Analys av magnetfält från planerad 130 kv ledning från vindkraftpark Granliden

Transkript

1 Analys av magnetfält från planerad 130 kv ledning från vindkraftpark Granliden Yngve Hamnerius AB 3 oktober 2010

2 Yngve Hamnerius AB 2 Innehållsförteckning 1 INLEDNING 3 2 ELEKTRISKA OCH MAGNETISKA FÄLT 4 Elektriska fält 4 Magnetiska fält 5 Vagabonderande strömmar 6 3 BERÄKNINGSFÖRUTSÄTTNINGAR 8 4 BERÄKNINGSMODELL 8 5 RESULTAT 9 6 GRÄNSVÄRDEN OCH REKOMMENDATIONER 11 7 DISKUSSION 14

3 Yngve Hamnerius AB 3 1 INLEDNING Nordisk Vindkraft planerar att bygga en vindkraftsanläggning norr om höjden Granliden, ca. 35 km väster om Arvidsjaur i Arvidsjaurs kommun i Norrbottens län. På uppdrag av Mia Norrflod, Nordisk Vindkraft AB, har vi genomfört en simulering av magnetfälten från den planerade 130 kv kraftledningen som kommer att transportera den alstrade elkraften från vindkraftparken. Syftet är att beräkna fälten vid ett fritidshus med avstånd till turbiner som framgår av karta, se figur 1.1. Figur 1.1 Karta med avstånd mellan det hus som beräkningarna görs för och de olika vindkraftturbinerna. På avstånd på minst 1.5 km mellan anläggning och hus, som det handlar om här, blir fälten vid huset mycket små. Det elektriska fältet kommer att ha mindre utsträckning än det magnetiska fältet, då det elektriska fältet skärmas av träd mm. Det elektriska fältet från vindkraftanläggningen kommer att bli noll vid huset. Det magnetiska fältet skärmas däremot ej av träd etc., varför det går att beräkna bidraget vid huset (även om det blir mycket lågt). Fälten från turbiner och transformatorer, kan på långt avstånd, ses som punktkällor, vilkas fält avtar snabbare än från utsträckta källor, som en kraftledning. Vi bör därför i första hand koncentrera oss på kraftledningarna från turbinerna. Magnetfältet beror på strömstyrkan och avståndet mellan ledarna. Om ledarna ligger tätt ihop, som i en trefaskabel, kommer fälten från de tre faserna att i stort sett ta ut varandra. Vi får bara ett förhöjt magnetfält inom närområdet till kablarna. Om ledarna ligger flera meter från varandra, som i 130 kv luftledningar, bildas det ett magnetfält som bestäms av strömstyrkan och separationen av fasledar-

4 Yngve Hamnerius AB 4 na. Från de enskilda turbinerna går det markförlagda 20 kv-kablar. Dessa 20 kv-kablar kommer att gå till en transformatorstation där spänningen höjs till 130 kv. Från transformatorstationen kommer en 130 kv-luftledning att gå för att mata ut elkraften till ett planerat ställverk vid Norrmalm, för anslutning till stamnätet, se bild på första sidan. Vi har genomfört en beräkning av magnetfältet från denna 130 kv-luftledning. Eftersom koncession ännu ej erhållits för denna kraftledning är läget inte helt bestämt. Utgående från kartan på sid 1 är avståndet till huset omkring 3000 m. För att inte underskatta magnetfältet har vi beräknat på ett avstånd på 2000 m. Magnetfältssimuleringarna har utförts av min medarbetare Tomas Nilsson. 2 ELEKTRISKA OCH MAGNETISKA FÄLT Så länge som människan har existerat så har vi varit utsatta för elektromagnetiska fält. Men det var inte förrän i början av 1900-talet som man började utnyttja elektriciteten, sedan dess har vi sett en kontinuerlig ökning av användningen; kraftledningar, elektrisk uppvärmning, elektriska verktyg, motorer, radiokommunikation, TV, radar, mikrovågsugnar etc. Det elektromagnetiska spektrumet innefattar ett stort frekvensomfång. Elektriska och magnetiska fält kan karaktäriseras av sin styrka och frekvens. Frekvensen anges i hertz (Hz), som anger hur många fältstyrkemaxima fältet har per sekund. Det elektromagnetiska spektrumet som sträcker sig från statiska fält via låga frekvenser, som nätfrekvensen 50 Hz, vidare via radiofrekvens, mikrovågsfrekvens, infrarött, synligt och ultraviolett ljus upptill röntgen och gammastrålning. Synligt ljus intar en särställning då vi kan se elektromagnetiska fält av dessa frekvenser, övriga delar av spektrumet är osynligt. Det finns dock mätinstrument för samtliga delar av spektret. Merparten av de fält som finns i vår närmiljö är av relativt låg intensitet och låg frekvens. Elektriska fält Elektriska fält beror på spänningar; fältet går från en spänning till en annan. Styrkan på det elektriska fältet anges i volt/meter (V/m). Om man har två plåtar som i figur 2.1 och den ena har spänningen 0 V och den andra 1 kv (kilovolt = 1000 V) så blir den elektriska fältstyrkan, E, lika med spänningsskillnaden, U (= 1 kv) dividerat med avståndet, d (= 1 m), dvs. 1 kv/m. Detta innebär att alla spänningssatta föremål alstrar elektriska fält.

5 Yngve Hamnerius AB 5 Figur 2.1 Ett elektriskt fält uppstår mellan föremål som har olika spänning. Den elektriska fältstyrkan (E) är lika med spänningsskillnaden delat med avståndet mellan föremålen. Under en 130 kv-ledning får vi en elektrisk fältstyrka på ca 1,7 kv/m fältet avtar snabbt med avståndet från kraftledningen, se figur 2.2. Figur 2.2 Bilden visar hur den elektriska fältstyrkan avtar med avståndet från 130 kv, 220 kv och 400 kv-kraftledningar. Det avståndsavtagande som visas i figur 2.2 avser kraftledning i öppet landskap. Finns det träd i närheten av ledningen skärmar dessa det elektriska fältet varför utsträckningen på fältet blir mindre. På det avstånd från ledningen som huset ligger (minst 2000 m) bildas inget elektriskt fält från ledningen. Magnetiska fält Elektriska fält alstras av spänningar, de magnetiska fälten alstras däremot av strömmar. Vi tar ett enkelt exempel, en rak ledning som det går en ström i, se figur 2.3. Runt ledningen skapas ett magnetiskt fält. De elektriska fältlinjerna går från en spänning till en annan, de magnetiska fältlinjerna bildar däremot alltid slutna banor runt om de strömmar som alstrar dem. Styrkan 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.

6 Yngve Hamnerius AB 6 Figur 2.3 Magnetiska fält bildar slutna fältlinjer kring strömförande ledare. Den magnetiska flödestätheten (B) uppgår till 0,2 µt en meter från en ledare som för strömmen (I) 1 A. Om vi låter en ström, I, gå genom ledaren i figur 2.3, får vi en magnetisk fältstyrka, H, på avståndet, r. I H = 2π r (A/m) Den magnetiska flödestätheten B är, B = µ H (T) 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 2.2: B = µ 0 H = I r (T) Om det går en ström på 1 A i figurens ledare får vi en magnetisk flödestäthet på 0,2 µt en meter ut från ledaren. Detta gäller för en enkeledare. De aktuella 130 kv-ledningarna är trefasledningar, dvs. de består av tre enkelledare där det i vardera ledaren går lika stora strömmar, men med olika fasläge. Om de tre ledarna i en trefasledning hade kunnat ligga i samma punkt så hade de tre ledarnas magnetfält tagit ut varandra. I en verklig ledning ligger ledarna separerade med 4 m och då uppstår ett resulterande magnetfält. När det gäller fälten inne i hus som ligger nära en luftledning så skärmas elektriska fält av byggnadsmaterialen i husets tak och väggar, medan det magnetiska fältet inte dämpas av normala byggnadsmaterial. Vagabonderande strömmar Källan till förhöjda magnetfält i samhällen, är i de flesta fall, vagabonderande strömmar i 400 V distributionsnätet. Dessa strömmar beror på att vi i Sverige vanligen har ett elsystem med fyra ledare, i servisledningen fram till huset. Figur 2.4 visar ett fyrledarsystem. Servisledningen består av tre fasledare L 1, L 2 och L 3, samt en kombinerad skyddsjord och neutralledare, så kallad PEN-ledare (PE = Protective Earth, N = Neutral). Efter elcentralen finns separata skyddsjordledare och neutralledare. Dessa är förbundna med varandra i elcentralen.

7 Yngve Hamnerius AB 7 Figur 2.4 Bild av ett 4-ledarsystem. Återgångsströmmen från fasledarna kan gå två vägar från elcentralen eftersom skyddsjordledaren är sammankopplad med neutralledaren. Dels via den gemensamma PEN-ledaren dels via andra metalliska ledare som är förbundna med skyddsjord som vattenledningen. Strömmen I, som uppkommer då man ansluter en enfaslast, har två vägar att gå tillbaka från elcentralen till den matande transformatorns jordpunkt. Om det finns en metallisk förbindelse, t.ex. en vatten- eller fjärrvärmeledning kan återgångsströmmen dels gå via PEN-ledaren I n, som det är tänkt, dels via skyddsjorden I v och vattenledningen och åter till transformatorns jordpunkt. Om det går ström i vattenledningen, alstras det ett magnetfält kring den, men även kring elledningen, då det felar återgångsström varför magnetfälten från elledningen inte längre tar ut varandra. Hur mycket av återgångsströmmen som går i PEN-ledaren och hur mycket som går i vattenledningen, bestäms av motstånden i PEN-ledaren, respektive i den alternativa strömvägens ledare. Vi får en strömdelning, där störst ström går den väg som har minst motstånd, enligt Kirchoffs lag. Vattenledningen har ofta en större metallarea, än PEN-ledaren, varför motståndet kan vara lägre i vattenledningen, då kommer störst ström att gå den vägen. De rör som används för fjärrvärme har ofta stora areor varför dessa är utmärkta ledare. Då återgångsströmmarna ofta rör sig om tiotals ampere är det inte ovanligt att finna vagabonderande strömmar av denna storleksordning. Vattnet i ledningen har betydligt större motstånd än metallen varför nästan ingen ström går i vattnet. Det innebär att det inte går några vagabonderande strömmar i plastvattenledningar. Strömmen i PEN-ledaren bestäms av den totala strömmen i de tre faserna. I ett idealt trefassystem kommer strömmarna i de tre faserna att ta ut varandra, om de är lika stora. I PENledaren och vattenledningen kommer endast att gå en ström som beror på skillnaden i fasbelastning. Varje enfaslast som slås till eller från, ändrar återgångsströmmen och den vagabonderande strömmen och därmed magnetfältet. Därför varierar ofta magnetfältet kraftigt med tiden i hus med vagabonderande strömmar. I den aktuella 130 kv-ledningen bildas inga vagabonderande strömmar, då den endast består av tre fasledare och ingen PEN-ledare.

8 Yngve Hamnerius AB 8 3 BERÄKNINGSFÖRUTSÄTTNINGAR Magnetfält från en 130 kv kraftledning har beräknats längs en linje vinkelrät mot ledningen. 2 fall har beräknats. Fall 1 Maximal last på ledningen, 110 A. Fall 2 Årsmedellast på ledningen, 36 A. Ledningen bärs upp av portalstolpar i trä. Höjden är 12,7 m och fasavståndet 4 m. Eftersom ledningen hänger ned mellan stolparna har beräkningen utförts med fasledarna 10 m över mark vilket är den höjd som mätts upp på en liknade ledning (ZL1S1 Gråbo 2007). Magnetfälten har beräknats 1,5 m över marknivå i ett antal punkter upp till 2000 m från ledningen. Beräkningarna är utförda enligt en modell med oändligt långa raka ledare. Uppgifter om strömlast och ledningsutförande har inhämtats från Nordisk Vindkraft AB. 4 BERÄKNINGSMODELL Vi har utvecklat ett program för att beräkna magnetfält från ett godtyckligt antal trefasledningar har i MATLAB. Indata till programmet är koordinater för den punkt där man vill beräkna magnetfältet (målpunkt), strömlast för ledningarna, koordinater för krökningspunkter för alla fasledare, elektriskt fasläge för alla ledare. Beräkningsprogrammet tillämpar Biot-Savarts lag: I µ dl rˆ 0 B = C 2 4 π r Ledningarna mellan två koordinatpunkter delas i ett antal segment (1000) och bidragen från varje segment summeras vektoriellt. Summan multipliceras med strömmen (komplex form) och man får bidraget i målpunkten från en lina. Bidragen från alla linor summeras vektoriellt och komplext, och slutresultat erhålls som beloppet av summan.

9 Yngve Hamnerius AB 9 5 RESULTAT Det beräknade magnetfältet som funktion av avståndet från 130 kv-kraftledningen redovisas i tabell 5.1. Avstånd till mittfas (m) Beräknat magnetfält (µt) Ström: 36 A Ström: 110 A 0 0,59 1,8 10 0,3 0, ,02 0, ,005 0, ,0012 0, , , ,0002 0, , , , , , , , , , , Tabell 5.1 Magnetfält som funktion av avståndet från 130 kv kraftledningen vid årsmedellast 36 A samt vid maxlast 110 A. Resultaten visas också i grafisk form upp till 100 m från ledningen i figurerna 5.1, för årsmedellast 36 A och i 5.2 för maxlast 110 A.

10 Yngve Hamnerius AB 10 Figur 5.1 Magnetfältet som funktion av avståndet från 130 kv kraftledningen (upp till 100 m) när det går en ström på 36 A som motsvarar årsmedelströmlast.

11 Yngve Hamnerius AB 11 Figur 5.2 Magnetfältet som funktion av avståndet från 130 kv kraftledningen (upp till 100 m) när det går en ström på 110 A som motsvarar maximal strömlast. 6 GRÄNSVÄRDEN OCH REKOMMENDATIONER Det finns inte några svenska gränsvärden som begränsar lågfrekventa magnetfält. Det finns klara bevis för att starka fält kan ge hälsoeffekter. Strålsäkerhetsmyndigheten har givit ut allmänna råd 1 för allmänhetens exponering för elektromagnetiska fält, som bygger på Europarådets rekommendation från den 12 juli 1999, om allmänhetens exponering för fält med frekvenser mellan 0 och 300 GHz. Europarådets rekommendation har tagits fram av ett antal aktörer, såsom ICNIRP (The International Committe of Non Ionizing Radiation Protection), SCC (The Scientific Steering Committee) och Europeiska Kommissionen. Denna rekom- 1 Strålsäkerhetsmyndighetens allmänna råd om begränsning av allmänhetens exponering för elektromagnetiska fält; beslutade den 19 december 2008, SSMFS 2008:18.

12 Yngve Hamnerius AB 12 mendation utgår från ICNIRP s publicerade guideline. Dessa rekommendationer bygger på skydd mot bevisade hälsoeffekter, som excitering av nervsignaler på grund av inducerade strömmar. ICNIRP s guideline begränsar den inducerade strömtätheten i människokroppen, så att excitation av nerver undviks. För allmänhetens exponering begränsas den inducerade strömtätheten, i det centrala nervsystemet, till 2 ma/m 2, medelvärdesbildat över en kvadratcentimeters tvärsnittsyta vinkelrät mot strömmens riktning. Den inducerade strömtätheten i kroppen är inte praktiskt mätbar, därför har ICNIRP även angivit så kallade referensvärden, uttryckta i elektrisk och magnetisk fältstyrka. Dessa är beräknade för värsta fall, varför man inte skall kunna överstiga gränsvärdena, om man klarar referensvärdena. Om man kan visa att man klarar gränsvärdena, så är det tillåtet att överstiga referensvärdena. För kontinuerliga signaler ges referensvärdena i ICNIRP-dokumentet. Referensvärdet för allmänhetens exponering, vid 50 Hz, ligger på 100 µt, motsvarande värde för yrkesmässig exponering är 500 µt. Magnetfälten från kraftledningen ligger med god marginal under dessa referensvärden, inte bara vid huset, utan även direkt under ledningen. ICNIRPs guidelines bygger på bevisade hälsoeffekter, nämligen inducerade strömmar som kan alstra nervsignaler i kroppen samt skadlig uppvärmning av kroppen. Forskningen på området visar att det finns biologiska effekter även under dessa föreslagna nivåer. Den intressanta frågan är då om dessa biologiska effekter kan inne bära negativa hälsoeffekter. Den mest omfattande forskningen har studerat frågan om lågfrekventa fält kan ge upphov till cancer. WHO:s cancerforskningsorgan IARC har behandlat denna fråga 3. IARC klassificerar cancerrisker i fyra nivåer: Grupp 1: ämnen som vetenskapen med säkerhet vet är cancerframkallande, till exempel asbest, radon och tobak. Grupp 2A: ämnen och faktorer som troligtvis är cancerframkallande, till exempel formaldehyd, dieselavgaser och solarieanvändande. Grupp 2B: möjligen cancerframkallande agens som DDT, bly, diesel, bensin, svetsrök och lågfrekventa magnetiska fält. Grupp 3: ämnen eller agens där det inte finns tillräckligt underlag för bedömning; exempelvis lysrörsbelysning, koffein och kvicksilver. Grupp 4: ämnen som troligtvis inte är cancerframkallande. IARC s bedömning när det gäller statiska elektriska och magnetiska fält samt lågfrekventa 2 ICNIRP Guidelines on limits of exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz), International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, Health Physics, April 1998, Volume 74, Number 4 3 International Agency for Research on Cancer (IARC) (2002), IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans Vol 80, Non-Ionizing Radiation, part 1: Static and Extremely Low-Frequency (ELF) Electric and Magnetic fields.

13 Yngve Hamnerius AB 13 elektriska fält är att nuvarande data inte räcker för att man skall kunna bedöma om de är cancerframkallande eller inte (grupp 3). För lågfrekventa magnetfält görs bedömning att de möjligen skulle kunna vara cancerframkallande, grupp 2B. Expertgruppen gjorde bedömningen att barncancerstudierna utgjorde ett begränsat bevis (limited evidence) för en överrisk för cancer, medan bedömningen av studier på vuxna blev att bevisningen var ofullständig (inadequate evidence). IARC ställningstagande bygger framförallt på epidemiologiska studier av barncancer och magnetfältsexponering. Man skriver i pressmeddelande då man presenterade klassningen: En kombinerad (pooled) analys av data från ett antal väl utförda studier visar ett ganska konsistent statistiskt samband mellan barnleukemi och exponering i hemmet för kraftfrekventa magnetiska fält med fältstyrkor över 0,4 µt, med en ungefär fördubblad risk. Det är osannolikt att detta beror på slumpen, men resultatet skulle kunna ha påverkats av selektionsbias. År 1996 beslutade Arbetsmiljöverket, Socialstyrelsen, Statens strålskyddsinstitut, Elsäkerhetsverket och Boverket att en försiktighetsprincip ska gälla för lågfrekventa elektriska och magnetiska fält 4. I försiktighetsprincipen nämns ingen explicit magnetfältsnivå. Man skriver Myndigheterna rekommenderar gemensamt följande försiktighetsprincip: Om åtgärder, som generellt minskar exponeringen, kan vidtas till rimliga kostnader och konsekvenser i övrigt bör man sträva efter att reducera fält som avviker starkt från vad som kan anses normalt i den aktuella miljön. När det gäller nya elanläggningar och byggnader bör man redan vid planeringen sträva efter att utforma och placera dessa så att exponeringen begränsas. Det övergripande syftet med försiktighetsprincipen är att på sikt reducera exponeringen för magnetfält i vår omgivning för att minska risken att människor eventuellt kan skadas. Då det inte finns några explicita nivåer angivna i försiktighetsprincipen, har detta lett till en osäkerhet och en rad, ibland divergerande, tolkningar på kommunal- och länsnivå. Socialstyrelsen gav i samverkan med Statens strålskyddsinstitut, Elsäkerhetsverket och Boverket ut en uppdatering till försiktighetsprincipen I denna sägs: Sambandet mellan exponering för elektromagnetiska fält från kraftledningar och vissa andra elinstallationer och ökad risk för leukemi hos barn har diskuterats under många år. Under gjordes en omfattande genomgång av de epidemiologiska 7 forskningsrapporter som då fanns. Resultaten från genomgången tyder på att man kan se en viss ökning av leu- 4 Arbetarskyddsstyrelsen, Boverket, Elsäkerhetsverket, Socialstyrelsen och Statens strålskyddsinstitut Myndigheternas försiktighetsprincip om lågfrekventa elektriska och magnetiska fält - en vägledning för beslutsfattare Socialstyrelsen, Elektromagnetiska fält från kraftledningar, Meddelandeblad juni Ahlbom et al: Review of the Epidemiologic Literature on EMF and Health, Environmental Health Perspectives, Volume 109, Supplement 6, December Epidemiologisk forskning undersöker förekomsten av olika sjukdomar i en population, eller studerar om det finns samband mellan en viss exponering och någon sjukdom eller tillstånd. Gemensamt för epidemiologins olika användningsområden är en teoretisk och metodologisk grund. Den omfattar verktyg för att definiera frågeställningar, designa studier, samt tolka resultat från studier. En förutsättning för en högkvalitativ epidemiologisk forskning är att den baseras

14 Yngve Hamnerius AB 14 kemirisken hos befolkningsgrupper som exponeras för magnetiska fält på 0,4 µt eller mer (avser långvarig exponering för 50 Hz magnetfält i bostäder). Däremot ser man ingen riskökning under 0,4 µt. Det finns inte någon känd mekanism som skulle kunna förklara hur exponering för så svaga och lågfrekventa fält skulle kunna påverka risken för sjukdom. Det vetenskapliga underlaget anses fortfarande inte tillräckligt gediget för att man ska kunna sätta ett gränsvärde. Det beror bland annat på att det saknas en biologisk förklaringsmodell för påverkan på cancerrisken. Ellagstiftningen liksom miljöbalkens regler om försiktighet är tillämpliga på den här typen av exponeringar. De innebär att risker för människors hälsa ska undvikas så långt som det kan anses ekonomiskt rimligt. 7 DISKUSSION Beräkningarna visar att magnetfältet från 130 kv kraftledningen, på avståndet 2000 m, är omätbart. Den minsta magnetiska fältstyrka vid 50 Hz, som man kan mäta upp med normala fältmätinstrument, är 0,001 µt (vilket betecknas 1 nt). Den beräknade magnetiska fältstyrkan, vid maxlast 110 A, är 25 gånger lägre en instrumentens detektionsgräns. Även det elektriska fältet från ledningen är omätbart. Det innebar att de elektriska och magnetiska fälten från vindkraftparken och 130 kv-ledningen är omätbara vid huset. Det innebär inte att det inte kan finnas några mätbara elektriska och magnetiska fält vid huset. Det finns en transformatorstation för 0,4 kv i husets omgivning. Huset matas med 0,4 kv-spänning som går till ett elskåp på utsidan huset. Husets egen elförsörjning innebär att det bör finnas mätbara elektriska och magnetiska fält. Hur stora dessa är bestäms enklast med en mätning på plats. Ett medelvärde för magnetfält i bostäder, utanför större städer, anges till 0,05 µt, i myndigheternas försiktighetsprincip. Slutsatsen av beräkningen är att de elektriska och magnetiska fälten vid det aktuella huset ej kommer att påverkas av utbyggnaden av vindkraftparken Granliden eller av den planerade 130 kv-kraftledning som kommer att transportera elkraften från vindkraftparken. Göteborg 3 oktober, 2010 Yngve Hamnerius, bitr. professor på statistiska analysmetoder anpassade för epidemiologiska data. Ovanpå detta krävs kunskap som är speciellt inriktad mot det aktuella forskningsområdet (Socialstyrelsens fotnot).