Rapport R11-801 Rev 1
Gnisturladdningar vid färd med
cykel under kraftledningar
av
Lena Lunn och Göran Olsson
Titel
Gnisturladdningar vid färd med cykel under kraftledningar
Författare
Lena Lunn, Göran Olsson
Datum
2012-06-28
STRsI projektnummer
83628
Kundens referens
Proj nr 41001228. Erik Thunberg
Distribution till
Erik Thunberg
[email protected]
Antal sidor i
huvuddokument
Distribution STRI
9
Copyright:
Utan skriftligt tillstånd från STRI AB får publicering eller
kopiering av innehållet i denna rapport endast ske i sin helhet.
Rapport version 1.94
sid 1-3 VD, M, Q, R, RT, S
Rapport R11-801
Sida 1 (9)
Sammanfattning
Till Svenska Kraftnät har det kommit klagomål från personer som upplevt besvärande
elektriska urladdningar när de cyklar under större kraftledningar. Man har bl a klagat över
urladdningar mellan fingrar och styre och mellan lår och ram. För att närmare kunna
förklara dessa fenomen och avgöra om de direkt kan medföra någon hälsopåverkan, har
det genomförts en serie mätningar.
Mätningar av det elektriska fältet kring en cyklist utfördes i oktober 2011 under en 400 kV
kraftledning i Snöån utanför Ludvika. Mätningen visar på en fältförstärkning med ca 50 %
nära cyklisten jämfört med det opåverkade fältet.
Kapacitansen mellan cykel och cyklist har genom mätningar uppskattats till ca 300 pF.
Baserat på detta värde, fältförstärkning närmast cykeln och den maximala fältstyrkan under
kraftledningar har en största urladdningsenergi på 1,1 mJ uppskattats. Detta är en ofarlig
men fullt kännbar nivå. Beräkningar baserade på ett mer genomsnittligt förekommande
elektriskt fält under en kraftledning ger ca 0,2 mJ, vilket ligger under den energinivå som
är kännbar för de flesta personer.
Mätresultaten visar att fältpåverkan av en kraftledning inte helt kan förklara de upplevelser
som folk berättat om och att det måste finnas andra orsaker, eller troligare, en kombination
av orsaker till dessa problem. En sådan möjlighet skulle kunna vara statisk uppladdning
orsakad av byxor av syntetmaterial som gnider mot en cykelsadel.
Mätningar av statisk elektricitet gjordes på en cyklist med byxor av med bomull i ett fall
och polyester i ett annat fall. Mätningarna visade att kläderna gav ett bidrag även om det
finns flera faktorer som påverkar noggrannheten på mätningarna. Det är i detta fall svårt att
mäta uppladdningsspänningen direkt utan att drastiskt påverka situationen. En möjlighet,
som användes här, är att mäta det statiska elektriska fältet och sedan beräkna spänningen.
För korrekt resultat kräver dock det kännedom om fältets utbredning med avståndet, vilket
här bara uppskattats som linjärt avtagande. Den här osäkerheten till trots, visar mätresultaten på en uppladdning och som bli mer påtaglig med byxor av syntetmaterial jämfört med
bomullstyg.
Uppladdningsspänningen orsakad av kraftledningens elektriska fält och uppladdningen
orsakad av statisk elektricitet kan summeras och energin i urladdningen likaså.
I slutändan är det dock så att den sammanlagda urladdningsenergin är måttlig och väl
under gränsen för att akut kunna påverka hjärta eller nervsystem. Däremot finns naturligtvis alltid risken för sekundära händelser, d v s att en smärtförnimmelse skrämmer cyklisten
så till den grad att han eller hon tappar kontrollen över cykeln och kör i diket eller krockar
med mötande trafik.
Risken för obehagliga urladdningar mellan kropp och cykel minskar påtagligt om man har
elektrisk kontakt med cykelramen. Enklast löser man detta genom att hålla tummarna
direkt mot styret och inte mot de isolerande handtagen.
Rapport R11-801
Sida 2 (9)
Innehåll
Sammanfattning ..................................................................................................................... 1
Innehåll .................................................................................................................................. 2
Bakgrund ............................................................................................................................... 3
1
Gnisturladdningar......................................................................................................... 3
2
Mätning av kapacitans mellan cykel och cyklist.......................................................... 3
3
Fältmätningar med cykel under kraftledning ............................................................... 4
4
Beräkning av gnisturladdningar ................................................................................... 5
5
Mätning av urladdningsström ...................................................................................... 6
6
Statisk elektricitet ......................................................................................................... 7
7
Slutsats ......................................................................................................................... 9
8
Referenser .................................................................................................................... 9
Rev 1. 2014-08-18.
Rapporten har kompletterats med en administrationssida (före sid 1)
Rapport R11-801
Sida 3 (9)
Bakgrund
Svenska Kraftnät har 2011 tagit emot ett antal klagomål från personer som upplevt besvär
med elektriska urladdningar när de cyklat under större kraftledningar. Den 2 juli rapporterade t ex Aftonbladets nätupplaga om en sådan händelse i trakterna av Döshult nära
Helsingborg. Klagomålen kan av någon anledning möjligen ha varit fler 2011 än tidigare
år.
De drabbade klagar framförallt över urladdningar mellan hand och styre och mellan lår och
ram. En sadel med metallnitar lär också ha gett upphov till smärtsamma urladdningar.
1
Gnisturladdningar
Frågan om gnisturladdningar har tidigare behandlats mer utförligt i Elforskrapporten 07:36
(Gnisturladdningar och kontaktströmmar av Anette Larsson och Göran Olsson [1]).
Urladdningar i samband med cykling togs dock inte upp i rapporten, men i korthet torde
följande gälla:
Cyklisten är isolerad från cykeln via handtag av gummi, pedaler/skor och via sadeln.
Själva cykeln är sedan isolerad från jord via däcken.
Det elektriska fältet under en kraftledning medför att cyklisten laddas upp till en viss
spänningsnivå och cykeln till en något lägre nivå. Spänningsskillnaden blir i vissa fall
tillräckligt stor för att det skall kunna ske kortvariga urladdningar över korta luftgap; t ex
mellan ett finger och styret. Högre urladdningsspänning och större uppladdad kapacitans,
d v s större energi, medför en mer smärtsam urladdning.
2
Mätning av kapacitans mellan cykel och cyklist
För att kunna göra beräkningar av gnisturladdningarna har kapacitansen mellan en
cykel och en cyklist mätts upp. Mätningar av kapacitansen har utförts med en LCR
mätare. Mätningen utfördes inomhus vid rumstemperatur. Mätningen har gjorts
mellan ramen och en aluminiumfolie av samma storlek som kontaktytan. För att få
rätt avstånd har en cyklist suttit på cykeln vid mätningen mellan händer och styre
respektive mellan sadel och ram. För mätning av kapacitans mellan fot och pedal har
en folie lagts i en sko. Ovanpå folien har en träbit lagts och allt har sedan klämts fast
på pedalen med en plastklämma. Cykeln som användes var samma som vid fältmätningen av elektriska fältet. Följande resultat har erhållits:
Styre-båda händerna: 161 pF
Sadel-ram: 96 pF
Mellan 1 pedal och 1 fot: 12 pF
Totalt fås då 161 + 96 +2 * 12 ≈ 300 pF
Rapport R11-801
Sida 4 (9)
3
Fältmätningar med cykel under kraftledning
Mätningar av det elektriska fältet har utförts under en 400 kV kraftledning i Snöån
utanför Ludvika den 5 oktober 2011. Mätning av bakgrundsfältet gjordes på tio
olika punkter nära ledningen innan den plats som hade högst fält valdes ut för
mätningarna. Om mätningen utförts en riktigt varm sommardag, då nedhängningen
av linorna varit större, hade fältstyrkan blivit högre. Utgångspunkten här är att den
lokala fältförstärkningen vid cyklisten i procent blir lika stor som vid ett högre
omgivande fält.
Figur 1 Uppställning vid mätning av elektriskt fält kring cyklist.
Området har delats upp i rutor med 1x1 meters sidor, se Figur 2 Mätpunkternas
placering relativt cykeln. Mätningar har gjorts på 1 respektive 2 meters höjd.
Mätningen gjordes med ett fältmätinstrument typ EHP 50C.
Rapport R11-801
Sida 5 (9)
Figur 2 Mätpunkternas placering relativt cykeln.
Fältstyrkan vid mätningen på 2 meters höjd låg kring 4 - 4,5
,5 kV/m för att stiga till
6 kV/m närmast cyklisten (punkt
(
10 och 11 vid mätning på 2 meter). Jämförelse
med mätresultat från samma punkter utan cykel ger en beräknad fältförstärkning
på ca 50 %.
4
Beräkning av gnisturladdningar
nisturladdningar
För det mer allmänna fallett med urladdning mellan människa och jord gäller att:
UC = IC / ω C
IC =ω ε E S
dvs att
UC = ε E S / C
Där
UC = Den maximala uppladdningsspänningen
ε = εr ε0 ≈ 8,854 x 10-12
E = Den elektriska fältstyrkan. Ett rimligt maximalt värde under en 400 kV ledning
är ca 10 kV/m på 2 meters höjd. Den beräknade fältförstärkningen
en (baserat på mätningar)
vid en cyklist är 50 %. Antag därför att den faktiska maximala fältstyrkan är 15 kV/m.
Rapport R11-801
Sida 6 (9)
S = Den laddningsuppsamlande ytan hos cyklisten. Motsvarande yta för en
upprättstående 1,8 m lång person är 5,25 m2. En cyklist är mer ”hopvikt” men vänder
samtidigt ryggen upp mot kraftledningen. Antag därför att ytan är 6 m2.
C = Kapacitansen mellan cyklist och cykel. Mätningen som gjordes gav ca 300 pF. Det
här är givetvis ett osäkert värde, som beror av handtagens tjocklek och framförallt av
sadelns stoppning. En kraftig sadel, som vid denna mätning, ger låg kapacitans. Ingen
hänsyn har tagits till det bidrag som kommer från kroppen i övrigt, exempelvis mellan ram
och ben då detta är särskilt svårt att uppskatta, men detta extra bidrag bör vara litet.
Uppladdningsspänningen UC = ε E S / C kan med detta beräknas till:
UC = 8,854 x 10-12 x 15000 x 6 / 300 x 10-12 = 2 656 V
Den maximala energin i urladdningen kan beräknas enligt:
W = 0,5 x C x U2
W = 0,5 x 300 x 10-12 x 26562 ≈1,1 mJ
Den framräknade spänningen är förhållandevis hög för att vara gälla för en gnisturladdning
från en människa men å andra sidan är kapacitansen högst måttlig. Energin blir därmed
också högst måttlig. En urladdning på ca 1 - 2 mJ är kännbar men ofarlig i sig (IEC TS
60479-2:2007, Figur 19 [2]).
Om den beräknade energin däremot baseras på uppmätta 6 kV/m närmast cyklisten, fås en
urladdningsenergi på 0,2 mJ. En sådan nivå ligger under tröskeln för att vara kännbar för
de flesta personer.
5
Mätning av urladdningsström
I samband med fältmätningen den 5 oktober 2011 genomfördes även en mätning av
urladdningsströmmen från en stillastående cyklist. Mätningen gjordes med en digital
multimeter typ Fluke 85 III. Cyklisten försågs en kopparlits runt handleden som via
strömmätinstrumentet var kopplad till cykelstyret. Strömmen som mättes upp låg i
normalfallet på 0,18 - 0,20 mA, men även högre värden kunde tillfälligtvis mätas
upp. För en försöksperson låg maxvärdet på 0,40 mA för den andra på 0,55 mA. De
tillfälliga höga värdena kan inte enkelt förklaras, men kan möjligen vara orsakade av
en laddningsomfördelning i kondensatorsystemet cyklist-cykel-jord. En kontinuerlig
ström av i storleksordningen 0,1 – 0,2 mA förefaller rimlig i detta fall då strömmen
från en upprättstående människa är ca 0,07 mA och från en bil ca 0,4 mA vid denna
opåverkade elektriska fältstyrka (4,5 kV/m) [3].
Gränsen för vad som är kännbart vid kontakt med finger ligger på 0,2 - 0,3 mA [1].
Förnimmelse vid ett stadigt grepp ligger på 0,7-1,1 mA [1]. Kvinnor är här mer
känsliga än män. En intressant iakttagelse här är att när höjden på mätinstrumentet
för elektriskt fält justerades in med en talmeter i metall så kändes det i fingrarna men
inte så mycket att det upplevdes som obehagligt. Det gör att de uppmätta värdena
Rapport R11-801
Sida 7 (9)
verkar rimliga även om man inte helt kan förklara den stora spridningen hos
mätvärdena.
En beräkning av strömmen vid den uppmätta opåverkade fältstyrkan E = 6 kV/m
nära cyklisten och en laddningsuppsamlande yta S = 6 m2 ger:
IC = ω ε E S = 2 * π * 50 * 8,854 * 10-12 * 6 000 * 6 = 0,1 mA
Strömmen är proportionell mot det elektriska fältet. Med en högsta opåverkad fältstyrka på 10 kV/m, motsvarande 15 kV/m nära cyklisten, bör den maximala
urladdningsströmen kunna bli 2,5 x 0,1 = 0,25 mA.
Även du uppmätta värdena bör kunna multipliceras med samma faktor 2,5 för att
motsvara maximal fältmiljö. Medelströmmen (vid 2,5 x 6 = 15 kV/m) fås på detta
sätt till 2,5 x 0,2 = 0,5 mA.
På grund av de oväntade resultaten gjordes ytterligare en mätning på samma plats
den 2:a december 2011. Mätningen av det elektriska fältet gjordes i punkt 19 på
1 meters höjd. Fältet var då 4,4 kV/m, vilket är likvärdigt med den förra mätningen.
Strömmen blev den här gången bara 50 μA, vilket ligger under gränsen av vad som
kan kännas. Vid mätning av höjd med talmeter kändes heller ingenting i fingrarna.
Vid mätningen den 5 oktober kändes fältet svagt men upplevdes inte som obehagligt.
Vid mätningen i december var det kyligt och fuktigt ute. Vatten kondenserade på
cykel och mätinstrument. Detta har troligen haft inverkan på mätresultaten även om
storleken därav inte är klarlagd.
6
Statisk elektricitet
Då den beräknade elektriska fältstyrkan blev så pass låg föddes tanken om det fanns
ytterligare fenomen som kan bidra till gnisturladdningar. Ett sådant bidrag skulle
kunna vara statisk elektricitet, som skulle kunna orsakas av att man gnider kläder
mot cykel och framförallt mot sadel. För att undersöka detta riggades en cykel upp i
laboratoriet. Cykeln var upphängd i pakethållaren. Lastpallarna på bilden tar upp
sidokrafter och stabiliserar cykeln medan bakhjulet kan snurra fritt medan försökspersonen trampar.
Rapport R11-801
Sida 8 (9)
Figur 3. Cykel uppriggad för prov med statisk uppladdning.
Mätningarna utfördes med en Influence-E-Fieldmeter EMF 57 för statiska E-fält. Det
elektriska fältet (E) mättes på ett visst mätavstånd (L).
E
(kV/m)
L (m)
E*L
uppskattad
(kVdc)
Material byxor
Mätningar
0
0,5
0
100% bommull
stillasittande
+0,5
0,5
0,25
100% bommull
Cyklar, kontakt
med sadel
+0,51.0
0,5
0,250,5
100% bommull
Cyklar, kontakt
mot sadel och ram
-0,5
0,5
0,25
100% polyester
Stillasittande
-1,2
0,5
0,6
100% polyester
Cyklar, kontakt
mot sadel och ram
-2
0,25
0,25
100% polyester
Cyklar, kontakt
mot sadel och ram
+2
0,1
0,2
100% bommull
Cyklar, kontakt
mot sadel och ram
-4
0,1
0,4
100% polyester
Cyklar, kontakt
mot sadel och ram
Tabell 1. Uppmätning av statisk uppladdning.
Det finns betydande mätosäkerhet både via mätinstrumentet i sig (det mäter lågt på
sitt mätområde) och att det hölls på exakt avstånd under själva mättillfället. Fältet
Rapport R11-801
Sida 9 (9)
hos den cyklande personen är inte homogent, därför är det också en grov förenkling
att spänningen kan beräknas genom att multiplicera E och L. Tyvärr medgav inte
tillgänglig mätutrustning en mer exakt uppmätning av spänningen, då det krävs ett
instrument med extremt hög ingångsimpedans för en sådan mätning.
Bomull gav ett positivt elektriskt fält. Polyester gav ett negativt elektriskt fält. Det
var tillräkligt att cykla 1 minut för att kunna mäta fälten i tabellen ovan. Fältet vid
den första mätningen med polyester orsakades troligen av klädbytet.
Det är fullt rimligt att anta att uppladdning orsakad av kraftledningens växelfält och
uppladdningen orakad av statisk elektricitet kan överlagra varandra och därmed
summeras.
En uppladdning till i storleksordningen 500 V orsakad av statisk elektricitet kan
antas vara rimlig. Om det summeras med de beräknade 2,8 kV i kapitel 4 ovan ger
det en urladdningsenergi på totalt 1,6 mJ. Jämfört med de tidigare beräknade 1,1 mJ
(baserat enbart på uppladdningen via kraftledningen), ger det ett högst intressant
bidrag där man ligger i gränslandet mellan förnimbart och smärtsamt. Urladdningsenergin beror på kvadraten av spänningen, vilket gör att varje ytterligare bidrag till
spänningen får en stor inverkan. Även det här beräknade högre värdet ligger på en
ofarlig nivå.
7
Slutsats
När man cyklar under en kraftledning orsakar den elektriska fältstyrkan en uppladdning av
cyklisten jämfört med cykeln. Detta kan resultera i en kortvarig urladdning. Beräkningar
baserade på ett genomsnittligt förekommande elektriskt fällt under en kraftledning ger en
urladdningenergi på 0.2 mJ, som ligger väl under den energinivå som är kännbar för de
flesta personer. Även under en ledning för 400 kV och räknat med en hög lokal fältstyrka,
fås en måttlig urladdningsenergi (1.1 mJ) . Nivån ligger väl under gränsen för att akut
kunna påverka hjärta eller nervsystem. Det är dock möjligt att statisk uppladdning kan
bidra till problemet och ge upphov till en märkbar men i sig ofarlig nervretning. En viss
risk finns naturligtvis alltid för sekundära händelser, d v s att en smärtförnimmelse
skrämmer cyklisten så till den grad att han eller hon tappar kontrollen över cykeln och kör i
diket eller krockar med mötande trafik.
Risken för obehagliga urladdningar mellan kropp och cykel minskar påtagligt om man har
elektrisk kontakt med cykelramen, ex vis genom att hålla tummarna direkt mot styret.
8
[1]
[2]
[3]
Referenser
Elforskrapport 07:36 (Gnisturladdningar och kontaktströmmar av Anette
Larsson och Göran Olsson).
IEC TS 60479-2:2007 Effects of current on human beings and livestockPart2: Special aspects.
Transmission Line Reference Book. 345 kV and Above. EPRI.
Second edition. 1982.
