VLF И ELF ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ
Michael H. Repacholi
Электрические и магнитные поля сверх низких (ELF) и очень низких (VLF) частот охватывают частотный диапазон до 30 kHz, расположенный над статическими полями (> 0 Hz). Для данной работы ELF определяются как диапазон частот >0 до 300 Hz, а VLF - как диапазон >300 Hz до 30 kHz. В частотном диапазоне >0 до 30 kHz длина волны варьируется от (бесконечности) до 10 km. Поэтому электрические и магнитные поля действуют в большой степени независимо друг от друга и должны рассматриваться по отдельности. Напряженность электрического поля (E) измеряется в вольтах на метр (V/m), напряженность магнитного поля (H) измеряется в амперах на метр (A/m), а плотность магнитного потока (B) измеряется в теслах (T).
Большие споры по поводу возможных вредных для здоровья эффектов от воздействия этих полей возникли среди рабочих, использующих оборудование, функционирующее в этом диапазоне частот. Наиболее распространенной частотой является частота 50-60 Hz, применяющаяся для выработки, распределения и использования электроэнергии. Беспокойство по поводу того, что 50-60 Hz магнитные поля могут быть связаны с ростом случаев рака, подогревалось медицинскими отчетам, распространением ложной информации и продолжающейся научной дискуссией (Рипачоли 1990; Национальный исследовательский Совет (NRC) 1996).
Целью данной статьи является обзор следующих тем:
· Источники, профессии и использование;
· Дозиметрия и измерения;
· Механизм взаимодействия и биологические эффекты;
· Исследования на людях и воздействие на здоровье;
· Меры защиты;
· Стандарты профессиональной экспозиции.
Краткие обзоры этих тем приводятся для информирования рабочих о типах и напряженности полей, создаваемых основными источниками ELF и VLF, биологических эффектах, возможных последствиях для здоровья и современных лимитах экспозиции. Также в статье дается очерк мер предупреждения и защиты от этих частот. Поскольку мониторы (VDUs) используют многие рабочие разных специальностей, то в данной статье они рассматриваются только кратко. Более подробно о них можно прочитать в других статьях Энциклопедии.
С большей частью содержащегося в статье материала можно более подробно ознакомиться в многочисленных обзорах последних лет (ВОЗ (WHO)1984, 1987, 1989, 1993; Международная Ассоциация по защите от излучения (IRPA) 1990; Международная организация труда (ILO) 1993; Национальный Совет по защите от излучения (NRPB) 1992, 1993; Американский Институт инженеров электриков и электронщиков (IEEE) 1991; Грин (Greene) 1992; NRC 1996).
Источники профессиональной экспозиции
Уровни профессиональной экспозиции существенно различаются и сильно зависят от особенностей применения описываемых сверх низких и очень низких частот. Таблица 49.4 дает обзор типичных вариантов применения частот в диапазоне >0 до 30 kHz.
--------------------------------------------------------------------------------
Таблица 49.4 Сферы применения оборудования, работающего в диапазоне >0 to 30 kHz
|
Частота |
Длина волны (km) |
Типичное применение |
|
16.67, 50, 60 Hz |
18,000-5,000 |
Выработка, передача и использование энергии, электролитические процессы, индукционное нагревание, дуговые и ковшовые печи, сварка, транспорт и т.п., любое промышленное, коммерческое, медицинское или исследовательское использование электроэнергии |
|
0.3-3 kHz |
1,000-100 |
Радиовещательные модуляции, медицинское применение, электропечи, индукционное нагревание, закаливание, пайка, плавка, очистка |
|
3-30 kHz |
100-10 |
Линии связи очень дальнего действия, радио, навигация, радиомодуляции, медицинское использование, индукционное нагревание, закаливание, пайка, плавка, очистка, мониторы |
--------------------------------------------------------------------------------
Выработка и распределение электроэнергии
Главными искусственными источниками электрических и магнитных полей частотой 50/60 Hz являются источники, участвующие в выработке и распределении электроэнергии, а также любое оборудование, использующее электроток. Во многих странах большинство этого оборудования работает на энергетической частоте 50 Hz, а в Северной Америке - на частоте 60 Hz. Некоторые системы электропоездов работают на частоте 16.67 Hz.
Высоковольтные (HV) линии передач и подстанции создают сильнейшие электрические поля, воздействию которых могут постоянно подвергаться рабочие. Высота проводника, его геометрическая конфигурация, боковое удаление от линии и напряжение на линии передач являются наиболее важными факторами, которые необходимо учитывать при определении максимальной напряженности электрического поля на уровне земли. При боковой дистанции приблизительно равной удвоенной высоте линии напряженность электрического поля по мере удаления уменьшается почти линейно (Зафанелла и Дено (Zaffanella, Deno) 1978). Внутри зданий, расположенных вблизи высоковольтных линий, напряженность электрического поля, обычно, ниже, чем у невозмущенных полей примерно в 100000 раз в зависимости от конфигурации здания и конструкционных материалов, из которых оно построено.
Напряженность магнитного поля от проходящих вверху линий передач, обычно, относительно низка по сравнению с промышленными устройствами, в которых используются токи высокого напряжения. Работники электропредприятия, работающие на подстанции или обслуживающие действующие линии передач, образуют особую группу, подвергающуюся экспозиции более мощных полей (5 mT и, в некоторых случаях, выше). В отсутствие ферромагнитных материалов линии магнитных полей образуют концентрические круги вокруг проводника. Если не принимать во внимание геометрию проводника, максимальная плотность магнитного потока определяется только величиной силы тока. Магнитное поле под высоковольтной линией передач направлено, в основном, поперек осей линии. Максимальная плотность потока на уровне земли может определяться под центральной линией или под наружными проводниками в зависимости от фазовых отношений между проводниками. Максимальная плотность магнитного потока на уровне земли для стандартного двойного контура 500 kV системы воздушных высоковольтных линий передач составляет примерно 35 mT на килоампер передаваемого тока (Бернхард и Мэттес (Bernhardt, Matthes) 1992). Стандартные значения плотности магнитного потока до 0.05 mT наблюдаются на рабочих местах вблизи воздушных линий передач, на подстанциях и электростанциях, работающих на частотах 16 2/3, 50, или 60 Hz (Краузе (Krause) 1986).
Промышленные технологии
Профессиональная экспозиция магнитным полям происходит преимущественно в результате работы около промышленного оборудования, использующего токи высокой частоты. К подобным устройствам относятся устройства для сварки, очистки электрошлака, нагревания (печи, индукционные нагреватели) и перемешивания.
Обзоры применения индукционных нагревателей в промышленности, выполненные в Канаде (Стачли и Лекер (Stuchly, Lecuyer) 1985), Польше (Аньeльчик (Aniolczyk) 1981), Австралии (Рипачоли, неопубликованные данные) и Швеции (Лувсанд, Оберг и Нильсон (Lцvsund, Oberg, Nilsson) 1982), описывают диапазон плотности магнитного потока на операторских постах как 0.7 
T - 6 mT, в зависимости от используемой частоты и расстояния от машины. В своих исследованиях магнитных полей, создаваемых промышленным электробурильным и сварочным оборудованием, Лувсанд, Оберг и Нильсон (1982) обнаружили, что машины точечной сварки (50 Hz, 15-106 kA) и ковшовые печи (50 Hz, 13-15 kA) создают поля с напряженностью до 10 mT на расстоянии до 1 метра. В Австралии, установка индукционного нагревания, работавшая в диапазоне 50 Hz - 10 kHz создавала в местах работы операторов поля с максимальной напряженностью до 2.5 mT (индукционная печь с частотой 50 Hz). Кроме того, максимальные поля вокруг индукционных нагревателей, работающих на других частотах, имели следующие характеристики: 130
T при 1.8 kHz, 25
T при 2.8 kHz и больше чем 130
T при 9.8 kHz.
Поскольку размеры катушек, создающих магнитные поля, часто малы, то редко возникает сильная экспозиция всего тела. Локальной экспозиции подвергаются, преимущественно, руки. Плотность магнитного потока на руках оператора может достигать 25 mT (Лувсанд и Майлд 1978; Стачли и Лекер 1985). В большинстве случаев плотность потока меньше 1 mT. Напряженность электрического поля около индукционного нагревателя обычно мала.
Рабочие электромеханической индустрии могут подвергаться воздействию высокой напряженности электрических и магнитных полей из-за электрических печей или других устройств, использующих токи высокой частоты. Например, около индукционных печей и промышленных электролитических камер плотность магнитного потока может достигать 50 mT.
Мониторы
Использование видеодисплеев (мониторов) (VDU) или видеотерминалов (VDT) (как их еще называют) увеличивается все возрастающими темпами. Операторы видеотерминалов выражают озабоченность по поводу возможных эффектов, возникающих вследствие эмиссии низкоуровневого излучения. Магнитные поля (частотой 15-125 kHz) напряженностью 0.69 A/m (0.9
T) измерялись для наихудших условий максимальной приближенности к поверхности экрана (Бюро по радиологической гигиене 1981). Этот результат подтверждается многими обзорами (Рой (Roy) и др. 1984; Рипачоли 1985; IRPA 1988). Всесторонняя проверка проведенных измерений и исследования видеотерминалов, выполненные национальными агентствами и отдельными экспертами, привели к выводу о том, то видеотерминалы не испускают излучения, которое могло бы иметь какие-либо последствия для здоровья (Рипачоли 1985; IRPA 1988; ILO 1993a). Нет необходимости проводить постоянные замеры излучения, поскольку, даже в наихудшем случае или в режиме сбоя, уровни эмиссии будут ниже нормативов, установленных любыми международными или национальными стандартами (IRPA 1988).
Подробное описание излучений и обзор соответствующей научной литературы, стандартов и директив содержатся в документе ILO 1993a.
Медицинское применение
Пациенты, страдающие от переломов костей, которые плохо вылечиваются или срастаются, проходили лечение пульсационными магнитными полями (Бассет, Митчел и Гастон (Bassett, Mitchell, Gaston) 1982; Митбрейт и Маньячин (Mitbreit, Manyachin) 1984). Также проводились исследования по применению пульсационных магнитных полей для увеличения скорости заживления ран и регенерации тканей.
Для стимуляции роста костей используются различные приборы, создающие импульсы магнитного поля. Типичным примером является прибор, генерирующий среднюю плотность магнитного потока равную 0.3 mT, максимальную напряженность около 2.5 mT, и индуцирующего максимальную напряженность электрического поля в костях в диапазоне 0.075 - 0.175 V/m (Бассет, Полак (Pawluk) и Пилла (Pilla) 1974). Около поверхности подвергавшейся воздействию конечности прибор генерирует максимальную плотность магнитного потока порядка 1.0 mT, создавая в ткани максимальную плотность ионного потока равную примерно 10 - 100 m
(1 - 10
).
Измерение
Перед началом измерения ELF и VLF полей важно получить как можно больше информации о характеристиках источника и условиях экспозиции. Эта информация необходима для оценки предполагаемой напряженности поля и выбора наиболее подходящего инструментария для наблюдений (Тель (Tell) 1983).
Информация об источнике должна содержать сведения о:
· представленных частотах, в том числе, гармониках
· передаваемой энергии
· поляризации (ориентации E поля)
· характеристиках модуляции (максимальных и средних значениях)
· рабочем цикле, ширине импульса, частоте повторения импульса
· характеристиках антенны, например, усилении, ширине луча, скорости сканирования
Информация об условиях экспозиции должна содержать сведения о:
· расстоянии от источника
· существовании любых объектов рассеивания. Рассеивание плоскими поверхностями может усилить напряженность электрического поля в два раза. Еще большее усиление может возникать из-за изогнутых поверхностей, например, угловых рефлекторов.
Результаты исследований, проведенных среди представителей разных профессий, обобщены в таблице 49.5.
--------------------------------------------------------------------------------
Таблица 49.5 Профессиональные источники экспозиции магнитному полю
|
Источник |
Плотность магнитного потока (mT) |
Расстояние (m) |
|
Видеотерминалы |
|
0.3 |
|
Высоковольтные линии |
До 0.4 |
Под линией |
|
Электростанции |
До 0.27 |
1 |
|
Сварочная дуга (0-50 Hz) |
0.1-5.8 |
0-0.8 |
|
Индукционные нагреватели (50-10 kHz) |
0.9-65 |
0.1-1 |
|
50 Hz Ковшовая печь |
0.2-8 |
0.5-1 |
|
50 Hz Дуговая печь |
Up to 1 |
2 |
|
10 Hz Индукционный размешиватель |
0.2-0.3 |
2 |
|
50 Hz Электрошлаковая сварка |
0.5-1.7 |
0.2-0.9 |
|
Терапевтическое оборудование |
1-16 |
1 |
Источник: Аллен (Allen) 1991; Бернхардт (Bernhardt) 1988; Краузе (Krause) 1986; Лувсанд (Lцvsund), Оберг (Oberg) и Нильсон (Nilsson) 1982; Рипачоли (Repacholi), неопубликованные данные; Стачли (Stuchly) 1986; Стачли и Лекер (Lecuyer) 1985, 1989.
--------------------------------------------------------------------------------
Инструментарий
Инструмент для измерения электрических или магнитных полей состоит из трех основных частей: зонда, подводящих проводов и монитора. Для обеспечения правильности измерений необходимо или желательно, чтобы инструмент имел следующие характеристики:
· Зонд должен реагировать только на электрическое или магнитное поле, а не на оба поля одновременно.
· Зонд не должен вызывать значительного возмущения поля
· Провода от зонда к монитору не должны создавать значительного нарушения поля на зонде или образовывать пару энергии поля.
· Частотная реакция зонда должна охватывать диапазон частот, предназначенных к измерению.
· При использовании в реактивном ближнем поле предпочтительно, чтобы размеры сенсора зонда были меньше, чем одна четвертая длины волны наибольшей представленной в диапазоне частоты.
· Инструмент должен определять среднеквадратическое значение (rms) измеряемых параметров поля.
· Время реакции инструмента должно быть известно. Желательно иметь время реакции равное примерно 1 секунде или меньше, для того, что легко выявлять прерывистые поля.
· Зонд должен реагировать на все компоненты поляризации поля. Эта задача может быть решена либо за счет внутренней изотропической реакции, либо за счет физического вращения зонда по трем ортогональным направлениям.
· Желательными характеристиками инструмента являются надежная защита от перегрузки, работа от батарей, портативность и прочная конструкция.
· Инструменты определяют один или более из следующих параметров: среднюю напряженность электрического поля (V/m) или средний квадрат напряженности электрического поля (Е) 
; среднюю напряженность магнитного поля (Н) (A/m) или средний квадрат напряженности магнитного поля 
.
Наблюдения
Наблюдения обычно проводятся для определения того, меньше ли поля, существующие на рабочем месте, установленных национальными стандартами лимитов. Таким образом, проводящий измерения человек должен быть отлично знаком с этими стандартами.
Наблюдения должны проводиться во всех занятых и доступных местах. Операторы оборудования, над которым проводится наблюдение, и наблюдатель должны находиться настолько далеко от района проверки, насколько это реально. Все обычно присутствующие в районе измерений объекты, которые могут отражать или поглощать энергию, должны находиться на своих местах. Наблюдатель должен принять меры предосторожности против радиочастотных ожогов и шока, особенно около очень мощных низкочастотных систем.
Механизм взаимодействия и биологические эффекты
Механизм взаимодействия
Уникальными механизмами, посредством которых ELF и VLF поля взаимодействуют с биологическими системами, являются:
· Электрические поля, индуцирующие поверхностный заряд на подвергшемся воздействию теле. Это приводит к возникновению внутри тела токов (измеряющихся в m
), величина которых связана с плотностью заряда поверхности. В зависимости от условий экспозиции, размера, формы и положения подвергающегося воздействию поля тела плотность поверхностного заряда может существенно варьироваться. Это приводит к изменчивому, неоднородному распределению токов в теле.
· Магнитные поля также воздействуют на человека, индуцируя электрические поля и токи внутри тела.
· Электрические заряды, индуцированные в проводящем объекте (например, автомобиле), подвергающемся воздействию ELF или VLF электрических полей, могут вызвать прохождение токов сквозь человека, контактирующего с этим объектом.
· Магнитные поля, связанные с проводником (например, проволочной изгородью), вызывают прохождение электрических токов (такой же частоты, что и воздействующее поле) через тело человека, контактирующего с проводником.
· Мгновенные разряды (искры) могут возникать при экспозиции людей или металлических объектов сильному электрическому полю в условиях достаточно большой близости к нему.
· Электрические или магнитные поля могут интерферировать с имплантированными медицинскими приборами (например, монополярными очагами автоматизма сердца - пейсмекерами).
Первые два взаимодействия, описанные выше, являются примерами прямой связи между людьми и ELF и VLF полями. Последние четыре взаимодействия являются примерами косвенного механизма связи, поскольку они могут происходить, только когда подвергающийся воздействию организм находится вблизи от других тел. Эти (другие) тела могут представлять собой людей или животных, или объекты (например, автомобили, изгороди или имплантанты).
Хотя были сформулированы и другие механизмы взаимодействия биологических тканей и ELF или VLF полей, и имеются некоторые доказательства в поддержку гипотезы их существования (WHO 1993; NRPB 1993; NRC 1996), ни на один из них не была возложена ответственность за вредные последствия этого взаимодействия для здоровья.
Воздействие на здоровье
Данные предполагают, что большинство установленных последствий воздействия электрических и магнитных полей в частотном диапазоне > 0 - 30 kHz возникают в результате острых реакций на поверхностный заряд и плотность индуцированных токов. Люди могут ощущать эффект колебательного поверхностного заряда, индуцированного в их телах ELF электрическими (но не магнитными) полями. Эти эффекты, при достаточной интенсивности, становятся беспокоящими. Обзор последствий прохождения токов через человеческое тело (порогов: ощущения, безразличия или серьезного шока) дан в таблице 49.6.
--------------------------------------------------------------------------------
Таблица 49.6 Результаты воздействия токов, проходящих через человеческое тело
|
Результат |
Объект воздействия |
Пороговый ток в mA | ||||
|
|
|
50 и 60 Hz |
300 Hz |
1000 Hz |
10 kHz |
30 kHz |
|
Восприятие |
Мужчины |
1.1 |
1.3 |
2.2 |
15 |
50 |
|
Пороговый шок прохождения |
Мужчины |
9 |
11.7 |
16.2 |
55 |
126 |
|
Грудное остолбенение; |
Мужчины |
23 |
30 |
41 |
94 |
320 |
Источник: Бернхардт (Bernhardt) 1988a.
--------------------------------------------------------------------------------
Нервные клетки и мышцы человека раздражались токами, индуцированными экспозицией магнитным полям напряженностью несколько микротесл и частотой 1-1.5 kHz. При этом пороговая плотность тока подразумевалась превышающей 1
. Зрительные ощущения мерцания могли индуцироваться в человеческом глазу экспозицией магнитным полям величиной всего 5-10 T (при 20 Hz) или электрическими токами, примененными непосредственно к голове. Рассмотрение этих реакций и результатов нейрофизиологических исследований предполагает, что тонкие функции центральной нервной системы, например, способность к рассуждению или память, могут ухудшаться под воздействием токов плотностью свыше 10 m
(NRPB 1993). Пороговые значения, вероятно, остаются постоянными до частоты приблизительно 1 kHz, и возрастают при дальнейшем ее увеличении.
Несколько исследований на живых организмах (WHO 1993; NRPB 1993) выявили метаболические изменения (например, альтерацию деятельности энзимов и белкового метаболизма, и пониженную цитотоксичность лимфоцитов) в различных клеточных линиях, подвергавшихся воздействию ELF и VLF электрических полей и токов, примененных непосредственно на клеточной культуре. Большинство эффектов наблюдается при плотности тока приблизительно между 10 и 1000 m
, хотя в этом диапазоне реакции определены менее четко (Сенкевич, Сондер и Ковальчук (Sienkiewicz, Saunder, Kowalczuk) 1991). Однако стоит отметить, что эндогенная плотность токов, созданных электрической активностью нервов и мышц, обычно составляет 1 m
и может достигать 10 m
в сердце. Такая плотность тока не оказывает вредного воздействия на нервы, мышцы и другие ткани. Таких биологических эффектов можно избежать путем ограничения плотности индуцированных токов значением, меньше чем 10 m
, при частотах приблизительно до 1 kHz.
Несколько возможных видов биологического взаимодействия, которые могут вызвать многие осложнения со здоровьем, и знания о которых у нас ограничены, включают: возможные изменения ночных уровней мелатонина в шишковидном теле и альтерации в околосуточных ритмах, вызываемые у животных воздействием ELF электрических или магнитных полей; возможные эффекты воздействия ELF магнитных полей на процессы развития и канцерогенеза. Кроме того, есть некоторые доказательства существования биологических реакций на очень слабые электрические и магнитные поля: измененная мобильность ионов кальция в мозговых тканях, изменения в схеме "запуска" нейронов и измененное поведение объекта исследования. Также были описаны как амплитудные, так и частотные "окна", создающие помехи для использования традиционного допущения о том, что значение реакции возрастает при увеличении дозы. Эти эффекты еще не очень хорошо обоснованы и не могут стать основой для разработки ограничений по экспозиции человека. Поэтому оправдана потребность в проведении дальнейших исследований (Сенкевич, Сондер и Ковальчук 1991; ВОЗ 1993; NRC 1996).
Таблица 49.7 приводит данные о приблизительной плотности индуцированных токов для различных биологических эффектов, возникающих у человека.
--------------------------------------------------------------------------------
Таблица 49.7 Примерные диапазоны плотности тока для различных биологических объектов
|
Эффект |
Плотность тока (m |
|
Прямое раздражение нервов и мышц |
|
|
|
1,000-10,000 |
|
Модуляции в деятельности центральной системы |
100-1,000 |
|
Изменения в функции сетчатки |
|
)
Источник: Сенкевич (Sienkiewicz) и др. 1991.
--------------------------------------------------------------------------------
Стандарты профессиональной экспозиции
Почти все стандарты, имеющие ограничения в диапазоне частот > 0-30 kHz, логически обосновывают необходимость удерживания индуцированных электрических полей и токов на безопасных уровнях. Обычно, плотность индуцированного тока ограничивается значением меньше 10 m
. Таблица 49.8 дает обзор некоторых современных лимитов профессиональной экспозиции.
--------------------------------------------------------------------------------
Таблица 49.8 Профессиональные лимиты экспозиции электрическим и магнитным полям в диапазоне частот > 0 – 30 kHz
(обратите внимание, что f измеряется в Hz)
|
Страна/Ссылка |
Диапазон частот |
Электрическое поле (V/m) |
Магнитное поле (A/m) |
|
Международные (IRPA 1990) |
50/60 Hz |
10,000 |
398 |
|
США (IEEE 1991) |
3-30 kHz |
614 |
163 |
|
США (ACGIH 1993) |
1-100 Hz |
25,000 |
60/f |
|
Германия (1996) |
50/60 Hz |
10,000 |
1,600 |
|
Соединеное Королевство |
1-24 Hz |
25,000 |
64,000/f |
/f
/f
--------------------------------------------------------------------------------
Меры защиты
Профессиональная экспозиция, возникающая вблизи высоковольтных линий передач, зависит от расположения рабочего либо на земле, либо на проводнике во время работы на линии под высоким напряжением. При работе в условиях напряжения на линии для уменьшения напряженности электрического поля и плотности токов в теле до значений, аналогичным значениям при работе на земле, может использоваться защитная одежда. Защитная одежда не ослабляет воздействия магнитных полей.
Ответственность за защиту рабочих и населения от потенциально вредных эффектов воздействия ELF и VLF электрических и магнитных полей должна быть четко расписана. Компетентным органам рекомендуется обдумать следующие шаги:
· разработку и принятие лимитов экспозиции, и внедрение программы по их соблюдению
· разработку технических стандартов для сокращения чувствительности к электромагнитной интерференции, например, для пейсмекеров
· разработку стандартов, определяющих зоны с ограниченным вследствие электромагнитной интерференции, доступом в зоны действия источников сильных электрических и магнитных полей (например, для пейсмекеров и других имплантированных устройств). Необходимо продумать применение соответствующих предупреждающих надписей.
· особые требования к работе людей, ответственных за безопасность рабочих и населения на каждом объекте с высокой потенциальной экспозицией
· разработку стандартизованных измерительных процедур и техники наблюдения и контроля
· требования к образованию рабочих в области знаний об эффектах воздействия ELF или VLF электрических и магнитных полей, а также мер и правил, которые разработаны для их защиты
· проектирования директив или кодексов деятельности по обеспечению безопасности рабочих в ELF или VLF электрических и магнитных полях. Документ Международной организации труда (ILO 1993a) является прекрасным руководством по разработке такого кодекса.