Elektrische und magnetische Felder von HGÜ-Freileitungen. Dr. Hannah Heinrich 2h-engineering & -research

Transkript

1 Elektrische und magnetische Felder von HGÜ-Freileitungen Dr. Hannah Heinrich 2h-engineering & -research

2 Physikalische Grundlagen

3 Physikalische Grundlagen Was ist ein Feld?

4 Feld: Raumgebiet, in dem sich eine physikalische Größe als Funktion der Raum- und Zeitkoordinaten darstellen lässt. Fehlt die Zeitabhängigkeit, so spricht man von statischen Feldern. Physikalische Grundlagen

5 Elektrische Felder werden verursacht von: elektrischen Ladungen elektrischen Ladungsunterschieden elektrischen Spannungen Die Einheit der elektrischen Feldstärke ist Volt/Meter [V/m] Magnetische Felder werden verursacht von: bewegten elektrischen Ladungen elektrischen Strömen Die Einheit der magnetischen Flussdichte ist Tesla [T] Physikalische Grundlagen

6 HGÜ-Freileitungen die höchsten elektrischen Feldstärken und magnetischen Flussdichten treten zwischen den Leiterseilen auf am Erdboden und mit zunehmender Entfernung von der Trassenachse nimmt sowohl die elektrische Feldstärke als auch die magnetische Flussdichte rasch ab bei mehrsystemigen HGÜ-Freileitungen könnte durch eine Optimierung der Leiteranordnung eine weitere Reduzierung der elektrischen Feldstärke und magnetischen Flussdichte erreicht werden Aber: Evtl. auftretende Koronaentladungen an den positiven Leiterseilen sind seltener, aber lauter, deswegen ordnet man diese bevorzugt auf den oberen Mastebenen an Physikalische Grundlagen

7 Verlauf des elektrischen Feldes einer 2-systemigen ±500-kV-HGÜ-Freileitung Fuchs, K. et. al.: Hochspannungsgleichstromübertragung Eigenschaften des Übertragungsmediums Freileitung. Ilmenau: Universitätsverlag, Physikalische Grundlagen

8 Verlauf des magnetischen Feldes einer 2-systemigen ±500-kV-HGÜ-Freileitung Fuchs, K. et. al.: Hochspannungsgleichstromübertragung Eigenschaften des Übertragungsmediums Freileitung. Ilmenau: Universitätsverlag, Physikalische Grundlagen

9 Natürliche elektrische und magnetische Felder

10 Natürliche magnetische Felder Magnetisches Feld: µt

11 Ionosphäre Elektrische Felder Schönwetter-Feldstärken: 0,1-0,5 kv/m Gewitter-Feldstärken: 3-20 kv/m Natürliche elektrische Felder

12 Physiologie

13 Biologische Wirkungen elektrischer Felder: Die Normalkomponente des Verschiebungsstromes muss an der Oberfläche des menschlichen Körpers stetig bleiben Für ein einfaches Ellipsoidmodell des Körpers ergibt sich folgende Beziehung zwischen der ungestörten externen elektrischen Feldstärke E 0 und der dadurch im Körpergewebe hervorgerufenen elektrischen Feldstärke E i bzw. der Stromdichte J: E 0 k 2 0 f E i J Aus obiger Gleichung ergibt sich für statische elektrische Felder (f=0), dass die elektrische Feldstärke im Gewebe E i immer Null ist, unabhängig von der Höhe des externen statischen elektrischen Feldes E 0 Das externe elektrische Feld bricht an der Oberfläche des menschlichen Körpers vollständig zusammen; das Körperinnere ist vor jeder Wirkung des externen statischen elektrischen Feldes abgeschirmt Physiologie

14 Biologische Wirkungen elektrischer Felder: Direkte Wirkungen statischer elektrischer Felder sind ohne Belang Mittelbare Wirkungen (Berührungsspannungen, -ströme beim Berühren von leitfähigen im Feld befindlichen Objekten) müssen jedoch berücksichtigt und ggf. begrenzt werden Physiologie

15 Biologische Wirkungen magnetischer Felder: Der Zusammenhang zwischen der elektrischen Feldstärke im Körpergewebe E i und der externen magnetischen Flussdichte B wird durch das Farady sche Induktionsgesetz beschrieben: E i dl d dt B A d Die linke Seite der Gleichung beschreibt das Wegintegral über eine geschlossene Kurve und die rechte Seite die zeitliche Ableitung des Flächenintegrals der Normalkomponente der magnetischen Induktion Ergebnis ist das mittlere elektrische Feld im Körpergewebe in der gesamten Schleife Physiologie

16 Biologische Wirkungen magnetischer Felder: E i dl d dt B A d Für eine Schleife mit konstanten Abmessungen wird immer dann ein elektrisches Feld im Körpergewebe induziert, wenn sich d das Magnetfeld selbst mit der Zeit ändert: 0 f > 0 dt die Schleife sich in einem Magnetfeld mit einem räumlichen Gradienten bewegt die relative Orientierung zwischen Schleife und Feldvektor sich verändert Physiologie

17 Physiologie Externe elektrische und magnetische Felder können im Gewebe des menschlichen Körpers elektrische Gewebefeldstärken erzeugen Diese (niederfrequenten) elektrischen Gewebefeldstärken können körpereigene elektrische Signale überlagern und bei entsprechender Stärke die Funktion von Sinnes-, Nerven- und Muskelzellen sowie die Herzaktion stören Damit eine solche (unerwünschte) Wirkung auftritt, muss ein Schwellenwert überschritten werden Alles oder Nichts -Prinzip Wird der Schwellenwert nicht überschritten, tritt auch keine Wirkung auf Gilt auch für beliebig lange Aufenthaltszeiten Physiologie

18 Physiologie Lage der Schwelle ist durch genaue Körper-, Zell-, Membran- und Molekülmodelle sehr genau bekannt Physiologie

19 Physiologie Lage der Schwelle ist durch genaue Körper-, Zell-, Membran- und Molekülmodelle sehr genau bekannt + E M 10 nm - Physiologie

20 Physiologie Diese Erkenntnisse stellen die Grundlagen für die Festlegung von Basiswerten dar Körperinterne Größen werden anschließend mit Hilfe physikalischer Modelle und feldtheoretischer Berechnungen in direkt messbare externe Feldgrößen umgerechnet (abgeleitete zulässige Werte) Dabei kommen unterschiedliche Reduktionsfaktoren für und zur Anwendung berufliche Exposition Exposition der Allgemeinbevölkerung Physiologie

21 Basiswerte und abgeleitete zulässige Werte

22 Forschung Studien Politik Basiswerte Physik Feldtheorie - Modelle - Rechnung abgeleitete zulässige Werte Basiswerte und abgeleitete zulässige Werte

23 Festlegung zulässiger Werte Die internationale Kommission zum Schutz vor nicht-ionisierender Strahlung (ICNIRP) gibt im Auftrag der Weltgesundheitsorganisation (WHO) in regelmäßigen Abständen Richtlinien zur Begrenzung der Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern heraus Dazu sichtet und bewertet die ICNIRP Literatur und Studien und erarbeitet auf dieser Basis Empfehlungen sowohl für die Festlegung von Basiswerten als auch von abgeleiteten zulässigen Werten Das letzte ICNIRP-Dokument für statische magnetische Felder aus dem Jahre 2009 legt für die Allgemeinbevölkerung folgenden Expositionsgrenzwert fest: Frequenz Spitzenwert der magnetischen Flussdichte 0 Hz 400 mt Basiswerte und abgeleitete zulässige Werte

24 Festlegung zulässiger Werte Für statische elektrische Felder wird kein Expositionsgrenzwert festgelegt, da keine direkten Feldwirkungen auftreten (können) und sich die indirekten Feldwirkungen auf die Feldwahrnehmung (Sträuben der Haare) und das evtl. Auftreten von Mikroschocks begrenzen [EHC 232: Static Fields. Geneva: WHO, 2006] Die ICNIRP-Dokumente sind die Basis vieler europäischer und weltweiter Grenzwertfestlegungen Auch die 26. Verordnung zum Bundes-Immissionschutzgesetz (26. BImSchV) beruht im Wesentlichen auf den Basiswerten und abgeleiteten zulässigen Werten der ICNIRP Basiswerte und abgeleitete zulässige Werte

25 Deutschland 26. BImSchV In der Sechsundzwanzigsten Verordnung zur Durchführung des Bundes- Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über elektromagnetische Felder BImSchV) in der Fassung der Bekanntmachung vom 14. August 2013 werden folgende Grenzwerte festgelegt: Frequenz elektrischen Feldstärke Effektivwert der magnetischen Flussdichte 0 Hz µt Gesetzliche Regelungen

26 Deutschland 26. BImSchV Gleichstromanlagen ( ) sind so zu betreiben, dass sie in ihrem Einwirkungsbereich an Orten, die zum dauerhaften oder vorübergehenden Aufenthalt von Menschen bestimmt sind, bei höchster betrieblicher Anlagenauslastung der ( ) genannte Grenzwert der magnetischen Flussdichte nicht überschritten wird, sowie Wirkungen wie Funkenentladungen auch zwischen Personen und Objekten, die zu erheblichen Belästigungen oder Schädigungen führen können, vermieden werden Gesetzliche Regelungen

27 Europa Ratsempfehlung 1999/5/EG Die Empfehlung des europäischen Rates 1999/5/EG legt folgende zulässige Werte für die allgemeine Bevölkerung fest: Frequenz elektrischen Feldstärke Effektivwert der magnetischen Flussdichte 0-1 Hz - 40 mt Frequenz Effektivwert des maximal zulässigen Berührungsstromes 0 Hz - 2,5 khz 0,5 ma Gesetzliche Regelungen

28 Diskussionspunkte in Verbindung mit HGÜ-Freileitungen

29 Elektrische und magnetische Gleichfelder

30 Literaturstudien SSK (2013): Biologische Effekte der Emission von Hochspannungs-Gleichstromübertragungsleitungen (HGÜ) Elektrische Gleichfelder können nicht in das Körperinnere eindringen und daher dort keine gesundheitlichen Beeinträchtigungen hervorrufen ( ). Wirkungen an der Körperoberfläche, z.b. Kraftwirkungen auf Haare oder Mikroentladungen sowie indirekte Wirkungen von Funkenentladungen auf oder von Objekten sind jedoch bei elektrischen Feldstärken nachgewiesen, wie sie unter HGÜ-Leitungen zu erwarten sind Die Strahlenschutzkommission kommt zum Schluss, dass auch nach Bewertung der neueren wissenschaftlichen Literatur durch die bei HGÜ-Leitungen anzunehmenden magnetischen Gleichfelder keine direkten gesundheitlich relevanten Auswirkungen auf die Allgemeinbevölkerung zu erwarten sind. Die Expositionen gegenüber magnetischen Gleichfeldern liegen selbst direkt in Trassenmitte im Bereich der in der Natur und in der Wohnumwelt auftretenden Werte. Die maximal zu erwartenden magnetischen Flussdichten liegen somit um Größenordnungen unterhalb der bestehenden internationalen Grenzwertempfehlungen für die Allgemeinbevölkerung von 400 mt (ICNIRP 2009) bzw. 40 mt (EU Rat 1999). Forschung

31 Literaturstudien SSK (2013): Biologische Effekte der Emission von Hochspannungs-Gleichstromübertragungsleitungen (HGÜ) Indirekte Wirkungen bei Herzschrittmacherpatienten durch Umschaltung des Implantats in den festfrequenten Überprüfungsmode sind unter HGÜ-Leitungen nicht zu erwarten, weil die magnetischen Immissionen mit großem Abstand unter der Immunitätsschwelle von 500 µt bleiben (DIN 2003). Forschung

32 Aerosole und Korona-Ionen

33 Literaturstudien Henshaw (1996) stellt die Hypothese auf, dass geladene Aerosole oder Partikel eine größere Lungengängigkeit besitzen als nicht geladene Partikel Fews (1999) und klinische Anwendungen scheinen dies zu bestätigen, jedoch sind dafür sehr hohe Ionen- und Aerosolkonzentrationen und kurze Inhalationswege erforderlich Trotzdem werden die meisten Partikel bereits in den oberen Atemwegen abgeschieden Entsprechende Ionenkonzentrationen treten im Bereich von HGÜ-Freileitungen außer in unmittelbarer Nähe der Teilentladungsstelle nicht auf, so dass die Hypothese durch diese Befunde nicht gestützt wird Außerdem besitzt der von Henshaw gewählte Raumladungsansatz zur Untermauerung seiner Hypothese im Bronchialbereich keine Gültigkeit mehr Forschung

34 Literaturstudien Fews (1999) stellt die Hypothese auf, dass durch Freileitungen eine großräumige Modulation des natürlichen elektrischen Feldes verursacht werden kann Allerdings erfüllen die vorgestellten Messungen nicht die selbst definierten Kriterien, was die Vermutung nahe legt, dass der hypothetische Effekt nicht vorhanden oder durch andere Einflussgrößen maßgeblich beeinflusst oder überdeckt wird Es ist allerdings anzumerken, dass in diesem Zusammenhang nur Drehstrom-Freileitungen untersucht wurden und es bei HGÜ-Freileitungen unter Umständen zu ausgeprägteren Raumladungszonen kommen kann Gleichzeitig bleibt die Frage unbeantwortet, ob dieser Modulation des natürlichen elektrischen Gleichfeldes irgendeine (gesundheitliche) Bedeutung zukommt Forschung

35 Literaturstudien Durch die Meeresbrandung, im Bereich von Wasserfällen und Gewitterzellen sowie durch alle leitfähigen Objekte (Berge, Täler, Bäume, Sträucher, Gebäude, Personen) treten Beeinflussungen des natürlichen elektrischen Gleichfeldes auf, die z.t. weitaus stärker ausfallen können als bei HGÜ-Freileitungen Forschung

36 Literaturstudien 23 Studien am Menschen bezüglich der Wirkung von positiven und negativen Ionen auf die Atemfunktion lassen keine nennenswerten Wirkungen erkennen Insbesondere wird festgestellt, dass die Studien weder einen begünstigenden Effekt von negativen Luft-Ionen auf die Atmung oder eine Erleichterung bei Asthma noch einen schädlichen Effekt von positiven Luft-Ionen auf die Atemfunktion unterstützen Forschung

37 Literaturstudien Eine Case-Control-Studie konnte keine schädlichen Effekte einer 500-kV-HGÜ- Freileitung auf die Nutztierproduktion oder -gesundheit nachweisen, obwohl die Expositionswerte der Tiere unterhalb der Leitung um einen Faktor von 5-30 höher lagen als die Expositionen der Kontroll-Population Forschung

38 Literaturstudien Sowohl der beratende Ausschuss für nicht-ionisierende Strahlung (AGNIR) als auch die Weltgesundheitsorganisation WHO kommen zu dem Schluss, dass es unwahrscheinlich ist, dass Korona-Ionen mehr als einen geringen Einfluss auf die langfristigen Gesundheitsrisiken haben, die von luftverunreinigenden Aerosolen ausgehen und das sogar für Personen, die am stärksten betroffen sind Generell ist anzunehmen, dass ein durch Aerosole in der Umgebung von HGÜ-Freileitungen verursachtes Gesundheitsrisiko wenn es überhaupt existiert so gering ist, dass es von anderen ständig vorhandenen und weitaus stärkeren Einflüssen des täglichen Lebens überdeckt wird und somit keine spezifischen Wirkungen nachzuweisen sind Forschung

39 Mikroentladungen

40 Literaturstudien Daten zur Beschreibung der Wirkungen von Mikroentladungen sind seit langem gut bekannt Die physiologische Wirkung hängt weitgehend vom Ort und der Größe der Kontaktfläche, z.b. berührenden oder greifenden Kontakt, von der Höhe der Entladungsenergie und der übertragenen Ladung sowie der Amplitude und Frequenz des Dauer-Kontaktstroms ab. Diese Wirkungen können belästigend oder schmerzhaft sein oder können auch lebensbedrohliche Folgen haben Im Allgemeinen kann man zwischen zwei verschiedenen Phasen eines Kontaktstrom- Ereignisses unterscheiden: einem anfänglichen Entladungsstromimpuls, z.b. einer Funkenentladung einem Dauer-Kontaktstrom Forschung

41 Literaturstudien Leider enthalten heutige Personenschutz-Vorschriften (EU-Ratsempfehlung, 26. BImSchV) entweder keine oder nur unvollständige Festlegungen zum Schutz vor Kontaktströmen oder Mikroentladungen Durch technische Maßnahmen, z.b. Erdung, lassen sich unerwünschte Aufladungen von Objekten und damit Kontaktströme und Mikroentladungen vermeiden Bei HGÜ-Freileitungen sind derartige Effekte nur unmittelbar im Bereich der Leitungstrasse und insbesondere bei sehr geringen Luftfeuchtigkeiten zu erwarten Forschung

42 Epiktet: Es sind nicht die Dinge, die uns beunruhigen, sondern die Meinung, die wir von den Dingen haben.

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!