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Elektromagnetische Felder 1996

Einleitung

Seit ihrer Entdeckung hat die Elektrizität das Leben der Menschen grundlegend verändert und ist heute ein unersetzbarer Bestandteil der Zivilisation geworden. Elektrizität kann in jede andere Energieart wie z.B. mechanische Arbeit, Wärme oder Licht konvertiert werden und ist damit universal verwendbar. Die Nutzung elektrischer Energie ist zwangsläufig mit dem Auftreten elektrischer und magnetischer Felder verbunden. Es handelt sich dabei fast ausschließlich um Wechselfelder, da technische Geräte vorwiegend mit Wechselstrom gespeist werden oder ihrerseits Wechselströme produzieren. Beim Wechselstrom ändert sich mit der Polarität des Stromes auch fortwährend die Richtung des Feldes. Die Anzahl der Perioden je Sekunde bezeichnet man als Frequenz, die in der Maßeinheit “Hertz” (Hz) angegeben wird. Ein Überblick des Spektrums elektromagnetischer Felder ist in Abb. 1 dargestellt.

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Abb. 1: Elektromagnetisches Spektrum: Übersicht zur Anwendung und zu den Erscheinungsformen elektromagnetischer Energien aufgetragen über die Frequenz f (bzw. die Wellenlänge Lambda)
Bild: VEÖ 1991

Die Bezeichnung “elektromagnetisches Feld” trifft streng genommen nur auf den Hochfrequenzbereich zu, da Magnetfeld und elektrisches Feld hier untrennbar verbunden sind und sich als elektromagnetische Welle frei im Raum ausbreiten können. Im Niederfrequenzbereich existieren dagegen unabhängig voneinander ein magnetisches und ein elektrisches Feld. Die elektrische Feldstärke wird mit E bezeichnet und in der Einheit V/m bzw. kV/m angegeben. Dargestellt wird das elektrische Feld durch Feldlinien, die senkrecht auf leitenden Körperoberflächen stehen. Jede Geometrie erzeugt ein charakteristisches elektrisches Feld. Als Beispiel sind in Abb. 2 die Feldlinien in der Umgebung eines zweiadrigen Kabels dargestellt.

Abb. 2: Elektrische Feldlinien um ein zweiadriges Kabel
Abb. 2: Elektrische Feldlinien um ein zweiadriges Kabel
Bild: Umweltatlas Berlin

Die magnetische Feldstärke H wird in Ampere pro Meter (A/m), die magnetische Flussdichte B wird in der Einheit T (“Tesla”) angegeben. Da die magnetischen Flussdichten häufig sehr klein sind, findet im Folgenden überwiegend das Millionstel eines Tesla – ein µT – Verwendung. Die magnetischen Feldlinien verlaufen kreisförmig um den Leiter (vgl. Abb. 3).

Abb. 3: Magnetisches Wirbelfeld B um einen vom Strom I durchflossenen Leiter
Abb. 3: Magnetisches Wirbelfeld B um einen vom Strom I durchflossenen Leiter
Bild: Umweltatlas Berlin

Elektrische und magnetische Felder breiten sich immer von einer Quelle ausgehend in den Raum aus. Das elektrische Feld ist ein Quellenfeld, das zwischen getrennten Ladungen (Batterie, Steckdose) auftritt. Das magnetische Feld ist ein Wirbelfeld, das nur auftritt wenn Ladungen bewegt werden, das heißt ein Strom fließt. An jedem unter Spannung stehenden Leiter existiert also ein elektrisches Feld, das magnetische Feld entsteht aber erst wenn ein Strom fließt, das heißt z.B. eine Lampe eingeschaltet ist.

Die Feldstärken nehmen mit zunehmendem Abstand von der Quelle sehr rasch ab.

Natürliche Felder

Statische elektrische und magnetische Felder (Gleichfelder) von nennenswerter Feldstärke hat es schon immer auf der Erde gegeben.

Abb. 4: Natürliche elektrische und magnetische Gleichfelder
Abb. 4: Natürliche elektrische und magnetische Gleichfelder
Bild: Umweltatlas Berlin

Luftbewegungen in der Atmosphäre sowie die ionisierende Wirkung kosmischer Strahlung in den höheren Luftschichten (Ionosphäre) erzeugen ein elektrisches Gleichfeld zwischen Erdoberfläche und Ionosphäre. Unter normalen Wetterbedingungen beträgt die Feldstärke in Bodennähe 100-500 V/m, während diese bei Gewitteraktivität bis auf über 20 000 V/m (20 kV/m) ansteigen kann. Wechselfeldanteile bei Frequenzen, wie sie in der Energieversorgung Verwendung finden, treten praktisch nicht auf. Die natürliche Hintergrundfeldstärke bei 50 Hz beträgt lediglich 0,1 mV/m.

Das statische magnetische Feld ist von seiner Wirkung auf eine Kompassnadel bekannt. Es ist zeitlich nahezu konstant und beträgt in Deutschland ca. 42 µT. Ursache des Gleichfeldes sind Kreisströme im Erdinneren. Extrem hohe Feldstärken können in der Nähe von Blitzen auftreten (bis zu 1 T, was zu Herzstillstand beim Menschen führen kann). Geringe Schwankungen der Flussdichte werden durch den Sonnenwind hervorgerufen, dessen geladene Teilchenströme das Erdmagnetfeld deformieren. Weiterhin existieren hochfrequente Komponenten des magnetischen Feldes, als Auswirkung der globalen Gewitteraktivität. Diese sind jedoch derart gering, dass bei 50 Hz nur ein Wechselfeldanteil von 10-6 µT vorliegt (WHO 1984).

Technische Felder

Im niederfrequenten Bereich sind die technischen Feldquellen häufig erheblich stärker als die in der Umwelt natürlich auftretenden Felder. Es handelt sich dabei überwiegend um Energieversorgungseinrichtungen, die zur Erzeugung und zur Verteilung elektrischer Energie dienen bzw. um die technischen Verbraucher selbst. Hierzu gehören industrielle Anlagen, private Installationen und Verbraucher (z.B. Haushaltsgeräte) sowie öffentliche Transportsysteme (z.B. U-Bahn, Fernbahn).

Zusätzlich zu den Feldimmissionen großtechnischer Anlagen ist der Mensch heute im Haushalt und an Arbeitsplätzen von einer Vielzahl von Quellen elektrischer und magnetischer Felder umgeben, deren Feldanteile sich summieren und deren Feldstärken die der zuvor genannten Anlagen übertreffen können. Die Feldstärke ist dabei ganz wesentlich von der Entfernung zum Gerät abhängig sowie von dessen technischer Ausführung, welche für die große Streuung des Wertebereichs einzelner Gerätetypen verantwortlich ist. In der Legende der Karte sind bereits die Feldstärken von Elektrogeräten im üblichen Gebrauchsabstand aufgelistet (“Repräsentative Werte magnetischer Flussdichten von Haushaltsgeräten in unterschiedlichen Abständen”). Der Vergleich mit den in der Karte eingetragenen Feldstärken von Hochspannungsfreileitungen zeigt, dass die Feldstärken an gewöhnlichen Haushaltsgeräten tatsächlich häufig höher liegen.

Biologische Wirkungen

Unter dem Schlagwort “Elektrosmog” sind die technischen Feldemissionen in den letzten Jahren in das Interesse der breiten Öffentlichkeit gerückt. Über die möglichen Wirkungen elektromagnetischer Felder wurden weltweit zahlreiche Untersuchungen an Menschen, Tieren, Pflanzen bzw. Zell- und Gewebekulturen, sowie eine Reihe großer epidemiologischer Studien durchgeführt. Die Wirkungen von elektromagnetischen Feldern hängen im allgemeinen von der Frequenz und der Intensität, aber auch von individuellen Eigenschaften wie zum Beispiel die Körpergröße oder der Ausrichtung zum Feld ab.

Weitgehend abgesichert sind die auf Reizströmen (Abb. 5) basierenden Effekte hoher und mittlerer Feldstärken, welche die Basis der heutigen Grenzwerte für den Personenschutz bilden.

Abb. 5: Schematische Verteilung der induzierten Wirbelströme bei longitudinaler und transversaler Orientierung des Magnetfeldes zum Körper
Abb. 5: Schematische Verteilung der induzierten Wirbelströme bei longitudinaler und transversaler Orientierung des Magnetfeldes zum Körper
Bild: SSK 1990

Ein äußeres magnetisches Feld induziert Wirbelströme im menschlichen Körper, deren Kreisebene senkrecht zur Feldrichtung steht. Analog erzeugt ein elektrisches Feld in Feldrichtung orientierte Ströme im menschlichen Körper, die z.B. unter einer Hochspannungsfreileitung vom Kopf zu den Füßen – und umgekehrt – fließen (Wechselfeld!). Diese feldinduzierten Ströme werden in niederfrequenten Feldern als überwiegende Ursache für biologische Effekte angesehen. Ab bestimmten Schwellwerten erzeugen die Induktionsströme ebenso wie direkte Körperströme eine Reizwirkung, die den Organismus schädigen können.

Tab. 1: Biologische Wirkungen verschiedener Stromdichtebereiche bei 50 Hz
Tab. 1: Biologische Wirkungen verschiedener Stromdichtebereiche bei 50 Hz
Bild: nach Bernhardt 1990

Obwohl empfindliche Personen elektrische Felder bereits ab 1 kV/m wahrnehmen können, sei es durch die Vibration von Körperhaaren oder aufgrund der Entladung von leitenden Gegenständen über den menschlichen Körper, sind ernsthafte Gesundheitsschäden auch bei langfristiger Einwirkung nicht bekannt. Mittelbare Wirkungen auf elektronische Implantate, z.B. auf selten verwendete Typen von unipolaren Herzschrittmachern können zwar ab Feldstärken von 2,5 kV/m bzw. 20 µT auftreten, das Entstehen lebensgefährlicher Situationen ist jedoch sehr unwahrscheinlich. Es kommt aber mitunter zu unangenehmen “Stolper-Rhythmen”, weshalb die Betroffenen starke Felder meiden sollten (BfS 1994).

In der wissenschaftlichen Literatur findet sich ebenfalls eine Vielzahl epidemiologischer Studien, bezüglich eines möglichen Zusammenhangs zwischen der Feldexposition und dem Krebsrisiko bestimmter Personengruppen. Bislang lieferten die Studien trotz teilweise erheblichen Aufwandes widersprüchliche Ergebnisse. Direkte Vergleiche werden durch abweichende Untersuchungsbedingungen erschwert. Übereinstimmend wird jedoch die Notwendigkeit weiterer Forschungsarbeiten unterstrichen, sowohl in der Epidemiologie als auch im Bereich der Wirkungsmechanismen.

Grenz- und Richtwerte

Auf Grundlage der ermittelten Effekte und Wirkungen wurden von verschiedenen nationalen und internationalen Organisationen für unterschiedliche Frequenz- und Expositionsbereiche Richt- und Grenzwerte erlassen. Neben den Grenzwerten für die direkte Feldeinwirkung (V/m, A/m) bei Berufstätigen und der Bevölkerung gibt es weiterhin noch Grenzwerte für indirekte Feldeinwirkungen, Herzschrittmacher, Sender kleiner Leistung, Teilkörperexposition, Kurzzeitexposition, gepulste Strahlung usw.

Aufgrund unterschiedlicher Schutzkonzepte für die verschiedenen Bevölkerungsgruppen sind die meisten Grenz- und Richtwerte nur bedingt miteinander vergleichbar.

Der Arbeitskreis Nichtionisierende Strahlung – International Comittee on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) – der internationalen Strahlenschutzorganisation – International Radiation Protection Association (IRPA) – definiert eine maximal zulässige Körperstromdichte von 10 mA/m2 (INIRC/IRPA 1990), die sich an den im Körper vorhandenen physiologischen Stromdichten orientiert. Akute Gefahren für die Gesundheit durch die Störung von Nerven-, Muskel- und Herzfunktionen treten erst bei dem 10 bis 100-fachen dieses Wertes auf (siehe Tab. 1).

Zur Vorsorge für die allgemeine Bevölkerung empfiehlt IRPA/ICNIRP eine weitere Reduktion um den Faktor 5, woraus eine Körperstromdichte von 2 mA/m2 resultiert.

26. BImSchV

Zum Schutze der Allgemeinheit und der Nachbarschaft vor schädlichen Umwelteinwirkungen leiten sich aus diesem Basis-Vorsorgewert für die äußeren elektrischen und magnetischen Feldstärken bei einer Frequenz von 50 Hz die Grenzwerte ab, die seit dem 01.01.1997 in Deutschland durch die 26. Verordnung zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (26. BImSchV 1996) gesetzlich bindend sind. Die Grenzwerte für Niederfrequenzanlagen – im Sinne der Verordnung determiniert als “ortsfeste Anlagen zur Umspannung und Fortleitung von Elektrizität einer Spannung von 1000 Volt oder mehr” – sind:

Tab. 2: Grenzwerte der 26. BImSchV für ortsfeste Niederfrequenzanlagen
Tab. 2: Grenzwerte der 26. BImSchV für ortsfeste Niederfrequenzanlagen
Bild: Umweltatlas Berlin

Zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen sind Freileitungen, Erdkabel, Bahnstromoberleitungen und Elektroumspannanlagen so zu errichten und zu betreiben, dass in ihrem Einwirkbereich in Gebäuden und auf Grundstücken, die nicht nur zum vorübergehenden Aufenthalt von Menschen bestimmt sind, bei höchster betrieblicher Anlagenauslastung und unter Berücksichtigung von Immissionen durch andere Niederfrequenzanlagen die Grenzwerte der elektrischen Feldstärke und magnetischen Flussdichte nicht überschritten werden.

Unter bestimmten Bedingungen darf hiervon abweichend die magnetische Flussdichte kurzzeitig und die elektrische Feldstärke kleinräumig die Werte um 100 % überschreiten. “Zum Zwecke der Vorsorge haben bei der Errichtung oder wesentlichen Änderungen von Niederfrequenzanlagen in der Nähe von Wohnungen, Krankenhäusern, Schulen, Kindergärten, Kinderhorten, Spielplätzen oder ähnlichen Einrichtungen in diesen Gebäuden oder auf diesen Grundstücken” auch die maximalen Effektivwerte den Grenzwerten zu entsprechen. Das Land Berlin empfiehlt darüber hinaus, die Grenzwerte nicht auszuschöpfen, und insbesondere bei Planungen im Rahmen der Möglichkeiten eine Reduzierung der Werte in den besonders genannten Bereichen auf 10 von Hundert. Diese Empfehlungen stützen sich auf in der 26. BImSchV nicht berücksichtigte Wirkungen elektromagnetischer Felder auf elektrisch oder elektronisch betriebene Implantate sowie auf Veröffentlichungen des Bundesamtes für Strahlenschutz (BfS 1994).

Der Geltungsbereich der Grenzwerte erstreckt sich grundsätzlich nur auf die Errichtung oder die wesentliche Änderung von Anlagen. An Anlagen, die vor Inkrafttreten der 26. BImSchV errichtet wurden, sind die Grenzwerte nach Ablauf von drei Jahren seit Inkrafttreten der Verordnung einzuhalten. Ebenfalls ist zu beachten, dass die Grenzwerte nur in den Bereichen einzuhalten sind, die nicht nur zum vorübergehenden Aufenthalt von Menschen bestimmt sind. Landwirtschaftlich genutzte Flächen oder auch Bahnsteige z. B. sind hiervon ausgenommen. Auf Bahnsteigen halten sich zwar unter Umständen ständig Menschen auf, die maßgebliche Verweildauer des Einzelnen ist aber gering.

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Abb. 6: Anwendungsbereich verschiedener Grenz- und Richtwerte
Bild: Umweltatlas Berlin
(BG = Berufsgenossenschaften, UVV = Unfallverhütungsvorschriften)

Da die Grenzwerte der 26. BImSchV nur bestimmte Anlagen betreffen – insbesondere Anlagen einer Betriebsspannung von 1000 Volt oder mehr – sind in der Praxis häufig zusätzlich die Richtwerte der IRPA/ICNIRP heranzuziehen (Tab. 3), die einen viel umfassenderen Bereich abdecken als die 26. BImSchV (siehe Abb. 6).

Die Richtwerte der IRPA/ICNIRP (ICNIRP/IRPA 1990, 1994, 1998) erfassen sowohl allgemeine Bereiche als auch Arbeitsplätze. Einschränkungen betreffend der Spannungsebene oder des Zeitpunktes der Errichtung einer Anlage gibt es nicht. Die IRPA/ICNIRP erfasst zusätzlich Gleichfelder, die in der Medizin und Industrie eine wichtige Rolle spielen. Die Richtwerte der IRPA/ICNIRP sind jedoch nicht als gesetzlich bindend anzusehen, sondern haben nur den Charakter einer Empfehlung. Sie sind dennoch derart bedeutend, dass der Gesetzgeber die Grenzwerte der 26. BImSchV ausdrücklich an den Richtwerten der IRPA/ICNIRP orientiert hat.

An Arbeitsplätzen, die nicht unter die 26. BImSchV fallen – Arbeitsplätze, an denen bestimmungsgemäß mit einem Auftreten von elektromagnetischen Feldern zu rechnen ist – gelten grundsätzlich die Unfallverhütungsvorschriften (UVV) der Berufsgenossenschaften. Diese sind derzeit in Deutschland in Bearbeitung und werden die bisherigen Empfehlungen der Berufsgenossenschaften (BGF 1995) ersetzen.

Zusammenfassend werden in Tab. 3 noch einmal Grenzwerte und Richtwerte in öffentlichen Bereichen und an Arbeitsplätzen aufgelistet. Der Anwendungsbereich beschränkt sich ausdrücklich auf 50 Hz. Historisch bedingt entstanden dabei am Anfang die Grenzwertempfehlungen des VDE (VDE 0848 1995) und der IRPA für die berufliche Exposition zum Schutz gegen die allgemein anerkannten Wirkungen in starken elektrischen und magnetischen Feldern. Die Differenz in den Grenzfeldstärken der beiden Gremien beruht dabei lediglich auf der Umrechnung derselben primären Basisgrenzwerte in sekundäre Grenzwerte für äußere Felder mittels verschiedener Modellansätze. Die IRPA definierte gleichzeitig auch Grenzwerte für die allgemeine Bevölkerung, die bis zum heutigen Tage Bestand haben, während der VDE versuchte, dies erst in den Änderungen 1-3 der Norm 0848, Teil 4 nachzuholen. Da die VDE als Interessenvereinigung der Elektroindustrie jedoch unzweifelhaft einer gewissen Befangenheit unterliegt, näherten sich die Empfehlungen der VDE niemals eindeutig denen der IRPA und gelangten niemals über das Stadium einer Vornorm hinweg. Folglich sah der Gesetzgeber die Empfehlungen des VDE nicht als maßgeblich an und orientierte die Grenzwerte der 26. BImSchV an den international unumstrittenen Empfehlungen der IRPA. Darüber hinaus existiert im Rahmen der europäischen Harmonisierung ein Grenzwertvorschlag des European Committee for Electrotechnical Standardization (CENELEC). Dieser wird jedoch voraussichtlich nicht von der EG übernommen, sondern durch einen Vorschlag des EG-Ministerrates im Rahmen der Richtlinien zu physikalischen Normen an Arbeitsplätzen ersetzt.

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Tab. 3: Grenz- und Richtwerte elektrischer und magnetischer Felder
Bild: Umweltatlas Berlin
CENELEC – European Committee for Electrotechnical Standardization
IRPA/INIRC – International Non-ionizing Radiation Committee / International Radiation Protection Association; die Arbeit wird fortgesetzt durch die ICNIRP
DIN VDE – Deutsches Institut für Normung e.V., Verband Deutscher Elektrotechniker e.V.
BImSchG – Bundes-Immissionsschutzgesetz