由于最初的“均衡充电”,以前处于接地电位的鸟会因为降落在足够高电压的电力线上而触电吗?

电器工程 电压 安全 电力工程
2022-01-14 00:05:50

在美国典型架空输电线路的电压水平下,一只鸟可以降落在其中并且很好(只要它不做一些事情,比如张开翅膀接触一棵树或其他电位较低的东西)。

然而,假设一条电压更高(如数十兆伏)的电力线又如何呢?即使它没有完成持续电流的电路,降落在这样的电力线上会致命吗?(假设距离足够长,不可能产生电弧。)

注意:我对当鸟从地球物体飞到电力线时会发生什么的理解(如果我错了,请纠正我)是 - 在接触电线时 - 它的电势从地电势变为电力线的电势。为了实现这一点,电能(即电荷流,即电流)从电力线到鸟的初始转移,这“均衡”了它们的电势,这几乎是瞬间发生的。如果这是正确的,那么我的问题可以更一般地重述为“如果均衡的电位差足够高,这样的‘均衡充电’会导致致命的冲击吗?”

4个回答

假设鸟在与电线接触时仍处于接地电位(例如,它从电线杆上直接跳到电线上)。

这个问题有很多未知数,但让我们尝试用我们在人类中知道的数据来填补一些空白。因此,在鸟类学家的 EE stackexchanger 出现有趣的数据之前,让我们假设人类可以飞行并且喜欢挂在高压电缆上放松一下。

所有物体和生物都具有等效的电容量。人体模型是一个约定,它规定人类在这方面等同于 100pF 电容器(假设它从地面到 23 米高并不会降低太多,并将其称为最坏的情况)。现在,让我们假设电缆与电容器几何中心所在位置之间的接触电阻为 3000 欧姆 - 取自另一线程中表格的“手持线”案例- 除以 2 表示两只手接触。则平衡电流的总持续时间,取等效 RC 时间常数的 5 倍,为 0.75 微秒。

电流通过生物的影响取决于电流的大小和持续时间。我从未见过任何研究显示任何低于 10 毫秒的数据(例如上面引用的相同研究),这并不奇怪,因为心脏组织的响应时间显然是 3毫秒在 10ms 内,产生不可逆效应的电流为 0.5A,并且似乎已经稳定在该点(几乎取决于持续时间),当然降至 3ms。让我们假设超过那个点,心脏组织的行​​为就像一个无效的一阶系统,衰减 20dB/decade。类似效果所需的电流将高出 20*4.25=90dB,即 15811A。对于上面使用的1500Ohms的接触电阻,这意味着电缆的电压需要为23GV!

燃烧完全取决于传递的能量,因此理论上高电压可以燃烧这么短的时间。但是有多高?好吧,“电伤:工程、医疗和法律方面”,第 72 页,指出:

估计可以在皮肤的一小块区域产生明显的一级或二级烧伤的最低电流为 100A,持续 1 秒

编辑:请注意,100A 相当高,目前尚不清楚作者如何定义“小面积皮肤一级烧伤”,但我猜它是针对大于一英寸的区域,烧毁所有表皮和一些真皮细胞,使它们剥落。

因此,对于 750 纳秒,需要 133MA!如果我们再次使用上面的 1500 欧姆电阻,这意味着电线需要达到 199GV,这太疯狂了。在这些烧伤出现之前,可能还会有其他令人讨厌的影响,但在不久的将来,23GV 和 199GV 听起来都不太可能。旁注,正如J...在评论中提出的那样,23GV 电缆会在 7.6 公里范围内与任何处于地球电位的物体自发地产生电弧,因此需要大量的隔离。

好像这还不够,您可能已经注意到,上面假设最大电流适用于平衡电流的整个持续时间,而实际上它是一个衰减指数......在此持续时间内的平均电流实际上是 0.2乘以最大值,所以这些值应该是 115GV 和 995GV!

警告:这并不意味着跳上和悬挂在高压线上是安全的,这是对粗略数据估计和建模的快速分析,不应被视为您采取行动的理由。

我基本同意 Andy Aka 的解释。不过,我会给出更详细的理论(当然我可能会忽略一些东西)。

身体本身没有电容,因为它总是需要电容器的“第二块板”。人类相对于地面站立(绝缘)时将具有给定的电容,而在飞行时(如果能够)则具有不同的电容,因为那时地面更远。

下图中的鸟的简单模型可能是:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

随着鸟接近线 C1 将增加,C2 将减少。这是一个电容分压器,小鸟的电位将接近高压 (HV) 线路之一。

让我们假设,只是为了给出一些快速的数字,在鸟的脚接触线之前,C1 是 C2 的 100 倍,那么鸟和 HV 线之间的电位差将仅为 HV 的 1%。最后鸟的脚接触线:C1“短路”,唯一要填充的电容是C2(鸟和地之间的电容,因为地很远,所以非常小)。因为身体电位已经是 HV 的 99%,而且它对地的电容非常小,所以通过鸟的电流会非常小。

注意:我对当鸟从地球物体飞到电力线时会发生什么的理解(如果我错了,请纠正我)是 - 在接触电线时 - 它的电势从地电势变为电力线的电势

这就是问题的症结所在。当鸟离开地面朝电线的方向前进时,它的电位会逐渐变化。这不是一个瞬间的变化,因为如果是这样,这只鸟在它着陆的那一刻就会经历电流的震动。

所以,不,它不会立即发生,更大的电线电压 = 更大的距离,因此到达所述电线的时间更长,而且,无需进行数学计算,鸟所经历的微小的不易察觉的电流将是相同的。

下面是电压电平随地和“热”线之间距离变化方式的图片: -

在此处输入图像描述

这是相当经典的电场分析。从中心(假设是高压点)发出的是黑色电场线。它们从电线的各个方向退出并以直角撞击“地面”。如果您选择这些电场线中的任何一条并从地面沿其“行进”(例如)其长度的 10%,您将获得热线的 10% 的电压。

如果您对长度的不同百分比的所有电场线进行了这个思想实验,您将能够绘制所有等势线,这就是红线。

正如您应该能够看到的那样,一个小物体从地面上升到“热”线的电位是非常线性的。

很遗憾看到这么多关于这个问题的错误信息,高级答案 - 所以我决定在潜伏多年之后终于开一个帐户并做出贡献:)

查看电力传输的一种方法是电流通过电线 - 建模为内部粒子(电子)的动能。然而,特别是在交流装置中,如果对电磁能进行建模(通过麦克斯韦方程),就会看到导体之间和周围空间中承载的功率。

因此,任何靠近线路的东西都存在 EM 危险。对于给定的鸟线系统,其水平取决于通过的整体功率 - 张力和强度!

我在https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=1341上找到的这个定量答案适用:

问:为什么鸟类不会感觉到静电冲击?我知道鸟类不提供通往地面的路径,因此它们不会携带稳态电流。但是当它们第一次着陆时,肯定会有电流给鸟的电容充电吗?我读过静电冲击在 10 kV 左右时会很痛。这些电源线承载数百kV,那么电源线的静电冲击不会很痛苦吗?谢谢, Ted - Ted(26 岁)美国加利福尼亚州斯坦福

A: 是的,严格意义上说根本不会有电流。有水流,但它们真的很小,而且不仅限于登陆。也许最可以忽略不计的是,潮湿的空气不是完美的绝缘体,所以鸟的身体会有损失。但正如您还指出的那样,一只鸟可以被认为是一个(大致球形)电容器,第二个壳无限远且电位为 0。因此,这只鸟将在 f=60Hz(欧洲为 50Hz)下充电和放电,因为电源线携带的是交流电,而不是直流电。

让我们粗略计算一下,将鸟视为直径为 20 厘米的球体,电容 C 应为 ~10pF。rms 电流为 2πfVrmsC f。假设电线上有 100kV,这些参数给出的 rms 电流约为 400 µA。相比之下,对于人类来说,大约 10 mA 的交流电流开始变得危险。(https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_shock)对于鸟类来说,稍微低一点的电流可能是危险的。听起来即使对于高压线,纯电容电流也不是什么大问题。

Tunc + Mike W.