Inhaltsspalte

Elektromagnetische Felder 1996

Methode

Elektrische und magnetische Felder sind durch starke räumliche Variation und schnelle zeitliche Schwankungen gekennzeichnet. Die zeitlichen Schwankungen betreffen vor allem das Magnetfeld, welches sich proportional zum Stromfluss verhält und jede Substanz – mit Ausnahme ferromagnetischer bzw. leitender Materialien – unverändert durchdringt. Das elektrische Feld wird dagegen in der Umgebung von Bebauung und Bewuchs stark verzerrt, wobei diesen Objekten im Allgemeinen eine abschirmende Wirkung zukommt.

Bei der Ermittlung der dargestellten Werte kamen verschiedene Methoden zum Einsatz. Diese beruhen zum einen auf reinen Messungen oder Berechnungen sowie andererseits auf einer Kombination aus Messung und Berechnung.

Messungen

Die Messungen dienten grundsätzlich nur der Typisierung von Objekten (Netzstationen, 1-kV-Kabel etc.) und der Normierung von Berechnungsdaten (z.B. auf Fahrströme der Bahn), da Messungen zwar den exakten Feldzustand beschreiben, aber nur ein momentanes Bild liefern. Messungen sind für großflächige Erfassungen nur bedingt geeignet, da sie einen beträchtlichen Aufwand erfordern. Messungen sind dann zu bevorzugen, wenn komplexe Anlagen vorliegen, wie dies z.B. häufig an Arbeitsplätzen der Fall ist.

Berechnungen

Berechnungsverfahren (Utmischi 1976, Haubrich 1974, FGEU 1997) sind nicht nur als Ersatz für aufwendige Messungen zu betrachten, sondern können z.B. bei der Planung neuer Anlagen oder der Simulation verschiedener Betriebszustände sogar unerlässlich sein.

Felder sind im Gegensatz zu den konventionellen Umweltfaktoren vollständig durch die Eigenschaften der Feldquelle beschreibbar. Ein Drift durch Luftbewegungen (wie z.B. bei gasförmigen Immissionen) und anschließender Eintrag durch Niederschlag an einem anderen Ort, findet nicht statt.

Dieser Vorteil ist jedoch nur dann gültig, wenn eine ungestörte Feldausbreitung vorausgesetzt wird. Bei niederfrequenten Magnetfeldern ist dies nahezu gegeben, da ferromagnetische Substanzen nicht in ausreichendem Umfang in der Umwelt vorhanden sind. Elektrische Felder werden dagegen häufig durch Bebauung und Bewuchs verzerrt – die Betrachtung der ungestörten Feldstärken stellt jedoch i.a. den ‘worst-case’ dar.

Die ungestörten Feldstärken an den Hochspannungsfreileitungen wurden über das gesamte Untersuchungsgebiet berechnet. Messungen fanden nur noch zur Verifizierung der Berechnungen statt. Die Feldverteilung an Bahnanlagen wurde lokal bestimmt und auf die gesamten Streckenabschnitte extrapoliert.

Die Berechnungen erfolgten mit dem Programmpaket WinField® (FGEU 1997).

Hochspannungsfreileitungen

Im Untersuchungsgebiet Berlin-Buch verlaufen insgesamt drei Hochspannungstrassen, in deren Umgebung die magnetische Flussdichte unter Annahme durchschnittlicher Ströme berechnet wurde. Die 110-kV-Leitung ist dabei teilweise als Erdkabel ausgeführt. Vorausgesetzt werden muss, dass die Strombelastungen der Leitungen tageszeitlichen Schwankungen unterliegt.

Bei den Berechnungen der elektrischen Feldstärke wurden die tatsächlich zu den Messzeitpunkten vorhandenen Betriebsspannungen zugrunde gelegt. Diese betrugen 400 kV für die 380-kV-Leitung, 229 kV für die 220-kV-Leitung und 110 kV für die 110-kV-Leitung (die Betriebsspannung kann sich abhängig von der Belastung ändern). Zu berücksichtigen ist ferner, dass der Durchhang der Leiterseile maßgeblich für die Bodenfeldstärke einer Freileitung verantwortlich ist. Dieser ist letztlich von der Leiterseiltemperatur abhängig, welche u.a. mit steigender Übertragungsleistung bzw. Lufttemperatur zunimmt. Für die Feldsimulation wurde der mittlere Durchhang bei einer Außentemperatur von + 10 °C (entsprechend DIN VDE 0210) zugrunde gelegt. Um den Einfluss des Durchhangs auf das magnetische bzw. elektrische Feld unter den Freileitungen zu demonstrieren, wurden Feldstärken eines Querprofils bei drei verschiedenen Leiterseildurchhängen berechnet (siehe Tab.4).

Tab. 4: Berechnete maximale elektrische und magnetische Feldstärken bei Variation des Durchhangs um +/- 1 m (Mastfeld 447-448; min. Durchhang 10,70 m) der 380-kV-Freileitung
Tab. 4: Berechnete maximale elektrische und magnetische Feldstärken bei Variation des Durchhangs um +/- 1 m (Mastfeld 447-448; min. Durchhang 10,70 m) der 380-kV-Freileitung
Bild: Umweltatlas Berlin

Es ist ersichtlich, dass der Durchhang eine entscheidende Rolle für die Bodenfeldstärken spielt. Der Effekt ist umso größer, je geringer der Bodenabstand bzw. je größer der Durchhang der Leiterseile ist.

Zur Verifizierung der Berechnungen wurden Querprofile in 1 m Höhe über dem Erdboden unter gleichzeitiger Mitschrift der Leitungsströme bei bekanntem Durchhang der Leiterseile und exakt definierter Position gemessen. Derartige Messungen weisen zu 95 % Übereinstimmung mit Berechnungen der Feldstärken auf (vgl. Abb. 7).

Link zu: Vergrößern
Abb. 7: Gemessenes und berechnetes Längsprofil der magnetischen Flussdichte in 1 m Höhe über Boden unter der 380-kV-Freileitung. Die Masten stehen auf den Positionen 0 m und 440 m
Bild: Umweltatlas Berlin

Der sich ständig mit der Außentemperatur und der Belastung ändernde Durchhang und damit der Bodenabstand der Leiterseile stellt neben dem Stromfluss die Hauptursache dafür dar, dass Messungen an Hochspannungsfreileitungen nur momentane Feldstärken ermitteln können. Deshalb besitzen nur Messungen unter definierten Bedingungen eine Aussagekraft und können als Basis für Berechnungen dienen – im Idealfall ein Querprofil je Mastfeld. Erst bei ausreichender Übereinstimmung zwischen Messung und Berechnung können die Berechnungsparameter auf die gesamte Trasse übertragen werden.

Erdkabel

Der als Erdkabel ausgeführte Streckenabschnitt der 110-kV-Freileitung wurde hinsichtlich Messung und Berechnung der Feldstärken analog zur Freileitung behandelt.

In der Praxis zeigte sich, dass die durch Erdkabel erzeugten Feldstärken über Gehwegen und Straßen gering sind und sich nur auf einen engen Bereich oberhalb des Kabelgrabens beschränken.

Eine elektrische Feldkomponente tritt an Erdkabeln nicht auf, da die Kabel mit einem geerdeten metallischen Außenmantel ausgestattet sind und zudem im leitenden Erdreich verlegt werden.

Netzstationen

An Netzstationen wurde die magnetische Flussdichte im Umkreis weniger Meter gemessen. Dies ist ausreichend, da in Entfernungen von mehr als 2-3 m in der Regel Felder der Niederspannungskabel überwiegen. Eine Normierung des zeitlichen Verhaltens kann entfallen, weil kurzzeitige Schwankungen gering sind. Ähnlich wie bei Freileitungen variiert der Lastgang der Netzstationen geringfügig mit dem Tages- und Jahresverlauf. Eine elektrische Feldstärke tritt in der Umgebung von Netzstationen nicht auf, da das elektrische Feld der Anlage von den Gebäudewänden abgeschirmt wird.

Streckenführung der Fernbahn

Die Oberleitungsströme und der Rückstromanteil über die Schienen sind durch simultane Langzeitmessungen der magnetischen Flussdichte in unterschiedlichen Abständen (z.B. 5, 10 und 20 m) von der Streckenführung bestimmbar. Hierzu werden die Ströme als Eingabeparameter einer Simulationsrechnung solange variiert, bis das Feldstärkeprofil des Magnetfeldes den Messungen entspricht. Voraussetzung ist die genaue Kenntnis der Streckenkonfiguration. Die Ergebnisse der Simulation sind dann lokal gültig. Sie können jedoch nicht ohne weiteres auf größere Streckenabschnitte übertragen werden, da die magnetischen Felder an Bahnstrecken von zahlreichen Parametern abhängen. Der Rückstromanteil, und damit die Kompensation des Magnetfeldes, nimmt z.B. mit der Entfernung vom Unterwerk ab. Deshalb sind zur Betrachtung eines Bahnabschnittes mehrere, aus Langzeitmessungen bestehende Profile heranzuziehen. Mit der Zunahme der Profildichte steigt dann auch die Aussagekraft der simulierten Fahrströme.

Dieses Verfahren wurde am Savignyplatz in Berlin-Charlottenburg mit insgesamt 15 Langzeitmessungen angewandt. Eine typische Langzeitmessung der magnetischen Flussdichte bei einer Frequenz von 16 2/3 Hz ist in Abb. 8 dargestellt.

Abb. 8: Magnetische Flussdichte in 11,2 m Abstand zur Gleisführung in der Schlüterstraße in Berlin-Charlottenburg
Abb. 8: Magnetische Flussdichte in 11,2 m Abstand zur Gleisführung in der Schlüterstraße in Berlin-Charlottenburg
Bild: Umweltatlas Berlin
Aufgrund der begrenzten Speicherkapazität des Messgerätes konnte nur ein Zeitraum von 21 Stunden erfasst werden, daher die Lücke zwischen 10:11 Uhr und 12:52 Uhr.

Wie für Bahnanlagen typisch liegt der zeitliche Mittelwert um Größenordnungen unter den Spitzenwerten. Jeder dieser Spitzenwerte ist durch eine oder mehrere Zugaktivitäten zwischen Zoologischer Garten und Savignyplatz, das heißt vorwiegend durch vom Bahnhof Zoologischer Garten abfahrende Züge verursacht. Das Magnetfeld wird dabei nicht etwa vom Zug emittiert, sondern entsteht zirkular um das System aus Fahrdraht und Schienen. Aufgrund der Speisung des Oberleitungssystems aus Richtung Wannsee zur Zeit der Messung besteht das Feld am Messort nur so lange, wie ein Zug auf der Strecke zwischen dem Zoologischen Garten und dem Messort Energie verbraucht. Die entsprechende Zeitspanne beträgt maximal fünf Minuten (Plotzke et al. 1995). Im Moment der Vorbeifahrt sinkt die Feldstärke schlagartig auf nahezu Null. Das verbleibende Restfeld (Grundpegel in Abb. 8) entsteht durch Züge, die dem Oberleitungsnetz auf dem Bahnhof Zoologischer Garten Energie für Steuer-, Regeltechnik, Klimatisierung etc. entnehmen.

Anhand der einzelnen Langzeitmessungen wurde ein Profil für die maximale Feldexposition während der Fahrt des ICE über den Streckenverlauf Zoologischer Garten – Charlottenburg erstellt (siehe Abb. 9; der Maximalwert von 1,99 µT wurde in einer Gaststätte direkt unter dem Bahndamm gemessen). Die Abnahme der magnetischen Flussdichte mit dem Abstand ist offenkundig zu erkennen. Zusätzlich ist eine numerische Berechnung der magnetischen Flussdichte aufgetragen, für deren Maximum eine durch Simulation ermittelte Stromstärke auf der Oberleitung von 226,2 A und ein Rückstromanteil über die Schienen von 68 % ausschlaggebend sind.

Link zu: Vergrößern
Abb. 9: Maximale magnetische Flussdichte an der Streckenführung der Fernbahn - durch Simulation ermittelt
Bild: Umweltatlas Berlin
Die gemessenen Werte sind als Punkte eingetragen. Die linke Kurve entspricht der magnetischen Flussdichte bei Durchfahrt auf dem südlichen Gleis, die rechte Kurve entspricht der magnetischen Flussdichte auf dem nördlichen Gleis.

Für die Berechnung der magnetischen Flussdichte an der gesamten Bahnstrecke in Berlin-Charlottenburg wurde jede Strecke durch ein 3-Leitersystem (2 Schienen, 1 Fahrdraht) simuliert (Oberleitung quergeschaltet). Als Betriebsstrom wurden die mittels Simulation erhaltenen Oberleitungsströme von 226 A angesetzt. Der Ansatz eines einheitlichen Fahr- und Rückstroms für den gesamten Streckenabschnitt stellt natürlich eine Verallgemeinerung dar, die nicht mit der Realität übereinstimmen muss.

Die Fernbahn und die S-Bahn verlaufen in Berlin-Charlottenburg auf einem Bahndamm von ca. 4 m Höhe. Als Bezugshöhe für die Betrachtung der magnetischen Flussdichte wurden die Höhen von 1 m und 6 m über dem Erdboden gewählt. Die Höhe von 1 m ist für Personen relevant, die sich in der Umgebung der Bahnstrecke aufhalten. Die zweite Betrachtungshöhe von 6 m über dem Erdboden (= 2 m über den Schienen) wurde zur Beurteilung der Exposition der Fahrgäste auf dem Bahnsteig oder im Zug gewählt. Für letztere gelten die Werte nur bedingt, da die Beeinflussung der magnetischen Flussdichte durch den Zug (unter Umständen eine deutliche Reduzierung, z. B. beim ICE (FGEU 1996)) vernachlässigt wird.

Insbesondere ist zu beachten, dass hier Maximalwerte dargestellt sind, die nur bei kurzzeitigen Stromspitzen auftreten. Im Allgemeinen liegen die durchschnittlichen magnetischen Flussdichten mindestens eine Größenordnung niedriger. Die auftretenden Spitzen sind jedoch insofern relevant, als dass sie für die Beurteilung der EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) herangezogen werden (z. B. zur Beurteilung von Bildschirmstörungen).

Die Oberleitung der Fernbahn (Betriebsspannung 15 kV) erzeugt ebenfalls ein elektrisches Feld. Dieses wurde für eine Höhe von 2 m über den Schienen berechnet. Der Maximalwert von 1,2 kV/m liegt in der Mitte über den Gleisen, wo Fahrgäste durch die Metallhülle des Zuges vollständig abgeschirmt sind. Eine Person, die direkt an der Bahnsteigkante Savignyplatz steht, ist einer Feldstärke von max. 0,4 kV/m ausgesetzt.

Streckenführung der S-Bahn

Die Vorgehensweise an S-Bahnstrecken ist identisch zu der bereits für Fernbahnen beschriebenen. Im Unterschied zur Fernbahn handelt es sich jedoch um ein Gleichfeld, da die S-Bahn in Berlin mit Gleichstrom (Betriebsspannung 700 V) betrieben wird.

Messungen der magnetischen Flussdichte an S-Bahnstrecken weisen, bedingt durch die höhere Zugfrequenz, ein von Fernbahnstrecken abweichendes Zeitverhalten auf (siehe Abb. 10). Deutlich zu erkennen ist dabei das Abklingen der Schwankungen des magnetischen Gleichfeldes mit dem Rückgang der Fahraktivität auf der S-Bahnstrecke ab Betriebsschluss um ca. 1 Uhr.

Link zu: Vergrößern
Abb.10: Magnetisches Gleichfeld unter der S-Bahnbrücke Knesebeckstraße am Savignyplatz bei einer Messung des abklingenden S-Bahnverkehrs zur Nachtzeit
Bild: Umweltatlas Berlin
Der Pegel am Ende der Messung entspricht dem Erdmagnetfeld, wobei die Messsonde senkrecht stand und nicht zum Erdmagnetfeld von 42 µT ausgerichtet war.

Auch bei der S-Bahn stimmen die aus Langzeitmessungen ermittelten Maximalwerte der magnetischen Flussdichte mit einer numerischen Simulation auf der Grundlage eines Fahrstroms von 1 300 A bei einem Rückstromanteil von 100 % überein (siehe Abb. 11). Aufgrund der relativ kurzen Abstände der Einspeisepunkte kann bei einer S-Bahnstrecke von einem sehr hohen Rückstromanteil ausgegangen werden.

Link zu: Vergrößern
Abb.11: In der Knesebeckstraße in Berlin-Charlottenburg unter der Brücke gemessener und berechneter Verlauf des magnetischen Gleichfeldes der S-Bahn-Streckenführung
Bild: Umweltatlas Berlin
Das Erdmagnetfeld von maximal 42 µT wurde bereits subtrahiert. Die Position 0 m befindet sich mittig zwischen den beiden S-Bahngleisen.

Es ist zu beachten, dass das natürliche erdmagnetische Gleichfeld bereits ca. 42 µT beträgt und sowohl die Schwellen für Störungen der EMV als auch die Personenschutzrichtwerte um mehrere Größenordnungen höher liegen.