Czy ptak, wcześniej mający potencjał ziemi, może zostać porażony prądem przez lądowanie na linii elektroenergetycznej przy wystarczająco wysokim napięciu z powodu początkowego „ładunku wyrównawczego”?

Przy poziomach napięcia typowych napowietrznych linii przesyłowych w USA ptak może wylądować na jednym i być w porządku (o ile nie robi czegoś takiego jak rozkładanie skrzydeł i dotykanie drzewa lub czegoś innego przy niższym potencjale elektrycznym).

A co z hipotetyczną linią energetyczną o znacznie wyższym napięciu (jak w dziesiątkach megawoltów). Czy lądowanie na takiej linii energetycznej może śmiertelnie wstrząsnąć ptakiem, nawet jeśli nie dokończy on obwodu stałego prądu? (Załóżmy, że odległość jest wystarczająco długa, aby łukowanie elektryczne było niemożliwe.)

UWAGA: Rozumiem, co się dzieje, gdy ptak leci z obiektu ziemi do linii energetycznej (proszę mnie poprawić, jeśli się mylę), że - po zetknięciu z drutem - jego potencjał elektryczny zmienia się z potencjału ziemi na potencjał linii energetycznej. Aby tak się stało, następuje początkowy transfer energii elektrycznej (tj. Przepływ ładunku, tj. Prądu) z linii energetycznej do ptaka, który „wyrównuje” ich potencjał elektryczny, co następuje niemal natychmiast. Jeśli jest to poprawne, moje pytanie można sformułować bardziej ogólnie: „Czy„ ładunek wyrównawczy ”, taki jak ten, może doprowadzić do śmiertelnego szoku, jeśli różnica potencjałów, które wyrównywa, jest wystarczająco wysoka?”

Zakładając, że ptak nadal ma potencjał ziemi podczas wchodzenia w kontakt z drutem (powiedzmy, że skoczył na niego z słupa).

W tym problemie jest wiele niewiadomych, ale spróbujmy wypełnić pewne luki danymi, które znamy u ludzi. Tak więc, dopóki zmieniacz stosów EE, który jest ornitologiem, nie pojawi się z interesującymi danymi, załóżmy, że ludzie mogą latać i lubić się zrelaksować zwisając z kabla wysokiego napięcia.

Wszystkie przedmioty i żywe stworzenia mają równoważną pojemność elektryczną. Model Ludzkiego Ciała to konwencja, która mówi, że ludzie są pod tym względem równoważni kondensatorowi 100pF (załóżmy, że nie zmniejsza się znacznie od ziemi do wysokości 23 metrów, i nazwij to najgorszym scenariuszem). Załóżmy teraz, że rezystancja styku między kablem i gdziekolwiek znajduje się geometryczny środek tego kondensatora, wynosi 3000 Ω - wzięta z obudowy stołu „Drut trzymający drut” w innym wątku - podzielona przez dwie dla styku dwoma rękami. Wtedy całkowity czas trwania prądu równowagi, przyjęty jako 5-krotność stałej czasowej równoważnego RC, wynosi 0,75 mikrosekundy.

Wpływ prądów na żywe stworzenia zależy od wielkości prądu i czasu trwania. Nigdy nie widziałem żadnych badań pokazujących dane poniżej 10 ms (np . To samo badanie cytowane powyżej), co nie jest zaskakujące, ponieważ najwyraźniej czas odpowiedzi tkanki serca wynosi 3 ms . Przez 10 ms prąd, który generuje nieodwracalne efekty, wynosi 0,5 A i wydaje się, że ustabilizował się w tym momencie (niewiele zależy od czasu trwania), z pewnością do 3 ms. Załóżmy, że po tym punkcie tkanka serca zachowuje się jak nieefektywny system pierwszego rzędu, tłumiący 20dB / dekadę. Wymagany prąd dla podobnych efektów byłby 20 * 4,25 = 90dB wyższy, lub 15811A. Dla rezystancji styku 1500 omów, jak zastosowano powyżej, oznacza to, że napięcie kabla musi wynosić 23GV!

Oparzenia zależą wyłącznie od przenoszonej energii, więc teoretycznie wysokie napięcie może palić się przez tak krótki czas. Ale jak wysoko? Cóż, „Urazy elektryczne: aspekty inżynieryjne, medyczne i prawne”, strona 72 , stwierdzają:

Szacowany najniższy prąd, który może powodować zauważalne oparzenia pierwszego lub drugiego stopnia na małym obszarze skóry, wynosi 100A przez 1s

Edycja: Zauważ, że 100A jest dość wysokie, nie jest jasne, w jaki sposób autor definiuje „oparzenia pierwszego stopnia na małym obszarze skóry”, ale przypuszczam, że byłby to obszar większy niż cal, spalający cały naskórek i część skóry właściwej komórki takie, że się odklejają.

Tak więc przez 750nanosekund potrzeba 133MA! Jeśli użyjemy ponownie rezystancji 1500 omów z góry, oznacza to, że drut musiałby mieć 199GV, co jest szalone. Są szanse, że pojawią się inne nieprzyjemne efekty, zanim pojawią się te poparzenia, ale ani dźwięk 23GV, ani 199GV prawdopodobnie nie zabrzmi w najbliższej przyszłości. Na marginesie, jak J ... podniósł w komentarzach, kabel 23GV spontanicznie zajmie łuk o potencjale ziemskim w odległości 7,6 km, a zatem będzie wymagał niesamowitej izolacji.

Jakby tego było mało, można zauważyć, że powyższe zakłada, że ​​maksymalny prąd jest stosowany przez cały czas trwania prądu równowagi, podczas gdy w rzeczywistości jest to rozkładający się wykładniczy ... Średni prąd w tym czasie wynosi w rzeczywistości 0,2 razy maksimum, więc te wartości powinny naprawdę wynosić 115GV i 995GV!

Ostrzeżenie: nie oznacza to, że można bezpiecznie wskoczyć i zawiesić na liniach wysokiego napięcia, jest to szybka analiza z przybliżonymi danymi szacunkowymi i modelowaniem i nie powinna być uważana za uzasadnienie twoich działań.

W większości zgadzam się z wyjaśnieniem Andy'ego Aki. Podam jednak bardziej szczegółową teorię (oczywiście mogę coś przeoczyć).

Ciało samo w sobie nie ma pojemności, ponieważ zawsze potrzebuje „drugiej płytki” kondensatora. Ludzie względem ziemi będą mieli określoną pojemność, gdy staną (izolowani) nad ziemią, oraz inną pojemność podczas lotu (jeśli to możliwe), ponieważ wtedy ziemia jest dalej.

Prostym modelem ptaka może być ten na następnym schemacie:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

W miarę zbliżania się ptaka linia C1 wzrośnie, a C2 spadnie. Jest to dzielnik kondensatora, a potencjał ptaka zbliży się do pierwszej linii wysokiego napięcia (HV).

Załóżmy, żeby podać kilka szybkich liczb, że C1 jest 100 razy C2 tuż przed tym, jak stopy ptaka dotkną linii, różnica potencjałów między ptakiem a linią WN będzie wówczas wynosić tylko 1% WN. Wreszcie stopy ptaka dotykają linii: C1 jest „zwarte”, a jedyna pojemność do wypełnienia to C2 (pojemność między ptakiem a ziemią, która jest bardzo mała, ponieważ ziemia jest daleko). Ponieważ potencjał ciała wynosi już 99% HV, a jego pojemność do ziemi jest bardzo mała, prąd przez ptaka byłby naprawdę mały.

UWAGA: Rozumiem, co się dzieje, gdy ptak leci z obiektu ziemi do linii energetycznej (proszę mnie poprawić, jeśli się mylę), że - po zetknięciu z drutem - jego potencjał elektryczny zmienia się z potencjału ziemi na potencjał linii energetycznej

Na tym polega sedno sprawy. Gdy ptak opuszcza ziemię w kierunku drutu, uzyskuje stopniową zmianę potencjału. Nie jest to natychmiastowa zmiana, ponieważ gdyby tak było, ptak odczułby aktualny wstrząs w momencie, w którym wylądował.

Więc nie, nie dzieje się to natychmiast, a większe napięcia drutu = większa odległość, a zatem dłuższy czas na dotarcie do wspomnianego drutu i, bez wchodzenia w matematykę, mały niezauważalny prąd, którego doświadcza ptak, będzie taki sam.

EDYCJA - oto przyzwoity obraz zmian poziomu napięcia wraz z odległością między masą a „gorącym” drutem:

Jest to dość klasyczna analiza pola elektrycznego. Z centrum emanują (zakładane jako punkt wysokiego napięcia) czarne linie pola elektrycznego. Te wychodzą z drutu we wszystkich kierunkach i uderzają w „ziemię” pod kątem prostym. Jeśli ty też któraś z linii pola elektrycznego „podróżujesz” wzdłuż ziemi z (powiedzmy) 10% jego długości, osiągniesz napięcie, które wynosi 10% gorącego drutu.

Jeśli wykonałeś ten myślowy eksperyment dla wszystkich linii pola E przy różnych wartościach procentowych długości, możesz wykreślić wszystkie linie ekwipotencjalne i takie są czerwone linie.

Ponieważ powinieneś być w stanie zobaczyć potencjał, jaki może osiągnąć mały obiekt, wznoszący się od szlabanu do „gorącego” drutu, jest niezwykle liniowy.

Szkoda, że ​​widzę tak wiele niedoinformowanych, wysoko postawionych odpowiedzi na to pytanie - dlatego po latach czajenia postanowiłem w końcu otworzyć konto i wesprzeć :)

Jednym ze sposobów zobaczenia transmisji mocy jest przepływ prądu przez drut - modelowany jako energia kinetyczna cząstek (elektronów) w środku. Jednak szczególnie w instalacjach prądu przemiennego, jeśli modeluje się energię elektromagnetyczną (za pomocą równań Maxwella), widać energię przenoszoną w przestrzeni między przewodami i wokół nich.

Zatem istnieje zagrożenie EM dla wszystkiego, co znajduje się nawet blisko linii. Jego poziom zależy, dla danego systemu linii ptaków, od ogólnej mocy przechodzącej - napięcia i intensywności!

Ta ilościowa odpowiedź, którą znalazłem na https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=1341 dotyczy:

P: Dlaczego ptaki nie odczuwają wstrząsu statycznego ? Rozumiem, że ptaki nie zapewniają ścieżki do ziemi, więc nie będą nosić prądu w stanie ustalonym. Ale na pewno, kiedy po raz pierwszy wylądują, będzie prąd, który naładuje pojemność ptaka? Czytałem, że wstrząsy statyczne są bolesne przy około 10 kV. Te linie elektroenergetyczne przenoszą setki kV, więc czy wstrząs statyczny z linii energetycznej nie byłby bardzo bolesny? Dzięki, Ted - Ted (26 lat) Stanford, Kalifornia, USA

Odp .: Tak, nie jest prawdą, że w ogóle nie będzie prądu. Są prądy, ale są naprawdę małe, a to nie ogranicza się tylko do lądowania. Być może najbardziej nieistotne ze wszystkich, wilgotne powietrze nie jest doskonałym izolatorem, więc wystąpią straty z ciała ptaka. Ale, jak wskazałeś, ptaka można uznać za (z grubsza sferyczny) kondensator z drugą skorupą nieskończenie daleko i przy potencjale 0. Dlatego ptak będzie ładowany i rozładowywany przy f = 60 Hz (50 Hz w Europie), ponieważ linie energetyczne przewodzą prąd przemienny, a nie stały.

Wykonajmy zgrubne obliczenia, biorąc pod uwagę ptaka jako kulę o średnicy 20 cm, pojemność C powinna wynosić ~ 10 pF. Prąd skuteczny wynosi wtedy 2πfVrmsC f. Powiedzmy, że na przewodach jest 100 kV, parametry te dają około 400 µA dla prądu rms. Dla porównania, dla człowieka prądy prądu przemiennego o wartości około 10 mA stają się niebezpieczne. ( Https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_shock ) Dla ptaka prawdopodobnie nieco niższe prądy mogą być niebezpieczne. Brzmi to tak, jakby nawet dla linii wysokiego napięcia, jednak czysto pojemnościowy prąd nie stanowił problemu.

Tunc + Mike W.

rozumiem, że ponieważ linia WN jest linią prądu przemiennego, pierwotny potencjał ptaka jest bez znaczenia ze względu na fakt, że potencjał drutu zmienia się nad potencjałem ziemi i poniżej potencjału ziemi co 1/100 sekundy w 50 Hz sytuacja. Istnieje równie prawdopodobne prawdopodobieństwo, że potencjał względem potencjału gruntu w momencie kontaktu stopy ptaka może być bardzo zbliżony do potencjału ziemi 1/100 na sekundę.

Nie jestem ekspertem, ale myślę, że to prawda: drut jest przewodnikiem; płynie przez nie prąd. Ptak nie zostanie skrzywdzony. Prąd będzie płynął w górę jednej nogi i w dół drugiej, ale drut jest znacznie lepszym przewodnikiem, więc prąd będzie maleńki. (Z drugiej strony, gdyby ptak wylądował na źródle bardzo wysokiego napięcia bez prądu płynącego, jak ogromny generator Van Der Graafa, wówczas odpychanie elektrostatyczne mogłoby wystrzelić jego pióra).

Hipotetyczna izolowana powietrzem linia WN o mocy 10 s megawoltów nie istnieje, ponieważ przy tych napięciach moc tracona przez wyładowanie koronowe jest większa niż moc tracona na rezystancję drutu. Wraz ze wzrostem napięcia prąd maleje proporcjonalnie, ale po pewnym punkcie strata mocy wyładowania koronowego jest większa niż strata R. do kwadratu.

„Pewny punkt” zależy od średnicy przewodnika, co jest jednym z powodów, dla których wszystkie przewody wysokiego napięcia (a zwłaszcza przy 1KV +) mają sztucznie napompowane średnice: duża część „przewodnika” wcale nie jest przewodnikiem: to stal.

Wyładowanie koronowe występuje, gdy gradient napięcia jest większy niż gradient napięcia przebicia powietrza. Zależy to od wilgotności i ochrony powietrza (i zanieczyszczenia) oraz od gładkości powierzchni drutu.

Linie równego potencjału przedstawione w drugiej odpowiedzi wprowadzają w błąd. Powinny znajdować się znacznie bliżej drutu, znacznie dalej od ziemi. Oto rzeczywisty zmierzony przykład: https://www.nms.org/Portals/0/Docs/FreeLessons/PHYS_Equipotential%20Lines%20and%20Electric%20Fields.pdf

Zwróć uwagę na różnicę między przerwą 8 V-10 V a przerwą 4 V-2 V. W pobliżu wąskiego drutu rozkład pola jest podobny do rozkładu wokół izolowanego ładunku punktowego, gdzie gradient napięcia szybko zbliża się do „nieskończoności” dla „nieskończenie cienkiego” drutu.

Nie jestem w stanie znaleźć rzeczywistych liczb dla gradientu pola elektrycznego w pobliżu linii WN. Spodziewałbym się, że będzie on mniejszy niż 3,4 MV / mw gorszych warunkach, w przeciwnym razie wystąpiłyby awarie. Dla porównania ludzie ulegną awarii przy około 0,01 MV / m, a ludzka skóra ulegnie awarii przy około 500 V. To sugeruje mi, że nie ma zbyt dużego współczynnika bezpieczeństwa dla człowieka zwisającego z linii wysokiego napięcia: byłbyś wystarczająco blisko swojego potencjału jonizacji, aby zacząć się martwić.

Typowe ptaki są znacznie mniejsze / krótsze niż ludzie, a zatem podczas lądowania na drutach byłyby narażone na znacznie mniejsze naprężenie napięciowe. Duże ptaki mogą być porównywalne pod względem wielkości do ludzi, ale zwykle nie siedzą na drutach. Duże ptaki zwykle siedzą na wieżach transmisyjnych, a nie na drutach, ponieważ wieże są zawsze wyższe niż drut: Nie mam informacji, czy duże ptaki odczuwają dyskomfort gradientu napięcia elektrycznego podczas próby lądowania na drutach WN.

Jestem poza obszarem mojego doświadczenia i z zadowoleniem przyjmuję wszelkie poprawki.

Interesujące jest spojrzenie na linie energetyczne i ptaki i zobaczyć, co się stanie.

Ptaki zwykle siedzą na liniach niskiego napięcia, zwykle poniżej 100 kV.

Ptaki zwykle nie siedzą na liniach wysokiego napięcia, zwykle> 200 kV.

Spekulacje (które uważam za całkowicie wiarygodne) są takie, że wynika to z wyładowania koronowego występującego w liniach energetycznych wysokiego napięcia. Właśnie dlatego używają wiązek drutu, a nie pojedynczych przewodów, aby zmniejszyć gradient pola elektrycznego wokół nich. Każda spiczasta rzecz wystająca z gładkiego przewodnika zwiększy utratę koronową.

Ptak na linii energetycznej działa jak „trochę wystający”, co pogarsza wyładowanie koronowe. Nad pewnym krytycznym prądem koronowym ptak czuje się nieswojo i wychodzi. Będzie to odczuwalne przez ptaka lecącego w pobliżu linii, nawet zanim wyląduje, ptak zniekształci pole elektryczne i otrzyma prąd koronowy.