Protocolo para la medida de campos electromagnéticos de baja frecuencia

Departamento de Ingeniería Eléctrica / Universidad Politécnica de Catalunya (UPC) / Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Terrassa / c./ Colom nº 11 / 08222 Terrassa / España

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Riba Ruiz, Jordi-Roger / Rosa Mas, Omar

Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Igualada / Universidad Politécnica de Catalunya (UPC) / Plaza Rei, 15/ 08700 Igualada / España

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ABSTRACT

Los campos eléctricos y magnéticos generados por las instalaciones eléctricas de potencia, de frecuencia industrial (50 Hz) son objeto de estudio por parte de muchos científicos de diferentes disciplinas: ingeniería, física, medicina, etc.

Mientras que algunos investigadores piensan que puede haber una relación directa entre algunas enfermedades y la exposición a campos eléctricos y magnéticos, otros autores no han encontrado ninguna evidencia concluyente que pueda relacionar a los campos electromagnéticos con estas enfermedades. Aunque se conocen algunos mecanismos mediante los cuales los campos interactúan con el cuerpo humano (calentamiento, estimulación de células musculares, etc.), muchos otros mecanismos se desconocen. De todas formas, por simple precaución, no se pueden desestimar los posibles efectos de los campos eléctricos y magnéticos sobre la salud humana. En España hay una norma experimental que regula la exposición de las personas a los campos electromagnéticos de baja frecuencia (UNE-ENV 50166-1).

El objetivo de este trabajo es sistematizar y dar a conocer un protocolo de medida de los campos eléctricos y magnéticos de baja frecuencia en diversos ámbitos: en el entorno de líneas de media y alta tensión, en residencias, en escuelas, etc. Este protocolo ha sido elaborado tomando como referencia los procedimientos estándar de medida de estos campos, dados en las referencias [5], [6] y [7].

Palabras clave

Campos electromagnéticos, protocolo, medida, exposición, normativa.

INTRODUCCIÓN

Un campo electromagnético (CEM) tiene dos componentes: el campo eléctrico y el magnético. El campo eléctrico es debido a la presencia de una distribución de carga eléctrica y describe la magnitud y la dirección de la fuerza que éste ejerce sobre la unidad de carga positiva [1]. La magnitud del campo eléctrico depende de la diferencia de potencial existente entre la superficie de dos cuerpos cargados eléctricamente y es independiente de la cantidad de corriente que circule entre ellos. Por contra, un campo magnético es debido al movimiento de las cargas eléctricas y sólo actúa sobre cargas eléctricas en movimiento. Así, el campo magnético es creado por una corriente eléctrica y describe la magnitud y la dirección de la fuerza ejercida sobre una corriente eléctrica cercana. La magnitud del campo magnético es proporcional al flujo de corriente y no depende de la tensión [1].

El campo eléctrico y el magnético satisfacen las ecuaciones de Maxwell y se encuentran acoplados independientemente de su frecuencia [4]. La única excepción son los campos que no varían con el tiempo. Por lo tanto, en teoría, si se conoce el campo magnético, aplicando convenientemente las ecuaciones de Maxwell, se puede deducir el campo eléctrico y viceversa. Pero en la práctica esto es casi imposible de realizar y los campos eléctricos y magnéticos se suponen independientes. En la referencia [4] también se demuestra  que para una línea eléctrica de 60 Hz y en un tramo de 100 Km., el cociente entre la energía radiada y la energía transportada por la línea es del orden de 2.10^-11, es decir, que las líneas de 60 Hz prácticamente no radian energía (esto es debido a que la frecuencia es extremadamente baja).

En la Tierra existen CEM naturales, los cuales no varían con el tiempo. En el caso del campo eléctrico natural, sus valores suelen estar por debajo de los 200 V/m pero en el caso de tormentas eléctricas pueden llegar a valer hasta 50 KV/m. En el caso del campo magnético natural su valor es del orden de 50 mT, o lo que es lo mismo 500 mG. Los campos magnéticos naturales, al no variar con el tiempo, no inducen corrientes en los objetos introducidos en su interior.

Los CEM inducidos por las líneas eléctricas de alta tensión, son alternos ya que su valor oscila periódicamente con una frecuencia de 50 Hz. Su componente magnética sí que induce corrientes en objetos conductores situados en su interior, así como en los cuerpos de las personas y los animales. Se clasifican los CEM como de frecuencia extremamente baja (FEB) cuando ésta es inferior a 3000 Hz [2], por lo que los CEM generados por las líneas de alta tensión y por la mayor parte de los dispositivos eléctricos alimentados a 50 Hz estarán dentro de esta categoría. Como fuentes de los CEM puede considerarse la mayoría de los dispositivos alimentados eléctricamente: motores eléctricos, líneas eléctricas, trenes eléctricos, aparatos eléctricos de uso ordinario (relojes, hornos eléctricos, aparatos de TV, etc.).

POSIBLES EFECTOS DE LOS CEM SOBRE LAS PERSONAS Y ANIMALES

Hace casi treinta años aparecieron los primeros estudios sobre los posibles efectos de los CEM sobre las personas. Desde entonces han aparecido numerosos estudios epidemiológicos intentando relacionar determinadas enfermedades con los CEM. Mientras algunos estudios han encontrado relaciones estadísticas entre algunas enfermedades y los CEM, otros estudios no las han encontrado. De todas maneras, nunca se ha podido demostrar relación directa alguna entre los CEM y estas enfermedades. Los informes [2] i [3] explican detalladamente los conocimientos actuales sobre los mecanismos por los cuales los CEM interactúan con los tejidos vivos y los posibles efectos sobre éstos, pero aún queda mucho por investigar, es un tema abierto sobre el que se desconocen muchos aspectos. El informe NIEHS EMF-RAPID [2] concluye que los CEM de frecuencias extremamente bajas suponen un bajo riesgo para la salud humana, es decir, que no se pueden considerar absolutamente seguros porque, aunque haya una débil evidencia científica, pueden suponer un riesgo, sobre todo para la leucemia. Este informe explica que hay cierta evidencia científica que relaciona los CEM con la leucemia en la población infantil i con la leucemia linfática crónica.

A continuación se citan algunos de los mecanismos conocidos mediante los cuales los CEM interactúan con los tejidos vivos. Los CEM de elevada intensidad pueden producir estimulación de los nervios y los músculos, daños permanentes o transitorios en las membranas celulares así como inducción de corrientes en los tejidos, generándose calor. Además, los cables de alta tensión atraen polvo y suciedad que cargan electrostáticamente. Esto refuerza, por un lado, el hecho que los organismos retengan estas partículas al ser inhaladas, y por otro, aumenta el riesgo de enfermar. Parece que el viento, la lluvia y la nieve no reducen la intensidad de la exposición a estas partículas cargadas electrostáticamente.

¿POR QUÉ NORMALMENTE SÓLO SE MIDE LA COMPONENTE MAGNÉTICA DE LOS CEM Y NO LA ELÉCTRICA?

Para estimular eléctricamente un músculo se necesita un campo eléctrico en su interior de alrededor 1 V/m. En la referencia [3] se explica que cuando no hay contacto eléctrico, la relación entre el campo en el exterior y en el interior del cuerpo, sigue la siguiente relación:

                                                                                 (1)

donde los campos en el exterior y en el interior del cuerpo son, respectivamente, E_ext y E_int. Además s es la conductividad eléctrica del tejido muscular (del orden de 1 Siemen/m),

 es la pulsación angular de los CEM y e es la permisividad dieléctrica del tejido, que es muy similar a la del aire: 8’84.10^-12 F/m. Poniendo todos los valores anteriores en la expresión (1) resulta E_int = 2.10^-9E_ext.

El campo eléctrico en las cercanías de una línea de alta tensión no suele llegar a 10⁴ V/m y en el interior de las viviendas normalmente está por debajo de 100 V/m. Suponiendo un campo eléctrico exterior de 10⁴ V/m (valor extremo generado por las fuentes de CEM) de 50 Hz aplicado sobre un ser humano, induce en el interior de su cuerpo un campo eléctrico medio de 2.10^-5 V/m, valor muy por debajo del necesario para estimular los músculos. Por lo tanto, cuando no hay contacto, los campos exteriores habituales no pueden estimular los tejidos musculares.

En cambio, la permeabilidad magnética de los tejidos vivos tiene prácticamente el mismo valor que la del espacio libre (m = 1’26.10^-6 H/m), hecho que implica que la densidad de flujo magnético dentro del cuerpo humano sea prácticamente igual a la del exterior. Según la ley de Faraday, un campo magnético variable induce un campo eléctrico dado por la expresión:

                                                                               (2)donde E es el campo eléctrico expresado en V/m y B es el campo magnético expresado en T. Para un cilindro muy largo de radio r, al aplicar un campo magnético en la dirección axial, la expresión (2) se transforma en [3]:

E = p.f.B.r (3)

Suponiendo un campo magnético exterior de 100 mT (valor extremo generado por las fuentes de CEM) de 50 Hz, orientado de cabeza a pies, aplicado sobre un ser humano (supuesto de forma cilíndrica) de radio 15 cm, induce sobre la periferia de su cuerpo un campo eléctrico medio de 2’4.10^-3 V/m.

Acabamos de ver que el campo eléctrico en el interior del cuerpo humano inducido por un campo magnético exterior tiene un valor muy superior que el debido a un campo eléctrico externo. Este es el motivo básico por el cual sólo se mide la componente magnética de los CEM.

JUSTIFICACIÓN PARA UTILIZAR UN PROCEDIMIENTO ESTÁNDAR DE MEDIDA DE LOS CEM

En este trabajo se propone un protocolo de medida de los CEM en diversos ámbitos. Las medida de los CEM tiene diferentes propósitos: verificación del cumplimiento de los estándares recomendados y de los límites reguladores de exposición a los CEM, la prevalencia de los CEM en determinados ambientes, el uso en estudios epidemiológicos, etc.

Se debe tener en cuenta que según como se hagan las mediciones, los datos adquiridos por un determinado propósito pueden no ser válidos en otro contexto. Por ejemplo, los datos extraídos en un puesto de trabajo determinado, si no se han tomado aleatoriamente, es decir, si se han perseguido condiciones de exposición extremas, pueden no aportar información importante sobre las exposiciones típicas en este puesto.

Otra consideración es el uso de procedimientos de evaluación de los CEM que han sido usados en otros estudios previos, para poder obtener resultados comparables. Si los datos de otros estudios disponibles en la literatura utilizan técnicas de medida de los CEM similares, pueden combinarse muestras de diferentes estudios para sacar conclusiones conjuntas.

Todo lo explicado en este apartado indica que sería muy útil disponer de un protocolo estándar de medida de los CEM.

EQUIPOS DE MEDIDA DE LOS CEM

Por los motivos indicados anteriormente sólo se medirá la componente magnética de los CEM. El equipo de medida puede ser de uno o tres ejes y normalmente mide el valor eficaz. En el caso de ser de tres ejes, la lectura del medidor es directamente el valor eficaz de la componente resultante del campo magnético dada por la siguiente expresión:

B =

                                                                    (4)

Cuando el medidor sea de un único eje y se presuma que el campo magnético varía rápidamente con el tiempo, la sonda se orientará para medir el valor máximo de éste. En cambio, cuando se tenga la certeza de que el campo varía lentamente con el tiempo, la sonda se orientará adecuadamente para medir la componente del campo magnético perpendicular al suelo (B_x) y también se medirán las 2 componentes perpendiculares a la anterior (B_y y B_z), siendo la lectura final la dada por la fórmula (4).

Se pueden efectuar dos tipos básicos de medidas: puntuales y continuas en el tiempo. Las medidas puntuales consisten en hacer una sola medida o un conjunto limitado de medidas bajo ciertas condiciones, mientras que las continuas en el tiempo requieren de un medidor que incorpore un registrador capaz de guardar las medidas que hace a intervalos regulares (por ejemplo cada minuto) durante las 24 horas del día. Estos últimos son más caros y el procedimiento en si también es más costoso.

Diversos estudios muestran que si las medidas puntuales se hacen adecuadamente, sus resultados son muy similares a los de las medidas continuas.

LÍMITES DE EXPOSICIÓN A LOS CEM (NORMA UNE-ENV 5066-1)

La norma experimental española UNE-ENV 5066-1 trata de la exposición de las personas a los CEM de 0 a 10 kHz. Los niveles de referencia se reflejan en las siguientes tablas:

Campo eléctrico. Niveles de referencia - Trabajadores

 ⁽¹⁾ Estas fórmulas ponen límites al tiempo total t, dentro de un período de 8 horas que se puede estar por encima de un determinado nivel E (kV/m), tomando en consideración los valores de campo máximos dados en la segunda columna.

Campo eléctrico. Niveles de referencia - Público general

Campo magnético. Niveles de referencia - Trabajadores

⁽¹⁾ 0.2 T para un período promediado a 8 horas.

⁽²⁾ 0.14 T para un período promediado a 8 horas (0.1- 1.5 Hz)

Campo magnético. Niveles de referencia - Público general

PROTOCOLO PARA LA MEDIDA DE LOS CEM

En este apartado se procede a desarrollar el protocolo de medida de los CEM en diversos ámbitos. Como se ha explicado anteriormente sólo se medirá la componente magnética de los CEM. Todas las lecturas se realizarán a 1 metro del suelo (altura que afecta a las personas) y además, el operador puede estar cerca de la sonda de medida. En todos casos se debe anotar el día y la hora de realización de las medidas.

Medida de los CEM en residencias      

Para efectuar la medida de los CEM en las residencias se procederá como sigue:

• 1. Se efectuará un esquema de la vivienda, indicando su orientación geográfica. En este esquema se marcarán los puntos donde se realizarán las medidas.
• 2. En condiciones de baja potencia, es decir, con todos los aparatos eléctricos, luces, etc. desconectados o si los inquilinos acceden, desconectando el interruptor general, se medirán los CEM en la cocina, el comedor, habitaciones y baños. En cada estancia se deben medir los CEM cerca de las cuatro esquinas y en el centro, anotándose cada lectura. De esta forma se miden los CEM debidos al exterior de la vivienda.
• 3. Se repite el paso anterior pero en condiciones normales de consumo, es decir, con parte de las luces funcionando y conectándose los electrodomésticos que habitualmente los estén.
• 4. Medidas en el exterior de la vivienda. En el caso de residencias unifamiliares se medirán los CEM en las cuatro esquinas más distantes de la vivienda así como en los puntos medios de las cuatro paredes.

Medida de los CEM en escuelas

En las escuelas se efectuará la medida de los CEM en los sitios donde los alumnos pasan más tiempo, es decir, en las aulas, los laboratorios, los pasillos, el comedor, el bar, la biblioteca y el patio. En cada estancia se procederá como sigue:

• 1. Si efectuará un esquema de la estancia, indicando su orientación geográfica.
• 2. En condiciones de baja potencia, es decir, con todos los aparatos eléctricos, luces, etc. desconectados o en caso que se pueda, desconectando el interruptor general de la estancia, se medirán los CEM cerca de las cuatro esquinas y en el centro, anotándose cada lectura. De esta forma se miden los CEM debidos al exterior de la estancia.
• 3. Se repite el paso anterior pero en condiciones normales de consumo, es decir, con parte de las luces funcionando y conectándose los aparatos eléctricos que habitualmente los estén. En el caso del patio este paso es innecesario.

Medida de los CEM en el puesto de trabajo

En el puesto de trabajo se efectuará la medida de los CEM operando de modo muy similar a como se ha hecho en los apartados anteriores:

• 1. Se efectuará un esquema del entorno del puesto de trabajo, indicando su orientación geográfica. En este esquema se marcarán los puntos donde se realizarán las medidas.
• 2. En condiciones de baja potencia, es decir, con todos los aparatos eléctricos, luces, etc. desconectados o si se puede, desconectando el interruptor general de la zona donde se hagan las medidas, se medirán los CEM en los lugares donde frecuente el trabajador, indicando para cada uno, el promedio de horas que pasa allí diariamente.
• 3. Se repite el paso anterior pero en condiciones normales de consumo, es decir, con parte de las luces funcionando y conectándose los aparatos eléctricos que habitualmente los estén.

Puede darse el caso, que por los motivos que sean, no se nos permita ir a hacer medidas directas en el puesto de trabajo. En este caso, no queda más remedio que hacer una estimación del valor de los CEM. Para hacer esto, se tiene que aplicar el método de los Job Titles [3], que se basa en valores tabulados de la exposición a los CEM en función del puesto de trabajo y de la tecnología utilizada. Éste método es muy utilizado en estudios epidemiológicos y además permite reconstruir exposiciones pasadas.

Medida de los CEM generados por las líneas eléctricas

Al realizar las medidas del campo magnético se deben tener en cuenta las condiciones siguientes:

• 1. Las medidas se realizarán con la sonda situada a 1 metro del suelo.
• 2. La distancia mínima entre la sonda y objetos no permanentes que contengan conductores o materiales magnéticos será de 3 veces la dimensión mayor de estos.
• 3. La distancia mínima entre la sonda y objetos permanentes será de 1 metro.
• 4. Se deben pedir a la compañía eléctrica los datos de tensión e intensidad eléctricas de las líneas en el momento de realizar las mediciones.
• 5. Se debe medir la componente resultante del campo magnético.
• 6. Se marcará un punto origen para las medidas, situado debajo de la línea y en su punto medio. Además se deben anotar los datos de presión atmosférica local, humedad relativa y temperatura ambiente del lugar donde se efectúen las medidas. Los pasos a seguir para efectuar la medida de los CEM en las proximidades de las líneas, son los siguientes:
• 1. Se realizaran varias medidas del campo magnético de fondo a una distancia mínima de 50 metros para líneas de alta tensión y de 25 metros para las de media tensión.
• 2. Medida del perfil transversal del campo magnético. Perpendicularmente a la trayectoria de la línea, y partiendo del punto origen, se realizarán medidas a ambos lados de ésta, en puntos distanciados del centro de la línea 0, 5, 10, 15, 20, 30 y 50 metros. Además, se medirá debajo de la fase más cercana al suelo y en el punto medio entre el punto origen  y la fase más externa. Cada medida se repetirá 2 o 3 veces.
• 3. Medida del perfil longitudinal. Siguiendo la trayectoria de la línea, y partiendo del punto origen, se realizarán 5 medidas equidistantes a ambos lados de éste, distanciadas 5 metros.

CONCLUSIONES

Con este trabajo se ha establecido un protocolo para la medida de los campos electromagnéticos. Es muy importante disponer de este protocolo para poder unificar criterios y en consecuencia poder comparar los resultados fruto de diferentes estudios. Asimismo , pueden combinarse muestras de diversos trabajos para crear una base de datos común.

REFERENCIAS

• 1. Questions and Answers about EMF. Electric and Magnetic Fields Associated with the Use of Electric Power. NIEHS (National Institute of Environmental Health Services) and U.S. Department of Energy. January 1995.
• 2. NIEHS Report on: Health Effects for Exposure to PowerLine Frequency Electric and Magnetic Fields. NIEHSEMFRAPID Program Staff. NIH Publication No. 994493, 1999.
• 3. Assessment of Health Effects for Exposure to PowerLine Frequency Electric and Magnetic Fields. Working Group Report, NIEHSEMFRAPID and U.S. Department of Energy. C. J. Portier and M. S. Wolfe Editors. June 1998.
• 4. R. G. Olsen, P.S. Wong, (1992) IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 7(4), 20462053.
• 5. Standard Procedures for Measurement of Power Frequency Electric and Magnetic Fields from AC Power Lines. IEEE Std. 6441994.
• 6. Measurement of PowerFrequency Electric Fields. IEC Specification 8331987.
• 7. Protocolo para la medida del campo magnético. UNESA, abril 1996. Grupo ADHOC de campos electromagnéticos del grupo de trabajo de medio ambiente de UNESA.