Experimental und environmental factors influencing human perception of direct current-, alternating current-, and hybrid electric fields

Jankowiak, Kathrin; Lampert, Angelika; Kraus, Thomas

doi:HT021709409

Experimental und environmental factors influencing human perception of direct current-, alternating current-, and hybrid electric fields

Jankowiak, Kathrin^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kathrin Jankowiak, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Kraus, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Lampert, Angelika (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-11-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-10872
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/856425/files/856425.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin (922110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
AC (frei) ; DC (frei) ; electric fields (frei) ; elektrische Felder (frei) ; human perception (frei) ; menschliche Wahrnehmung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Gegenstand dieses Promotionsvorhabens ist die Erforschung der menschlichen Wahrnehmung von elektrischen Gleichstrom-Feldern (DC; engl. für Direct Current), Wechselstrom-Feldern (AC; engl. für Alternating Current), sowie der Kombination beider Feldarten (elektrische Hybrid-Felder). Im Zuge der fortschreitenden globalen Energiewende treten vermehrt neue Herausforderungen auf, wie die Notwendigkeit Energietransporte über lange Distanzen möglichst effizient zu gestalten. Dazu wurde in Deutschland der Bau von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Leitungen (HGÜ) im Bundesbedarfsplangesetz festgelegt. Zudem sind Hybridleitungen geplant, bei denen HGÜ-Freileitungen parallel zu bereits bestehenden Hochspannungs-Wechselstromleitungen montiert werden. Da sich die Distanz von neuen Freileitungen zu Wohnsiedlungen teilweise reduziert, ist die Erforschung der Interaktion zwischen Mensch und Technik von hoher Relevanz. Die menschliche Wahrnehmung von elektrischen DC- und Hybrid-Feldern ist jedoch in nur wenigen wissenschaftlichen Studien untersucht worden. Auch Empfehlungen zu Expositionsgrenzwerten existieren bisher weder auf nationaler noch auf internationaler Ebene. Nach aktuellem wissenschaftlichen Stand gibt es keine Hinweise auf schädliche biologische Wirkungen bei Mensch und Tier. Dennoch konnte gezeigt werden, dass Menschen in der Lage sind elektrische Felder wahrzunehmen. Im Rahmen einer experimentellen Vorstudie konnten wir sehr unterschiedliche Wahrnehmungseindrücke der Probanden feststellen: Häufig wurde ein leichtes Kribbeln oder Vibrieren der Haare beschrieben, welches bei DC-Feldern eher im Kopfbereich und bei AC-Feldern vermehrt an den Extremitäten auftrat. In einem eigens errichteten und hochspezialisierten Expositionslabor wurden elf Probanden mit maximalen elektrischen Feldstärken von 50 kV/m (DC und Hybrid), bzw. 30 kV/m (AC), exponiert. Mithilfe adaptiver Staircase-Verfahren, sowie mit Methoden der Signalentdeckungstheorie (SDT), wurden durchschnittliche Wahrnehmungsschwellen ermittelt (DC: 23,4 kV/m; AC: 16,9 kV/m; Hybrid: 11,4 kV/m). Die relative Luftfeuchtigkeit konnte als umweltbedingter Faktor identifiziert werden, der die Wahrnehmung von elektrischen Feldern je nach Feldart unterschiedlich beeinflusst: Während DC-Felder bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit (70%) stärker wahrgenommen wurden, verbesserte sich die Wahrnehmungsleistung von AC-Feldern bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit (30%). Zudem wurde die optimale Konfiguration weiterer experimenteller Faktoren bestimmt, welche in Folgestudien Anwendung fand. Da sowohl die Dauer, in der das elektrische Feld aufgebaut wird, als auch die Dauer der Feldexposition keinen Einfluss auf die Wahrnehmungsleistung der Probanden hatten, können kurze Zeitspannen dazu beitragen mögliche Ermüdungseffekte der Probanden zu reduzieren. In einer Folgestudie haben wir den Fokus auf minimal wahrnehmbare Hybrid-Felder und den Einfluss der AC-Komponente auf die Wahrnehmungsschwelle gelegt. Dafür wurden 51 Probanden, welche in vorherigen Untersuchungen überdurchschnittlich gute Wahrnehmungsleistungen von elektrischen Hybrid-Feldern zeigten, mit kumulierten Feldstärken von 1,41 kV/m (1 kV/m DC und 1 kV/m AC) bis 16,49 kV/m (16 kV/m DC und 4 kV/m AC) exponiert. In einem doppelblinden Studiendesign wurden mithilfe des SDT-Verfahrens durchschnittliche Schwellenwerte ermittelt, welche mit zunehmender AC-Feldstärke geringer waren. Damit konnte ein signifikanter Einfluss der AC-Komponente auf die Wahrnehmungsschwellen festgestellt werden. Zudem war ein Proband in der Lage selbst die geringste Feldstärkenkombination von 1 kV/m DC und 1 kV/m AC erfolgreich zu detektieren, was die menschliche Sensibilität gegenüber elektrischen Hybrid-Feldern betont. Zusammen mit den Daten weiterer Studien können diese Ergebnisse helfen zukünftige Expositionsgrenzwerte für Hybrid-Felder festzulegen. Ebenso können die Ergebnisse zur Vermeidung unerwünschter Sinneswahrnehmungen und zur Konstruktionsoptimierung von Energieübertragungssystemen beitragen.

This dissertation project includes the investigation of human perception of direct current (DC) electric fields (EFs), alternating current (AC) EFs, and the combination of both field types (hybrid EFs). As part of the ongoing global energy transition, new challenges appear, such as higher needs for efficient long-distance energy transmission. Meeting these needs, in Germany, new high-voltage DC (HVDC) overhead power lines are in planning. Additionally, HVDC lines will be mounted on existing HVAC structures, leading to hybrid EFs. Because the distance between planned overhead lines and residential areas is partially reduced, the investigation of the human-technology interaction is of great interest. However, human perception of DC EFs and hybrid EFs have been targeted in only a few studies. Moreover, no national or international agency has proposed limit values for hybrid EFs. According to the current state of research, there are no adverse health effects caused by EF exposure in humans or animals. Nevertheless, humans are reliably able to perceive EFs. Within an experimental pre-study, we found various and individually different cutaneous sensations: Participants frequently reported a pleasurable tingling or slight vibration, whereby DC EFs were primarily perceived in the head area and AC EFs at the extremities. In our highly sophisticated exposure laboratory, we exposed eleven participants to EF strengths with a maximum of 50 kV/m (DC and hybrid) or 30 kV/m (AC). Using an adaptive staircase approach and methods based on the signal detection theory (SDT), we estimated averaged detection thresholds (DC: 23.4 kV/m; AC: 16.9 kV/m; Hybrid: 11.4 kV/m). Relative humidity could be identified as environmental factor influencing the perception of EFs in different ways: DC EF exposure could be better perceived under high relative humidity condition (70%), whereas the perception of AC EF seemed to be facilitated by a low relative humidity (30%). Additionally, the optimal configurations of several experimental factors were determined and could be used in follow-up studies. Since both the duration of EF increasing and the duration of EF exposure did not influence participants´ performance, short periods could help to reduce potential fatigue effects of participants. In a follow-up study, we focused on the human perception of very low hybrid EFs and the influence of the AC component on the perception thresholds. With this aim, 51 participants, who showed a hybrid EF detection ability above average in our previous study, were exposed to total EF strengths from 1.41 kV/m (1 kV/m DC and 1 kV/m AC) to 16.49 kV/m (16 kV/m DC and 4 kV/m AC). Using a double-blind experimental set-up and a psychophysical method based on the SDT, we found averaged detection thresholds that were lower with increased AC EF strengths, showing a significant influence of the AC component on the total EF detection thresholds. Furthermore, at least one participant was able to perceive the lowest EF strength combination of 1 kV/m DC and 1 kV/m AC, underlining the human sensitivity to hybrid EFs. Along with data from other studies, these results are useful to the setting of future limit values for hybrid EF exposure. Moreover, our data will help to prevent unwanted EF perception in nature and contribute to the optimal construction of future overhead power lines.

OpenAccess:
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