Induced current density evaluation in organs of a human, located in the overhead power lines passage zone

Full Text

Введение Технологический прогресс несет за собой необходимость активного развития и внедрения новых объектов передачи и распределения электрической энергии, что приводит к увеличению общего электромагнитного уровня в диапазоне промышленной частоты (ПЧ) - 50/60 Гц. Наиболее широко встречающимся примером мест превышения предельно допустимых уровней (ПДУ) ПЧ как для производственных условий, так и для окружающей среды, являются санитарно-защитные зоны (СЗЗ) прохождения воздушных линий электропередачи (ВЛ) сверхвысокого напряжения напряжением от 330 до 1150 кВ, где одновременно присутствуют электрические и магнитные поля (ЭП и МП) ПЧ. В настоящее время имеется сравнительно мало научных данных, посвященных комплексному изучению сочетанного влияния ЭП и МП ПЧ на организм человека. В основе биологического действия ЭП и МП ПЧ лежит плотность индуцированных токов внутри органов и тканей тела человека, которая является расчетной нормируемой величиной в А/м²[33]. Учитывая, что как в Российской Федерации, так и во всем мире, основным контролируемым показателем (ПДУ) является напряженность ЭП или МП ПЧ, а плотность индуцированных токов - расчетным показателем за рубежом, представляется целесообразным разработка математической модели оценки плотности индуцированных токов в численном фантоме тела человека на примере условий воздействия ЭП и МП ПЧ в зоне прохождения ВЛ сверхвысокого напряжения на организм человека, а также определение их сочетанного влияния на отдельные органы и ткани тела человека. Полученные данные будут основой для сопоставления отмеченных биологических эффектов с данными из проведенных за последнее десятилетие исследований. Цель исследования - разработка математической модели для оценки плотности индуцированных токов в органах и тканях тела человека, находящегося в зоне прохождения воздушных линий электропередачи. Материалы и методы Объектами исследования были выбраны воздушные линии электропередачи напряжением 500 кВ. Исследование включало проведение измерений уровней ЭП и МП ПЧ на наземных рабочих местах и в пределах границ СЗЗ ВЛ. Измерения напряженностей ЭП и МП ПЧ проводились с использованием измерителей П3-50 (НПО «Доза», Россия) и NARDA EFA-300 (Narda Safety Test Solutions, Германия) с антеннами E-FIELD и B-FIELD. Измерения проводились на высотах 0,5, 1,5 и 1,7 м от поверхности Земли, измеренные значения напряженности ЭП и МП корректировались с учетом максимального годового рабочего напряжения и тока соответственно. Измерения в пределах границ СЗЗ ВЛ осуществлялись по заранее разработанной ФГБНУ НИИ МТ методике. Размещение точек измерений осуществлялось как непосредственно под проекциями проводов крайних и средней фаз, так и между ними, что обеспечивало комплексную картину распределения ЭП и МП в СЗЗ прохождения ВЛ. Для математического моделирования условий воздействия ЭП и МП ПЧ на организм человека использовалось программное обеспечение SEMCAD X Matterhorn v.20 (SPEAG AG, Швейцария). Для оценки плотности индуцированных токов в теле человека в математических моделях применялся гетерогенный численный фантом взрослого человека с заданными диэлектрическими характеристиками 73 тканей и органов для частоты 50 Гц. Результаты и их обсуждение Инструментальные измерения ЭП и МП ПЧ проводились в границах ССЗ воздушных линий электропередачи 500 кВ вблизи подстанций 750 кВ Металлургическая и 750 кВ Белозерская в теплое время года, находящихся в эксплуатации. Проведенные измерения показали наличие превышений ПДУ напряженности ЭП даже для условий производственных воздействий. Для ВЛ 500 кВ, расположенных параллельно друг другу, было проведено 900 измерений в 150 точках. Максимальные уровни ЭП не превысили 2,2 кВ/м, а МП - 4,4 мкТл на границах СЗЗ. Анализ показал, что максимальные уровни ЭП ВЛ 500 кВ превышали нормативы в определенных зонах, а именно наибольшая напряженность ЭП отмечалась до 11,5 кВ/м под проекциями крайних фаз и до 10,2 кВ/м под проекцией средней фазы в области максимального провиса, что более чем в 2 раза превышает установленный норматив для всей рабочей смены[34]. Вблизи опоры максимальное значение не превышало ПДУ и составляло 3,5 кВ/м под проекциями крайних фаз. Измеренные значение индукции МП достигали 12,3 мкТл под проекциями крайних фаз и 11,3 мкТл под проекцией средней фазы в точке максимального провиса линий. Во всех остальных случаях уровни МП не поднимались выше 10 мкТл. Все зарегистрированные значения значительно меньше норматива 100 мкТл на рабочем месте, для населения уровни ЭП и МП ПЧ в таких условиях не нормируются, имеются лишь ПДУ в жилых зданиях, детских, дошкольных, школьных, общеобразовательных учреждениях, общественных зданиях и на территориях жилой застройки. Для последних ПДУ составляют ≤ 1 кВ/м и 10 мкТл, но в этих случаях подразумевается постоянное нахождение человека в зоне воздействия, что нехарактерно для зоны прохождения ВЛ. Схожие данные отмечали и другие исследователи, например, В.Н. Никитина и др. [1], измерившие уровни ЭМП, создаваемые ВЛ напряжением 35, 110 и 220 кВ. Они также зафиксировали наибольшие значения напряженности ЭП в середине пролетов под проводами ВЛ 110 кВ, превышающие ПДУ 1 кВ/м. Также в исследовании A.Z. El Dein с соавт. [2] проходило сравнение ЭП и МП ПЧ на ВЛ 500 кВ под проекцией средней фазы при повышении и понижении высоты проводов. Максимальное МП уменьшалось с 30,852 А/м до 23,432 А/м при увеличении высоты центральной фазы с 18 м до 26 м. Максимальное значение ЭП под центральной фазой достигало 1,2 кВ/м (что идентично уровням в нашем исследования) при высоте центральной фазы 26 м (выше внешних фаз на 4 м), а при высоте центральной фазы 18 м (ниже внешних фаз на 4 м) оно составляло 6,13 кВ/м. В нашем же случае высота центральной фазы у опоры была 27 м, а при максимальном провисе 13 м, а следовательно, разница составила 14 м. Поэтому у нас уровни ЭП под максимальным провисом были больше (8,6 кВ/м). На основании данных измерений в основе математического моделирования использовалась ВЛ 500 кВ с двумя типовыми опорами для имитации прямого пролета с расстоянием 400 метров между ними. Высота опор - 37 м, расщепление каждой фазы на 3 провода. За расчетное пространство модели принималась вся область пролета ВЛ от опоры до следующей опоры для оценки в том числе минимального габарита провиса проводов ВЛ. Для обеспечения корректности расчета устанавливался не только класс напряжения (рабочего напряжения), но и сдвиг фаз крайних проводов для моделирования условий экспозиции на рабочих местах и в местах возможного пребывания населения. Таким образом, была разработана математическая модель электромагнитной обстановки в СЗЗ пролета воздушных линий электропередачи напряжением 500 кВ, основанная на данных, полученных при проведении натурных измерений уровней ЭП ВЛ электропередачи напряжением 500 кВ. Различия в сходимости данных натурных измерений с результатами численного моделирования составили 4 % под провисом и 20 % под опорой (рис. 1), что указывает на адекватность разработанной математической модели электромагнитной обстановки и возможности ее применения для дозиметрической оценки на организм человека. Рис. 1. Напряженность ЭП вблизи 1/2 пролета ВЛ (максимальный провис) на высоте 1,7 м Источник: составлено С.Ю. Перовым, В.С. Орловой, В.В. Журовым. Figure 1. ES voltage near 1/2 of the overhead line span (maximum sag) at a height of 1.7 m Source: compiled by S.Yu. Perov, V.S. Orlova, V.V. Zhurov. Разработанная модель зоны пролета позволила провести расчеты экспозиции ЭП и МП ПЧ с фантомом человека в разных точках (вблизи опоры, под максимальным провисом и на границе СЗЗ для указанного класса напряжения ВЛ[35]. Анализ данных напряженности ЭП модели ВЛ 500 кВ (табл.) показал, что наибольшие индуцированные токи отмечались в тканях и органах нервной системы под проекцией средней фазы с максимальным провисом (напряженность поля 8,6 кВ/м), где максимальный усредненный уровень плотности тока составил 161,5247 мА/м² в спинномозговой жидкости. Похожий результат получили R. Tian с соавт. [6] в вагоне поезда с пассажирами, где напряжение высоковольтных проводов было 25 кВ. Ими был сделан вывод, что максимальная напряженность индуцированного ЭП в теле пассажира возникает в области спинномозговой жидкости с максимальным значением 202,817 мВ/м. К тому же это может свидетельствовать о подтверждении исследования F. Teimori с соавт. [5], которые в своей работе после экспозиции МП интенсивностью 3 мТл в течение 4 ч в день лабораторных крыс на протяжении 10 нед., делают вывод, что воздействие МП частотой 50 Гц может изменять ультраструктуру ткани гиппокампа и усиливать апоптоз в гиппокампе крыс, ссылаясь на исследование H. Lai с соавт. [3], результаты которого показали, что влияние 24- и 48-часового воздействия МП 0,01 мТл, 60 Гц на однонитевые и двунитевые разрывы ДНК в клетках мозга крыс приводит к увеличению апоптоза и некроза в клетках мозга крыс. Также исследователи отмечали, что такое увеличение апоптоза и некроза может быть связано со свободнорадикальными процессами, образующимися под действием фактора, приводящего к разрушению ДНК и гибели нервных клеток. Второй по уровню воздействия ЭП ПЧ (наличию высоких значений индуцированных токов) была зрительная система, где наибольшая плотность тока наблюдалась в стекловидном теле глаза. Это может свидетельствовать о возможном взаимодействии между плотностью тока и палочковидными клетками сетчатки. Также возможными последствиями могут быть мерцающие визуальные ощущения, или магнитофосфены, о чем говорится в недавнем исследовании A. Legros с соавт. [4]. Затем следует эндокринная система, где больше всего страдает гипофиз. Далее - сердечно-сосудистая система, где набольшие уровни индуцированных токов отмечались в венах (рис. 2). Во всех этих случаях уровень плотности индуцированных токов был выше 10 мА/м2 и 2 мА/м2, что составляет максимальные нормируемые уровни по рекомендациям ICNIRP[36] на рабочих местах и в местах возможного пребывания населения соответственно. Средняя плотность тока (мА/м²) в системах органов человека под проекциями ВЛ 500 кВ, модель ЭП Average current density (mA/m²) in human organ systems under projections of 500 kV overhead power lines, model ES Системы органов человека / Human organ systems Максимальный провис / Maximum sag Вблизи опоры / Near the support Проекция средней фазы / Projection of the middle phase Проекция крайней фазы / Projection of the outermost phase 30 м от ВЛ (СЗЗ) / 30 m from overhead line (SPZ) Проекция средней фазы / Projection of the middle phase Проекция крайней фазы / Projection of the outermost phase 30 м от ВЛ (СЗЗ)/ 30 m from overhead line (SPZ) Все системы / All systems 8,7528 2,7545 0,3784 3,5903 1,7238 0,2540 Нервная система / Nervous system 51,1203* 3,6335 1,9109 22,5241* 9,2752 1,0733 Зрительная система / Visual system 5,3668 1,6959 1,3572 2,0296 23,0433* 1,0584 Эндокринная система / Endocrine system 19,2508* 3,6369 0,3241 7,3814 1,4051 0,2423 Сердечно-сосудистая система / Cardiovascular system 10,2560* 3,4732 0,3975 3,7644 0,8273 0,2632 Пищеварительная система / Digestive system 2,7497 2,3378 0,3156 0,7410 1,5305 0,2376 Опорно-двигательная система / Musculoskeletal system 2,9726 2,0003 0,2660 0,8331 0,5492 0,1738 Дыхательная система / Respiratory system 1,8391 2,1594 0,2391 0,2680 0,3365 0,1572 Кожная система / Skin system 1,6641 1,2720 0,1643 0,7544 0,3352 0,1113 Иммунная система / Immune system 2,4980 1,6431 0,2031 0,8935 0,2997 0,1349 Мочевыделительная система / Urinary system 1,0348 1,3437 0,1472 0,1289 0,1939 0,0971 Репродуктивная система / Reproductive system 0,4789 0,6653 0,0655 0,0578 0,0883 0,0428 * - превышение норматива / exceeding the standard. Источник: составлено С.Ю. Перовым, В.С. Орловой, В.В. Журовым. Source: compiled by S.Yu. Perov, V.S. Orlova, V.V. Zhurov. Наибольший средний показатель по всем органам среди всех проекций проводов фаз был под проекцией средней фазы в области максимального провиса, уровень плотности индуцированных токов составлял около 9 мА/м2, что может быть допустимым условием для производственных условий, но не для мест пребывания населения. То же самое можно отметить для условий нахождения человека в точках проекции средней фазы вблизи непосредственно самой опоры, а также проекции крайних фаз под провисом и вблизи опоры, где уровни составили 3,6; 3,4 и 2,2 мА/м2 соответственно. Во всех остальных случаях уровни редко превышали 1 мА/м2. Это же касается и всех полученных данных по модели МП ВЛ 500 кВ. Максимальное значение плотности индуцированного тока МП наблюдалось также в нервной системе в спинномозговой жидкости и спинном мозгу, значения составили 0,1508 и 0,1118 мА/м2 соответственно, что подтверждается результатами натурных измерений, указывающих на отсутствие превышений ПДУ МП даже для населения. 0 мА/м2 0 mА/m2 2 мА/м2 2 mА/m2 5 мА/м2 5 mА/m2 10 мА/м2 10 mА/m2 Изображение выглядит как снимок экрана, Прямоугольник, дизайн, искусство Автоматически созданное описаниеИзображение выглядит как черно-белый, искусство, черный, монохромный Автоматически созданное описание Рис. 2. Плотность индуцированных токов в разрезе органов и тканей фантома человека под проекцией средней фазы под максимальным провисом Источник: фото С.Ю. Перова, В.С. Орловой, В.В. Журова. Figure 2. Density of induced currents in the section of organs and tissues of the human phantom under the projection of the average phase under the maximum sag Source: photo by S.Yu. Perov, V.S. Orlova, V.V. Zhurov. Заключение Разработана и апробирована математическая модель оценки плотности индуцированных токов в органах человека, находящегося в зоне воздействия воздушных линий электропередачи напряжением 500 кВ. Модель показала сходимость с натурными измерениями. Исследование подтвердило наличие превышений ПДУ напряженности ЭП и нормируемых уровней плотности индуцированных токов на рабочих местах и в местах возможного пребывания населения в ряде зон, особенно под проекциями проводов, что свидетельствует о потенциальных рисках для здоровья человека, в частности для нервной, зрительной и эндокринной систем. На основе полученных данных рекомендуется продолжить исследования для оценки долгосрочных эффектов электромагнитного воздействия и использовать предложенную модель для оценки экологических рисков в других зонах прохождения воздушных линий электропередачи, что позволит минимизировать негативное воздействие на окружающую среду и здоровье населения.

About the authors

Sergey Yu. Perov

Izmerov Research Institute of Occupational Health

Email: perov@irioh.ru
ORCID iD: 0000-0002-6903-4327
SPIN-code: 2297-5903

Doctor of Biological Sciences, Head of the Laboratory of Electromagnetic Fields

31 Budyonnogo Prospekt, Moscow, 105275, Russian Federation

Valentina S. Orlova

RUDN University

Email: bte2005@mail.ru
SPIN-code: 8078-0470
Doctor of Biological Sciences, Professor of the Department of Environmental Security and Product Quality Management, Institute of Environmental Engineering 6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Vladimir V. Zhurov

Izmerov Research Institute of Occupational Health; Russian State Social University

Author for correspondence.
Email: vl.jurov@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-9783-1616
SPIN-code: 3922-5071

postgraduate student, Department of Ecology and Environmental Protection Activities, Russian State Social University; Junior Researcher, Izmerov Research Institute of Occupational Health

4 Wilhelma Pika St, Moscow, 129226, Russian Federation; 31 Budyonnogo Prospekt, Moscow, 105275, Russian Federation

References

Supplementary files