Computational 3D modelling of electric fields in Fingrid Oyj’s electrical grid

Abstract

In this thesis, extremely low frequency external electric fields as well as fields induced into a human body are simulated in various occupational exposure scenarios. The simulated environment is a Fingrid Oyj operated electrical substation. A realistic 3D model of a section of the substation is created and simulations are conducted using software implemented in MATLAB. The software solves the electric fields using finite element method. The human body being exposed to the external electric field is portrayed by a voxel based human phantom model.

The results received from the simulations are compared with 2013/35/EU directive safety limits to verify safe working conditions at the studied site. Additionally, the simulated results are compared with data obtained from experimental measurements. This comparison is done to both validate the simulation results and to confirm that the calculations and equations used in conjunction with the experimental measurements produce reliable results.

The results obtained show that the EU directive safety limits are not exceeded in the studied occupational scenarios and that the experimental measurement methods previously used by Fingrid work as intended in the majority of cases.

Tässä diplomityössä mallinnetaan matalataajuuksisia ulkoisia sähkökenttiä, sekä ihmiskehoon indusoituvia sisäisiä sähkökenttiä ammatillisessa työskentely-ympäristössä sähköasemalla. Simulaatiokohteena toimivasta Fingrid Oyj:n ylläpitämästä sähköasemasta tehtiin 3D-malli, jossa sähkökenttiä simuloitiin MATLAB-ohjelmiston avulla. Sähkökenttien ratkaisemiseen ohjelmisto käyttää elemettimenetelmää. Sähkökenttäaltistuksen kohteena toimi vokselipohjainen ihmiskehomalli.

Simulaatioista saatuja tuloksia verrataan 2013/35/EU direktiivin sähkökenttien turvarajoihin, jotta saadaan varmuus työskentelyolosuhteiden turvallisuudesta tutkimuskohteessa. Simulaatiotuloksia verrataan lisäksi kokeellisissa mittauksissa saatuihin tuloksiin. Vertaus kokeellisiin mittaustuloksiin tehdään simulointitulosten vahvistamiseksi, sekä kokeellisissa mittauksissa käytettyjen laskujen ja kaavojen toimivuuden varmistamiseksi.

Simulaatioiden tulokset osoittavat, että EU direktiivin turvarajat sähkökentille eivät ylity tutkitussa kohteessa ja Fingridin aikaisemmin käyttämät kokeelliset mittausmenetelmät toimivat oletetusti valtaosassa tapauksista.