial. Magnetfältet har beräknats 1 m över mark (1 m över räl) 50 m ut åt båda sidor från en tvåspårig spårväg där det går ett spårvagnståg på vartdera spåret och båda spårvagnarna drar 1000 A, se figur

8 Yngve Hamnerius AB Figur 3.1 Beräknat magnetfält (i µt) 1 m över räls, 50 m ut från en tvåspårig spårväg där ett tåg på vartdera spår drar 1000 A. Vi ser att fältet blir högst (ca 280 µt) direkt över rälsen, men att fältet avtar snabbt med avståndet. I figur 3.2 visas magnetfältet från m ut från spårvägen. Origo (0 m) i beräkningarna har lagts mitt emellan de två spåren. Figur 3.2. Beräknat magnetfält (i µt) 1 m över räls, 50 m till 10 m ut från en tvåspårig spårväg där ett tåg på vartdera spår drar 1000 A. 8

9 Yngve Hamnerius AB Det beräknade fältet från en spårvagn på vartdera spår som drar 1000 A vid några olika avstånd visas i tabell 3.1. Avstånd från mitt emellan spår (m) Magnetfält (μt) , , ,1 Tabell 3.1. Beräknat magnetfält (i µt) 1 m över räls, på några olika avstånd ut från en tvåspårig spårväg där ett tåg på vartdera spår drar 1000 A Det finns planer att i framtiden dra en spårvägslinje till Dalby som skall ansluta till tåg på Simrishamnsbanan. Dessa spårvagnståg planeras bestå av två ihopkopplade spårvagnar varför strömförbrukningen blir den dubbla, dvs 2000 A. I tabell 3.2 har magnetfältet beräknats för fallet med två ihopkopplade spårvagnar på vartdera spår när spårvagnstågen drar 2000 A vartdera. Avstånd från mitt emellan spår (m) Magnetfält (μt) , , ,1 Tabell 3.1. Beräknat magnetfält (i µt) 1 m över räls, på några olika avstånd ut från en tvåspårig spårväg där dubbelkopplade tåg, på vartdera spår, drar vartdera 2000 A Strömmen mattas in från likriktarstationer med ca 1 km avstånd. Nära en inmatningspunkt dras nästan all ström från den inmatningspunkten, vilket är det fall som redovisas i ovanstående tabeller. Ett tåg mittemellan två inmatningspunkter drar ungefär lika stor ström från vardera inmatningspunkten, vilket innebär att magnetfältet i en punkt mellan inmatningsstationerna blir lägre än vad beräkningen ovan redovisar. Med de tidtabeller som planeras kommer i normalfallet endast ett tåg, per spår, att befinna sig inom sträckan mellan två inmatningspunkter. Vid trafikstörningar, 9

10 Yngve Hamnerius AB när ett tåg hinns upp av bakomvarande tåg, kan fler tåg befinna sig mellan två inmatningspunkter, vilket tillfällighetsvis kan leda till högre magnetfält. 10

11 Yngve Hamnerius AB 4 Diskussion Anläggandet av ny spårväg kommer att innebära att elektriska och magnetiska fält alstras kring spårvägen. Spårvägen i Skåne kommer att drivas med likström. De flesta av dagen spårvägar är likströmsdrivna, varför det finns en stor kunskap om likströmsdrift. En anledning till detta är historisk, när många spårvägsnät anlades, var likström det dominerande elsystemet. Det finns i dagsläget inga misstankar om hälsoeffekter från DC- magnetfält med den styrka som alstras av spårvägstrafik, varför det inte finns några försiktighetskrav för DC- magnetfält. Magnetfälten kan störa känslig teknisk apparatur, störningarna är ungefär lika stora vid likström eller växelströmsdrift, varför det ur denna aspekt kvittar vilket system man väljer. Dessa variationer av magnetfältet kan innebära störningar av teknisk apparatur med fria elektronstrålar eller strålar med laddade partiklar, som elektronmikroskop, elektronstrålelitografer, magnetresonansutrustning mm., men även katodstrålerör som används i äldre teveapparater och bildskärmar. Det är därför viktigt att inventera vilken störkänslig apparatur som finns, eller kan komma att finnas, i byggnader nära spårvägen. En sådan inventering visar på vilka krav som ställs på spårvägen för att undvika störningar. De mest störkänsliga apparaturerna tål så lite störningar att det inte är rimligt att kräva att spårvägen skall anpassas till apparaturens krav. Här får man istället inrikta åtgärderna på att placera utrustningen i skärmrum. De simuleringar som redovisas i denna rapport visar att ett spårvagnståg på vartdera spåret kommer att ge ca 10 µt på avstånden 15 m från en mittpunkt mellan spåren, på avståndet 20 m blir motsvarande värde ca 5,5 µt och på 25 m avstånd blir fältet ca 3,5 µt. Dessa värden gäller när en spårvagn trafikerar banan i vardera riktningen. I en framtid planneras en ny spårvägslinje till Dalby. Här kommer dubbelkopplade spårvagnståg att användas vilket innebär att strömförbrukningen och därmed magnetfälten blir dubbelt så stora. Detta innebär att magnetfältens styrka påverkas av spårvagnstågets strömförbrukning, antalet spårvagnar på linjen, samt antalet inmatningspunkter för ström och var dessa inmatningspunkter placeras i spårvägsnätet. Det är bara de spårvagnståg som befinner sig mellan de närmaste matningspunkterna som ger upphov till magnetfältsalstrande strömmar på denna delsträcka. Genom att välja lämpliga inmatningspunkter kan de maximala magnetfälten begränsas på sträckor med störkänslig verksamhet. Denna rapport har utarbetats av Yngve Hamnerius, Yngve Hamnerius AB. Yngve Hamnerius är bitr. prof. i ämnet biologiska effekter av elektromagnetiska fält vid Chalmers tekniska högskola. 11

12 VÄSTRA ODARSLÖV VALLKÄRRATORN ÖSTRA ODARSLÖV LADUGÅRDSMARKEN 10 9 NÖBBELÖV KOBJER ÖSTRA TORN NORRA FÄLADEN 8 MÖLLEVÅNGEN 2 HELGONAGÅRDEN RÄFTEN Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna MÅRTENS FÄLAD Magnetiska fält (µt) 1 VÄSTER 6 7 GALGEVÅNGEN INNERSTADEN KLOSTERGÅRDEN LILLA RÅBY Översiktskarta 1: A3 LINERO ARENDALA

13 LEKSAKEN POSTTERMINALEN SPOLETORP ESKIL PÅSKALYCKAN KRÅKELYCKAN NORRTULL BANVALLEN KRISTALLEN BRÄDGÅRDEN HELGONAGÅRDEN BANVAKTEN VÄSTER SANKT PETER INNERSTADEN Lund C PARADIS STINSEN Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS BJÄRREDSBANAN WINSTRUP 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna THOMANDER LANDSTINGET HÄRADSHÖVDINGEN KLOSTERKYRKAN BYTAREBACKEN CARL HOLMBERG GRÅBRÖDER GLÄDJEN ALTONA UNIVERSITETET Ritning 1 av 10 FÖRENINGEN KULTUREN

14 SJUKSYSTERN VÅRDBITRÄDET HELGONAGÅRDEN STORA BÄLT MÖLLEVÅNGEN SVOLDER Universitetssjukhuset BRANDSTATIONEN SKJUTSSTALLEN ERIK DAHLBERG PLANTAGELYCKAN BRYGGERIET ESKIL Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna LEKSAKEN INNERSTADEN KRÅKELYCKAN Ritning 2 av 10 ABSALON

15 DROTTNING FILIPPA DROTTNING SOFIA LITEN KARIN HELGONAGÅRDEN SJUKSYSTERN MÖLLEVÅNGEN VÅRDBITRÄDET Universitetssjukhuset LTH ESKIL Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna SÖLVE Ritning 3 av 10

16 VÄTET HELGONAGÅRDEN DIRIGENTEN LTH ESKIL SÖLVE STUDENTKÅREN Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna Ritning 4 av 10

17 STOCKHOLMSLEDET FORSKAREN SYRET HELGONAGÅRDEN Ideon VÄTET Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna DIRIGENTEN REUTERDAHL Ritning 5 av 10

18 STOCKHOLMSLEDET FORSKAREN NYA VATTENTORNET Höjdpunkten HELGONAGÅRDEN ÖSTRA TORN REUTERDAHL SPEXAREN Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS DJINGIS KHAN 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna DIRIGENTEN UARDA Ritning 6 av 10

19 HÖJDPUNKTEN ÖSTRA TORN Solbjer SOLFÅNGAREN NYA VATTENTORNET RÜGEN LEON NEVERS HAMAR VIBORG Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS DALVIK SPEXAREN DJINGIS KHAN ILION BONIFACIUS 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna GREIFSWALD ZABRZE BORGÅ Ritning 7 av 10 VÄNORTSKOMMITTÉN

20 BRUNNSHÖG ÖSTRA TORN Brunnshög centrum Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna Ritning 8 av 10

21 LADUGÅRDSMARKEN ÖSTRA TORN Max IV Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna Ritning 9 av 10

22 LADUGÅRDSMARKEN ÖSTRA ODARSLÖV Science village/ess ÖSTRA TORN Spårväg Etapp 1 Lund C - ESS 2 mötande vagnar mellan matningspunkterna Ritning 10 av 10

23 VÄSTRA ODARSLÖV ÖSTRA ODARSLÖV VALLKÄRRATORN LADUGÅRDSMARKEN NÖBBELÖV ÖSTRA TORN NORRA FÄLADEN 8 KOBJER MÖLLEVÅNGEN 2 HELGONAGÅRDEN RÄFTEN 9 4 Spårväg Etapp 2 Lund C - Dalby MÅRTENS FÄLAD 1 2 mötande, dubbelkopplade vagnar mellan matningspunkterna GALGEVÅNGEN VÄSTER INNERSTADEN KLOSTERGÅRDEN LILLA RÅBY LINERO Översiktskarta ARENDALA 1: A3

24 LEKSAKEN POSTTERMINALEN SPOLETORP ESKIL PÅSKALYCKAN KRÅKELYCKAN NORRTULL HELGONAGÅRDEN ABSALON BANVALLEN BRÄDGÅRDEN KRISTALLEN VÄSTER BISPEN SANKT PETER INNERSTADEN Lund C PARADIS Spårväg Etapp 2 Lund C - Dalby THOMANDER STINSEN BJÄRREDSBANAN 2 mötande, dubbelkopplade vagnar mellan matningspunkterna WINSTRUP LANDSTINGET HÄRADSHÖVDINGEN KLOSTERKYRKAN BYTAREBACKEN CARL HOLMBERG GRÅBRÖDER GLÄDJEN ALTONA UNIVERSITETET Ritning 1 av 9 FÖRENINGEN KULTUREN

25 SJUKSYSTERN VÅRDBITRÄDET HELGONAGÅRDEN STORA BÄLT MÖLLEVÅNGEN SVOLDER Universitetssjukhuset BRANDSTATIONEN BRYGGERIET ESKIL Spårväg Etapp 2 Lund C - Dalby SKJUTSSTALLEN ERIK DAHLBERG PLANTAGELYCKAN 2 mötande, dubbelkopplade vagnar mellan matningspunkterna LEKSAKEN INNERSTADEN KRÅKELYCKAN Ritning 2 av 9 ABSALON

26 DROTTNING FILIPPA DROTTNING SOFIA LITEN KARIN HELGONAGÅRDEN SJUKSYSTERN MÖLLEVÅNGEN VÅRDBITRÄDET Universitetssjukhuset LTH ESKIL Spårväg Etapp 2 Lund C - Dalby 2 mötande, dubbelkopplade vagnar mellan matningspunkterna SÖLVE Ritning 3 av 9

27 VÄTET HELGONAGÅRDEN DIRIGENTEN LTH ESKIL SÖLVE STUDENTKÅREN Spårväg Etapp 2 Lund C - Dalby 2 mötande, dubbelkopplade vagnar mellan matningspunkterna Ritning 4 av 9

28 STOCKHOLMSLEDET FORSKAREN SYRET HELGONAGÅRDEN Ideon VÄTET Spårväg Etapp 2 Lund C - Dalby DIRIGENTEN REUTERDAHL 2 mötande, dubbelkopplade vagnar mellan matningspunkterna Ritning 5 av 9

29 STOCKHOLMSLEDET FORSKAREN NYA VATTENTORNET Höjdpunkten HELGONAGÅRDEN ÖSTRA TORN REUTERDAHL SPEXAREN Spårväg Etapp 2 Lund C - Dalby DJINGIS KHAN 2 mötande, dubbelkopplade vagnar mellan matningspunkterna DIRIGENTEN UARDA Ritning 6 av 9

30 HÖJDPUNKTEN ÖSTRA TORN Solbjer SOLFÅNGAREN NYA VATTENTORNET LEON NEVERS RÜGEN HAMAR VIBORG SPEXAREN DJINGIS KHAN ILION BONIFACIUS Spårväg Etapp 2 Lund C - Dalby GREIFSWALD ZABRZE DALVIK 2 mötande, dubbelkopplade vagnar mellan matningspunkterna BORGÅ Ritning 7 av 9 VÄNORTSKOMMITTÉN

31 ÖSTRA TORN SOLFÅNGAREN Spårväg Etapp 2 Lund C - Dalby 2 mötande, dubbelkopplade vagnar mellan matningspunkterna LEON NEVERS RÜGEN Ritning 8 av 9 BONIFACIUS HAMAR VIBORG DALVIK

32 NEVERS VIBORG RÜGEN DALVIK GREIFSWALD BORGÅ VÄNORTEN ZABRZE VÄNORTSKOMMITTÉN ÖSTRA TORN STRÅKEN NYCKELHARPAN STRÄNGEN GAMBAN KONTRABASEN HARDANGERFIOLEN Spårväg Etapp 2 Lund C - Dalby ALTFIOLEN TRÄSKOFIOLEN 2 mötande, dubbelkopplade vagnar mellan matningspunkterna GITARREN BASFIOLEN VIOLONCELLEN ORKESTERDIKET Ritning 9 av 9 FIOLEN PULTEN DRAGSPELET