Stanowiska pracy
EKSPOZYCJA NA POLE E-M W ELEKTROWNIACH WIATROWYCH

Ekspozycja na pole elektromagnetyczne w elektrowniach wiatrowych

 

dr inż. KRZYSZTOF GRYZ dr inż. JOLANTA KARPOWICZ
Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy Kontakt: krgry@ciop.pl
Bezpieczeństwo Pracy – Nauka i Praktyka, 7/2016, s. 10-13,  DOI: 10.5604/01377043.1210089

 

Odnawialne źródła energii, m.in. elektrownie wiatrowe, odgrywają coraz większą rolę w systemie energetycznym. W Polsce eksploatowanych jest obecnie ponad 1000 elektrowni wiatrowych o łącznej mocy ok. 4,6 GW, które rocznie produkują ok. 4,5% krajowej energii elektrycznej (tj. niemal 8 TWh w 2015 r.). W artykule scharakteryzowano źródła pola elektromagnetycznego w elektrowniach wiatrowych (generatory prądowe, przetworniki elektroenergetyczne, okablowanie, transformatory) i parametry wytwarzanego przez nie pola elektromagnetycznego (magnetostatycznego i elektromagnetycznego małej częstotliwości, o dominującej składowej 50 Hz lub 150 Hz).

Zaprezentowano wyniki wykonanych w elektrowniach
wiatrowych badań pola elektromagnetycznego, obejmujących pomiary rozkładu przestrzennego oraz indywidualny monitoring narażenia pracowników. Wykazano, że narażenie pracowników jest w granicach wymagań prawa pracy (natężenie pola elektrycznego E < 500 V/m; natężenie pola magnetycznego H < 200 A/m, zasięgi stref ochronnych pola elektromagnetycznego nieprzekraczające jednego metra od jego źródeł, a narażenie pracowników podczas dnia pracy jedynie krótkotrwałe). Zidentyfikowano lokalne występowanie zagrożeń elektromagnetycznych istotnych dla pracowników szczególnie chronionych (kobiet w ciąży, pracowników młodocianych i użytkowników implantów medycznych), które powinny być uwzględnione w programie stosowania środków ochronnych.

 

Wstęp

 

Do wytwarzania energii elektrycznej coraz częściej stosowane są alternatywne w stosunku do elektrowni konwencjonalnych, odnawialne źródła energii (OZE). Zalicza się do nich m.in. energię: słoneczną, cieplną (powstającą przy spalaniu biomasy lub związków organicznych powstałych w wyniku biochemicznego przetworzenia biomasy - np. biogaz, biodiesel, geotermalną) bądź kinetyczną - np. wody lub wiatru [1]. Przetwarzanie energii kinetycznej wiatru na energię elektryczną odbywa się za pośrednictwem napędzanych przez turbiny wiatrowe generatorów prądu elektrycznego.

Turbiny te instalowane są zwykle na terenach, gdzie występuje zarówno duża prędkość wiatru, jak i liczba wietrznych dni w roku, aby wytwarzanie energii elektrycznej tą metodą było jak najbardziej stabilne i opłacalne ekonomicznie. Także w celu zwiększenia efektywności, turbiny wiatrowe wraz z generatorami instalowane są wysoko ponad poziomem terenu - w Polsce typowo w tzw. gondoli, na szczycie cylindrycznej wieży o średnicy kilku i wysokości 50 - l00 metrów. Najwyżej w kraju zainstalowano turbinę na wysokości 160 m. Zestaw „turbina wiatrowa - generator prądowy", wraz z niezbędnym wyposażaniem elektroenergetycznym zlokalizowanym wewnątrz wieży (fot.), nazywany jest elektrownią wiatrową, a grupa takich obiektów tworzy tzw. farmę wiatrową.

Liczba eksploatowanych w Polsce elektrowni wiatrowych i skala wytwarzanej przez nie energii elektrycznej ciągle wzrasta - z końcem 2015 r. osiągając moc 4,58 GW (ok. 27% w województwie zachodniopomorskim) w ponad 1030 obiektach (ok. 26 % w województwie kujawsko-pomorskim). Wyprodukowały one ok. 7,2 TWh, tj. ok. 4,5% krajowej produkcji energii w 2015 r. [2,3].

Elektrownie wiatrowe są stosunkowo nowym elementem środowiska i ich oddziaływanie na ludzi (obsługujących je pracowników lub osoby przebywające w ich sąsiedztwie w związku z działalnością gospodarczą, czy pobliskich mieszkańców) często wzbudza obawy lub dyskomfort, głównie z powodu emitowanego hałasu i drgań oraz zmienionych walorów krajobrazu. Dla pracowników istotnym zagadnieniem jest również rozpoznanie potencjalnych zagrożeń elektromagnetycznych przy urządzeniach elektrycznych w elektrowni oraz potrzeb i metod ich ograniczania. W procesie tym kluczowe jest rozpoznanie charakterystyki i ocena poziomu pola elektromagnetycznego (pola-EM), występującego w elektrowniach wiatrowych.

Rozpoznanie parametrów wytwarzanego w elektrowniach wiatrowych pola-EM i jego ocenę w kontekście narażenia obsługujących je pracowników zaprezentowano na podstawie wyników badań własnych (obejmujących pomiary w dziedzinie częstotliwości, czasu i przestrzeni).

Obecnie problematyka środowiskowego oddziaływania pola-EM na zróżnicowaną grupę zawodową, związaną z eksploatacją elektrowni wiatrowych (głównie na elektryków i konserwatorów), dotyczy w Polsce kilku tysięcy pracowników - w 2014 r. na rzecz energetyki wiatrowej pracowało 8,4 tys. osób [4]. Prognozuje się, że w 2020 r. liczba ta może wzrosnąć do 14 tys., a dekadę później osiągnąć 42 tys. [4]. Część tych pracowników będzie podlegać oddziaływaniom pola-EM podczas montażu i rozruchu nowych oraz kontroli i konserwacji już pracujących urządzeń.

 

Źródła pola-EM elektrowni wiatrowych

 

Energia elektryczna wytwarzana w elektrowni wiatrowej może być wykorzystywana do zasilania odbiorników podłączonych do autonomicznej, wydzielonej sieci elektrycznej lub do zasilania odbiorników podłączonych do rozbudowanego, ogólnokrajowego systemu energetycznego. Do wytwarzania energii elektrycznej najczęściej wykorzystuje się trójfazowe generatory asynchroniczne lub synchroniczne prądu przemiennego (tzw. AC) o mocach znamionowanych 1-4 MW (szybkoobrotowe lub wolnoobrotowe), sporadycznie generatory prądu stałego (tzw. DC). Rodzaj współpracy z siecią odbiorczą oraz typ generatora decydują o konstrukcji elektrowni i eksploatowanym w niej wyposażeniu elektroenergetycznym. W elektrowniach wiatrowych włączonych do energetycznej sieci ogólnokrajowej podstawowym zagadnieniem jest dopasowanie wytwarzanej energii elektrycznej do parametrów sieci (pod względem napięcia i przebiegu w czasie).

 

Elektrownie wiatrowe z generatorami szybkoobrotowymi

 

Przy prędkości wiatru 4-25 m/s turbiny wiatrowe wykonują ok. 15-20 obrotów na minutę. Podczas silniejszych wiatrów turbiny są unieruchamiane ze względów bezpieczeństwa. Przy stosowaniu szybkoobrotowych trójfazowych generatorów asynchronicznych lub synchronicznych niezbędne jest 60VI00-krotne zwiększenie częstotliwości obrotów wirnika turbiny wiatrowej za pomocą przekładni mechanicznej. Aby zapewnić stabilną częstotliwość 50 Hz wytwarzanego prądu, do sterowania pracą generatora asynchronicznego oprócz przełączalnej liczby par biegunów stosuje się także elektroniczne przetworniki AC/AC (przemienniki częstotliwo-ści). W przypadku generatorów synchronicznych w obwodzie wirnika do jego wzbudzenia prądem stałym (DC) stosuje się elektroniczne przetworniki AC/DC (prostowniki; generatory synchroniczne z magnesami trwałymi w wirniku nie wymagają wzbudzenia). Podzespoły te łączone są kablami izolowanymi i znajdują się w gondoli.                                                                                                                                                                         

Napięcie wyjściowe z generatora asynchronicznego (690 V) podwyższane jest w transformatorze wyjściowym średniego napięcia (SN) - zwykle do wartości 15, 20 lub 30 kV, umieszczonym także w gondoli. Prąd elektryczny z transformatora odprowadzany jest do rozdzielni napowietrznej - w której następuje połączenie z lokalnym systemem energetycznym - kablami SN prowadzonymi wzdłuż wieży, a następnie najczęściej pod ziemią.

W przypadku generatorów synchronicznych częstotliwość wytwarzanego prądu zależy od prędkości obrotowej turbiny, dlatego też, aby możliwe było odprowadzenie wytworzonej energii do systemu energetycznego o częstotliwości 50 Hz, niezbędne jest dopasowanie i zmiana parametrów prądu. Zwykle w dolnej części wieży elektrowni znajdują się przetworniki AC/DC, przetwarzające wygenerowany i doprowadzony okablowaniem wzdłuż wieży prąd przemienny (AC) na prąd stały (DC) oraz przetworniki DC/AC (falowniki), wytwarzające prąd trójfazowy o napięciu 400 V. Następnie napięcie to podwyższane jest w transformatorze wyjściowym SN, zlokalizowanym wewnątrz wieży na jej dolnym poziomie lub na zewnątrz (np. w kontenerze obok wieży). W dolnej części wieży znajduje się także wyposażanie sterownicze, wyłączniki, itp.

 

Elektrownie wiatrowe z generatorami wolnoobrotowymi

 

W elektrowniach wiatrowych z wolnoobrotowymi generatorami prądowymi synchronicznymi nie stosuje się przekładni mechanicznych. Generator wytwarza prąd elektryczny o częstotliwości kilku-, kilkunastu Hz, w zależności od prędkości obrotowej turbiny i liczby par biegunów. Podobnie jak przy generatorach szybkoobrotowych, w elektrowniach wiatrowych stosuje się wolnoobrotowe generatory synchroniczne z magnesami trwałymi w wirniku (niewymagające wzbudzenia) lub generatory synchroniczne ze wzbudzającymi przetwornikami AC/DC w obwodzie wirnika. Aby możliwe było odprowadzenie wytworzonej energii do systemu energetycznego o częstotliwości 50 Hz niezbędna jest zmiana parametrów prądu w identyczny sposób jak w generatorach synchronicznych szybkoobrotowych. Z uwagi na brak przekładni mechanicznej i dostępność miejsca w gondoli wraz z generatorem wolnoobrotowym może być zlokalizowany także przetwornik AC/DC prądu wyjściowego z generatora. Przetworniki DC/AC znajdują się w dolnej części wieży. Wzdłuż wieży prowadzone jest okablowanie do przesyłu prądu z prostowników do falowników wytwarzających prąd trójfazowy o napięciu 400 V. Jak w przypadku rozwiązań z generatorami synchronicznymi szybkoobrotowymi, transformator wyjściowy SN (15, 20 lub 30 kV) jest zlokalizowany wewnątrz wieży na jej dolnym poziomie lub na zewnątrz (np. w kontenerze obok wieży).

 

Metoda badań

 

Badania w otoczeniu wyposażenia elektro-energetycznego wewnątrz oraz na zewnątrz wież typowych dla polskich elektrowni wiatrowych z generatorami szybkoobrotowymi i wolnoobrotowymi prądu przemiennego obejmowały:

  • rozpoznanie urządzeń będących źródłami pola-EM
  • oscyloskopowe rozpoznanie parametrów wytwarzanego pola-EM (w dziedzinie czasu i częstotliwości), z użyciem kalibrowanej sondy o paśmie pomiarowym 1 Hz - 400 kHz i z wykorzystaniem analizy widmowej według algorytmu FFT (Fast Fourier Transform)
  • pomiary punktowe rozkładu przestrzennego wartości równoważnej natężenia niezaburzonego pola elektrycznego (pola-E) zmiennego w czasie (E w V/m) i pola magnetycznego (pola-M) zmiennego w czasie lub magnetostatycznego (PMS), (H w A/m) w otoczeniu poszczególnych źródeł pola-EM (przy zachowaniu minimalnej odległości pomiarowej od wyposażenia elektroenergetycznego: 15 cm podczas pomiarów pola zmiennego i 5 cm podczas pomiarów PMS), z zastosowaniem izotropowych mierników selektywnych (PMS lub pola-EM o częstotliwości 50 Hz) lub szerokopasmowych (5 Hz - 2 kHz lub 5 Hz - 2 kHz bez 50 Hz)
  • pomiary ciągłe (monitoring) pola-M małej częstotliwości (40-800) Hz, z wykorzystaniem ekspozymetrów szerokopasmowych (z próbkowaniem co 1,5 s) noszonych w kieszeni ubrania przez pracowników elektrowni.

Prezentowane w artykule badania przeprowadzono na 3 farmach wiatrowych, na których eksploatowanych było łącznie ponad 50 elektrowni wiatrowych o mocach znamionowych 2-2,5 MW. Z uwagi na unifikację rozwiązań konstrukcyjnych elektrowni wiatrowych stosowaną przez ich producentów wyniki badań można uznać za reprezentatywne dla szerszej grupy elektrowni wiatrowych eksploatowanych obecnie w Polsce.

 

 

 

Fot. Elektrownie wiatrowe (fot. autorzy)

 

_________________________________

 

[1]    Gryz K., Karpowicz J. Narażenie na pola elektromagnetyczne przy instalacjach energetycznych odnawialnych źródeł energii (OZE). „Bezpieczeństwo pracy. Środowisko. Zarządzanie" Red. D. Hadryś, Wyższa Szkoła Zarządzania Ochroną Pracy w Katowicach, 2015, t. 3, s. 85-94

[2]    Mapa odnawialnych źródeł energii. Urząd Regulacji Energetyki http://www.ure.gov.pl/uremapoze/mapa. html

[3]    Leśniewski Ł. Globalne i polskie tendencje w sektorze energetyki wiatrowej. Raport Energetyka wiatrowa w Polsce 2015. TPA Horwath, Polska Agencja Informacji i Inwestycji Zagranicznych, BSJP 2015

[4]    Skolimowski M. Wpływ energetyki wiatrowej na polski rynek pracy. Raport Energetyka wiatrowa w Polsce 2015. TPA Horwath, Polska Agencja Informacji i Inwestycji Zagranicznych, BSJP 2015