Биологическое действие электрических и магнитных полей промышленной частоты (50 Г и.)

Первые исследования влияния на человека электромагнитных полей промышленной частоты (ЭМП ПЧ) были проведены советскими учеными в середине 60-х годов. При изучении состояния здоровья лиц, подвергавшихся воздействиям ЭМП ПЧ при обслуживании подстанций и воздушных линий электропередачи напряжением 220, 330, 400, 500 кВ (оценивали интенсивностно-временные параметры воздействия только электрического поля — ЭП ПЧ), впервые были отмечены жалобы на изменение состояния здоровья, выражавшиеся в расстройстве некоторых физиологических функций. У персонала, обслуживающего подстанции напряжением 500 кВ, появились жалобы неврологического характера (головная боль, повышенная раздражительность, утомляемость, вялость, сонливость), а также жалобы на нарушение деятельности сердечно-сосудистой системы и желудочно-кишечного тракта. Указанные жалобы сопровождались некоторыми функциональными изменениями нервной и сердечно-сосудистой систем в форме вегетативной дисфункции (тахи- или брадикардия, артериальная гипертензия или гипотония, лабильность пульса, гипергидроз). На ЭКГ у отдельных лиц обнаруживались нарушения ритма и частоты сердечных сокращений. Неврологические нарушения проявлялись в повышении сухожильных рефлексов, треморе век и пальцев рук, снижении корреальных рефлексов и асимметрии кожной температуры. Отмечались увеличение времени сенсомоторных реакций, повышение порогов обонятельной чувствительности, снижение памяти, внимания. В ЭКГ наблюдались снижение амплитуды альфа-волн, изменение амплитуды вызванных потенциалов иа световую стимуляцию. По данным ряда авторов, отмечались не резко выраженные изменения состава периферической крови.

В литературе последних лет большое внимание уделяется новому аспекту проблемы — возможному канцерогенному, преимущественно лейкогенному, влиянию производственных и внепроизводственных воздействий ЭМП Г1Ч. При этом основная роль в большинстве исследований отводится крайне низкоинтенсивному магнитному полю либо сочетанию его с электрическим. Эти сведения довольно противоречивы. При эпидемиологических исследованиях производственных контингентов приблизительно в 50 % работ получены данные об увеличении (чаще статистически недостоверном) относительного риска развития лейкемии и опухолей мозга у персонала, обслуживающего электроустановки, генерирующие ЭМГ1 ПЧ.

В эпидемиологических исследованиях по оценке риска развития лейкемий у населения, проживающего вблизи воздушных линий электропередачи и других электроустановок, создающих повышенные, по сравнению с естественными, уровни МП ПЧ, лишь в 20— 30 % случаев отмечается повышение риска развития лейкемий у детей. Поэтому вопрос о возможном неблагоприятном влиянии ЭМП ПЧ на человека остается открытым.

Согласно современным представлениям, по механизму действия ЭМП сверхнизкого частотного диапазона вообще и ЭМП ПЧ в частности основную опасность для организма представляет влияние наведенного электрического тока на возбудимые структуры (нервная, мышечная ткань). Параметром, определяющим степень воздействия, является плотность наведенного в теле тока.

Механизмы, вызывающие ток в теле человека, находящегося в ЭМП Г1Ч, различны для электрического и магнитного полей. Рассмотрим вначале, каким образом возникает ток в теле, если человек находится в электрическом поле промышленной частоты (ЭП ПЧ).

По своим электрическим параметрам тело человека в переменном поле ПЧ следует рассматривать как проводник. Так как размеры тела человека много меньше длины электромагнитной волны на частоте 50 Гц, которая равна X = 6000 км, то поле является квазистатическим, т.е. в любой момент оно совпадает с электростатическом полем.

Рис. 13.1. Расчетные модели тела человека, находящегося в однородном электрическом поле:

а — модель, предложенная профессором П.А Долиным в виде вытянутого проводящего эллипсоида вращения; б — модель в виде осесимметричного проводящего тела (пешка); в — трехмерная модель, разработанная в НИИ постоянного тока (НИИПТ)

Пусть человек, стоящий на земле, находится в равномерном электрическом поле ПЧ. Такое допущение вполне оправдано, так как поле ВЛ или систем шин на территории подстанции вблизи земли слабо отличается от равномерного. На заземленном проводнике, или, что то же самое, на теле человека, электрическое поле будет индуцировать (наводить) электрический заряд. Значение заряда пропорционально напряженности поля и изменяется в фазе с полем, т.е. с частотой 50 Гц. При этом в землю будет стекать ток, равный производной по времени от наведенного заряда:

Из (13.1) следует, что стекающий в землю ток пропорционален частоте и максимальному значению наведенного заряда. Значит, при прочих равных условиях ток через тело человека в поле с частотой 60 Гц (США) будет на 20 % больше, чем в России или европейских странах.

Определению количественных параметров тока через тело человека в ЭП ПЧ посвящено большое количество работ. В СССР профессор П.А. Долин первым предложил в качестве модели тела человека рассматривать половину вытянутого эллипсоида вращения (рис. 13.1, а). Выбор такой модели был обусловлен тем, что задача о поле проводящего эллипсоида имеет теоретическое решение. «Параметры» эллинсоида были приняты следующие: рост — или большая полуось (а) эллипсоида — 1,8 м; малая полуось выбиралась так, чтобы масса тела (половины эллипсоида) была равна 80 кг. Это имеет место при малой полуоси Ь = 0,14 м. При таких параметрах стекающий с эллипсоида в землю ток в поле напряженностью 1 кВ/м при 50 Гц равен 12 мкА.

Впоследствии рассматривались и другие модели тела человека. Так, например, японские ученые использовали модель в виде тела вращения в форме пешки (рис. 13.1, б). Для этой модели были проведены достаточно подробные расчеты, которые выявили определенные расхождения в результатах по сравнению с моделью в форме эллипсоида.

Форма эллипсоида такова, что электрическое поле внутри него является однородным, как это показано на рис. 13.1, а. Напряженность поля внутри эллипсоида может быть легко определена из известного соотношения для нормальных составляющих напряженности на границе раздела тел с различной проницаемостью:

^?1^?0^1 ^{= ?}2^?0^2-

Рассмотрим это соотношение подробно. Пусть поле вне человека имеет индекс 2, а внутри — индекс 1. Человек находится в воздухе, относительная проницаемость которого практически равна единице. Тело человека имеет проводимость и проницаемость. Комплексная диэлектрическая проницаемость в относительных единицах для этого случая записывается в виде

где у — удельная проводимость тела человека. Значение е, в технической литературе считается равным примерно проницаемости воды, т.е. ?] « 80.

С учетом того что проводимость мягких тканей тела человека

-12

равна примерно 1 См, а е₀ = 8,85 • 10 Ф/м на частоте 50 Гц (со = = 314 с '), получим

а соотношение напряженностей внутри и вне тела человека

Отметим, что (13.3) записано для модулей, поскольку напряженности внутри и вне тела сдвинуты по фазе на 90 электрических градусов, как это следует из непрерывности электрического тока.

Проводимость мягких тканей тела человека изменяется примерно от 0,1 до 1 См/м. Поэтому напряженность поля внутри тела будет примерно

Пусть напряженность Е₂ — это максимальная напряженность поля на поверхности тела, грубо говоря — «на макушке». На рис. 13.1, а эта точка лежит на оси симметрии. Эллипсоид вращения с принятыми значениями полуосей (а = 1,8 м, Ь = 0,14 м) искажает поле так, что на оси симметрии напряженность поля на его поверхности усиливается по сравнению с напряженностью внешнего поля примерно в 71 раз, или

где Е₀ — напряженность внешнего однородного поля. С учетом этого имеем

Возникает вопрос: соотношение (13.5) справедливо для любой модели тела или нет? Ответ на этот вопрос отрицательный, поскольку коэффициент 71 в (13.4) зависит от геометрической формы модели и он будет разным для моделей, представленных на рис. 13.1, а, б и в.

Правильной формулой является (13.3), но для ее применения необходимо провести расчет поля и определить Е₂.

Такие расчеты были выполнены для модели на рис. 13.1, б. В результате получено, что Е-, = 18,6?₀. Кроме того, было рассчитано распределение напряженности по всей поверхности модели.

Плотность тока смещения равна J - г₀шЕ. Полный ток, «втекающий» в площадку 5 на поверхности модели, равен

/₅ = г₀оз?5.

Для расчета полного тока, протекающего через сечение модели, площадь которого параллельна поверхности земли, следует просуммировать все токи, втекающие в модель выше рассматриваемого сечения ?. Таким образом можно рассчитать зависимость полного тока через сечение модели в зависимости от высоты этого сечения над землей. Также можно получить значения средней по сечению плотности тока в зависимости от высоты. Результаты этих расчетов представлены на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Распределение плотности тока (/) и среднего тока (2) по сечению модели, приведенной на рис. 13.1, б

На рис. 13.2 сплошная линия представляет зависимость средней по сечению тела плотности тока от высоты. Плотность тока определялась делением суммы токов смещения, втекающих в модель тела па высотах до текущей высоты, на площадь сечения тела на данной высоте. Поясним ход этой зависимости с учетом того, что высота модели была равна 170 см. На участке до 150 см (на «голове») напряженность достаточно большая и плотность тока постепенно увеличивается. Далее имеет место резкое увеличение плотности тока, что объясняется уменьшением сечения модели в области «шеи». Затем, поскольку сечение «туловища» много больше сечения «шеи», плотность тока уменьшается, но так как ток смещения «втекает» в «туловище», то па участке примерно от 135 до 9 см средняя плотность тока по сечению возрастает. Наибольшее значение средняя плотность тока достигает на высоте 9 см, которая соответствует наименьшему сечению модели. Это место находится примерно па уровне щиколотки.

Пунктирная кривая является зависимостью втекающего в модель полного тока смещения от высоты. Она вполне понятна из общих физических соображений. Отметим только, что через «шею» модели протекает около 30 % полного тока, а через сечение на высоте сердца — около 60 %.

Безусловно, приведенные кривые могут рассматриваться только с качественной стороны, как иллюстрации, поясняющие физическую сторону дела. Это объясняется использованием сугубо упрощенной модели и тем, что стараться получить точную картину распределения токов в теле человека очень сложно.

Несмотря на приближенный характер приведенных результатов, они показывают, что поле внутри тела человека сильно отличается от равномерного и имеет сложную структуру.

Более реалистичная (т.е. более приближенная к реальной геометрии) модель была разработана в НИИПТ (г. Санкт-Петербург). Она изображена на рис. 13.1, в и представляет собой соединение нескольких тел, из которых можно строить модели человека в разных позах. Для такой модели получено, что полный стекающий в землю ток на частоте 50 Гц равен 15,8 мкА при напряженности внешнего однородного поля 1 кВ/м.

Кроме расчетов для моделей различной формы проводились исследования на макетах тела человека, выполненных в натуральную величину с соблюдением его анатомического строения. Так, например, сотрудниками фирмы ОРГРЭС было получено, что напряженность поля на поверхности макета значительно превышает напряженность внешнего поля: на темени — в 15 раз, на поверхности плеча — в 10,4 раза, на поверхности груди — в 5,8 раза, на ягодицах — в 2,1 раза и т.д. Эксперименты проводились с макетом ростом 174 см, находившимся в поле напряженностью 5 кВ/см.

В общем случае полный стекающий в землю ток пропорционален напряженности внешнего поля и зависит от формы тела человека (позы). Если условно принять, что тела людей геометрически подобны, то стекающий ток будет пропорционален квадрату полного роста.

Токи, индуцированные в теле человека магнитным переменным полем, протекают по совершенно другим путям, чем токи, созданные ЭП ПЧ. Для пояснения этого факта рассмотрим простейшую модель (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Расчетная модель, иллюстрирующая распределение плотности вихревого тока, индуцированного переменным магнитным полем

Модель представляет собой проводящий цилиндр, расположенный в однородном магнитном поле напряженностью Я. Вектор напряженности параллелен оси цилиндра. Плотность тока, индуцированного переменным магнитным полем в сечении цилиндра, в первом приближении пропорциональна текущему радиусу и может быть определена из следующей формулы:

где у — проводимость цилиндра; г — текущий радиус; / — частота.

При всей примитивности этой модели она дает вполне надежные результаты по порядку значений. Так, например, для промышленной частоты и Н - 80 А/м, проводимости у = 0,1 см/м и радиусе г - 0,2 м

2

получим значение плотности тока J = 0,03 мкА/см .

Достаточно близкие к этим цифрам результаты были получены в работе французских авторов, которые провели численное моделирование тела человека с полным учетом всех анатомических подробностей его строения. При этом также учитывались изменения ориентации поля по отношению к модели человека.

Приведем основные результаты: в поле ПЧ напряженностью

• 2
• 80 А/м максимальная плотность тока в теле достигает 0,2 мкА/см
• 2

при среднем значении 0,015 мкА/см .

Известны также некоторые экспериментальные результаты, полученные при движении людей в переменном поле ПЧ. Так, при езде

2

в автомобиле измеренная плотность тока достигала 5 мкА/м , а на

2

велосипеде — 1 мкА/см .

Зависимость биоэффектов от плотности наведенных ЭГ1 и МП ПЧ токов положена в основу разработанных по заданию ВОЗ междуна-

Таблица 13.1

Характеристики воздействии электрического тока

родных временных рекомендаций по предельно допустимому уровню (ПДУ) ЭП и МП ПЧ 50/60 Гц. Эта зависимость представлена в табл. 13.1.

Сопоставляя данные о значениях токов в организме человека, созданных ЭМП Г1Ч, с данными табл. 13.1, легко сделать вывод, что ЭМП ПЧ могут представлять опасность для здоровья людей.