Может ли птица, ранее находившаяся под потенциалом земли, получить электрический ток, приземлившись на линию электропередачи при достаточно высоком напряжении из-за начального «выравнивающего заряда»?

При уровнях напряжения типичных воздушных линий электропередачи в США птица может приземлиться на нее и быть в порядке (пока она не делает что-то вроде расправления крыльев и касается дерева или чего-то еще при более низком электрическом потенциале).

Однако насчёт гипотетической линии электропередачи при гораздо более высоком напряжении (как в десятках мегавольт). Может ли посадка на такой линии электропередачи смертельно шокировать птицу, даже если она не замыкает цепь на постоянный ток? (Предположим, что расстояние достаточно велико, чтобы электрическая дуга была невозможна.)

ПРИМЕЧАНИЕ. Мое понимание того, что происходит, когда птица летит с земного объекта на линию электропередачи (исправьте меня, если я ошибаюсь), заключается в том, что при контакте с проводом ее электрический потенциал изменяется от потенциала земли к потенциалу линии электропередачи. Чтобы это произошло, происходит первоначальная передача электрической энергии (т.е. потока заряда, то есть тока) от линии электропередачи к птице, которая «выравнивает» их электрический потенциал, что происходит почти мгновенно. Если это правильно, то мой вопрос можно переформулировать в более общем виде: «Может ли« уравнительный заряд », такой как этот, привести к фатальному шоку, если разность потенциалов, которую он выравнивает, достаточно высока?»

Предполагая, что птица все еще находится под потенциалом земли при входе в контакт с проводом (скажем, она прыгнула прямо на нее от полюса).

В этой проблеме много неизвестных, но давайте попробуем заполнить некоторые пробелы данными, которые мы знаем о людях. Таким образом, пока не появится стейк-обменник EE, который является орнитологом с интересными данными, давайте предположим, что люди могут летать и любить расслабляться, вися на кабеле высокого напряжения.

Все объекты и живые существа имеют эквивалентную электрическую емкость. Модель человеческого тела - это соглашение, согласно которому люди эквивалентны в этом аспекте конденсатору 100 пФ (давайте предположим, что он не сильно уменьшится с земли до 23 метров в высоту, и назовем это наихудшим сценарием). Теперь давайте предположим, что контактное сопротивление между кабелем и геометрическим центром этого конденсатора, где бы он ни находился, составляет 3000 Ом, - взято из корпуса "Провода для удержания руки" на столе в другой резьбе - разделенное на два для контакта двумя руками. Тогда общая длительность равновесного тока, взятая за 5-кратную постоянную времени эквивалентного RC, составляет 0,75 микросекунды.

Воздействие токов через живые существа зависит от величины тока и продолжительности. Я никогда не видел ни одного исследования, которое бы показывало какие-либо данные ниже 10 мс (например, то же самое исследование, которое цитировалось выше), что неудивительно, так как очевидно, что время реакции сердечной ткани составляет 3 мс . В течение 10 мс ток, который генерирует необратимые эффекты, равен 0,5 А, и, похоже, он установился в этой точке (мало зависит от длительности), безусловно, до 3 мс. Давайте предположим, что после этой точки сердечная ткань ведет себя как неэффективная система первого порядка, ослабляя 20 дБ / десятилетие. Требуемый ток для подобных эффектов будет на 20 * 4,25 = 90 дБ выше или 15811A. Для контактного сопротивления 1500 Ом, как указано выше, это означает, что напряжение кабеля должно быть 23 ГВ!

Ожоги зависят исключительно от передаваемой энергии, поэтому теоретически высокое напряжение может гореть в течение такого небольшого времени. Но как высоко? Ну, «Электрические травмы: инженерные, медицинские и юридические аспекты», стр. 72 , говорится:

Расчетный минимальный ток, который может вызвать заметные ожоги первой или второй степени на небольшом участке кожи, составляет 100 А в течение 1 с.

Редактировать: Обратите внимание, что 100A довольно высоко, неясно, как автор определяет «ожоги первой степени на небольшом участке кожи», но я бы предположил, что это будет для области больше дюйма, сжигающей весь эпидермис и часть дермы клетки такие, что они отслаиваются.

Таким образом, для 750 наносекунд это 133MA требуется! Если мы снова воспользуемся сопротивлением 1500 Ом сверху, это означает, что провод должен иметь напряжение 199 ГВ, что безумие. Скорее всего, до того, как появятся эти ожоги, будут и другие неприятные эффекты, но ни 23GV, ни 199GV не появятся в ближайшем будущем. Отметим, что, как J ... поднял в комментариях, кабель 23 ГВ самопроизвольно изгибался бы с чем-либо с потенциалом Земли в пределах 7,6 км и, следовательно, потребовал бы невероятную степень изоляции.

Как будто этого было недостаточно, вы, возможно, заметили, что вышеизложенное предполагает, что максимальный ток применяется для всей продолжительности равновесного тока, тогда как на самом деле это экспоненциальная затухающая ... Средний ток за эту длительность фактически равен 0,2 раз максимум, поэтому эти значения должны быть 115GV и 995GV!

Предупреждение: это не означает, что можно безопасно прыгать и зависать от линий высокого напряжения, это быстрый анализ с приблизительными оценками данных и моделированием, и он не должен рассматриваться как оправдание ваших действий.

Я в основном согласен с объяснением Энди Ака. Я приведу более подробную теорию (конечно, я мог бы что-то упустить из виду).

У тела нет емкости, так как ему всегда нужна «вторая пластина» конденсатора. Люди относительно земли будут иметь заданную емкость, когда стоят (изолированы) над землей, и другую емкость при полете (если смогут), потому что тогда земля дальше.

Простая модель птицы может быть такой на следующей диаграмме:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

По мере приближения птицы линия С1 будет увеличиваться, а С2 будет уменьшаться. Это конденсаторный делитель, и потенциал птицы приблизится к линии высокого напряжения (ВН).

Предположим, просто для краткости, что С1 в 100 раз больше С2 перед тем, как ноги птицы коснутся линии, разница потенциалов между птицей и высоковольтной линией будет только 1% от ВН. Наконец, птичьи лапки касаются линии: C1 «закорочена», и единственная емкость для заполнения будет C2 (емкость между птицей и землей, которая очень мала, так как земля далеко). Поскольку потенциал тела уже составляет 99% ВН, а его емкость относительно земли очень мала, ток через птицу будет очень маленьким.

ПРИМЕЧАНИЕ. Мое понимание того, что происходит, когда птица летит с земного объекта на линию электропередачи (исправьте меня, если я ошибаюсь), заключается в том, что при контакте с проводом ее электрический потенциал изменяется от потенциала земли к потенциалу линии электропередачи.

Здесь кроется суть вопроса. Когда птица покидает землю в направлении проволоки, она постепенно меняет потенциал. Это не мгновенное изменение, потому что если бы оно было, птица испытала бы текущий толчок в тот момент, когда она приземлилась.

Таким образом, нет, это не происходит мгновенно, и чем больше напряжение провода = большее расстояние, следовательно, более длительный период времени для достижения указанного провода и, не вдаваясь в математику, небольшой незаметный ток, который испытывает птица, будет таким же.

РЕДАКТИРОВАТЬ - вот приличная картина того, как уровень напряжения изменяется с расстоянием между землей и «горячим» проводом: -

Это довольно классический анализ электрического поля. Из центра (предположительно, точка высокого напряжения) исходят черные линии электрического поля. Они выходят из провода во всех направлениях и ударяются о землю под прямым углом. Если вы тоже какой-либо из этих линий E-поля и «путешествуете» вдоль нее от уровня земли, скажем, на 10% ее длины, вы получите напряжение, равное 10% от горячей проволоки.

Если бы вы провели этот мысленный эксперимент для всех линий E-поля с разным процентом длины, вы бы смогли построить все линии эквипотенциала, и это красные линии.

Поскольку вы должны быть в состоянии увидеть, что потенциал, который может достичь маленький объект, поднимаясь от земли до «горячей» проволоки, является удивительно линейным.

Жаль видеть так много дезинформированных, высокопоставленных ответов на этот вопрос - поэтому я решил, наконец, открыть счет и внести свой вклад, после многих лет потаскать :)

Один из способов увидеть передачу энергии - это ток, протекающий по проводу, моделируемый как кинетическая энергия частиц (электронов) внутри. Однако, особенно в установках переменного тока, если кто-то моделирует электромагнитную энергию (через уравнения Максвелла), он видит мощность, передаваемую в пространстве между проводниками и вокруг них.

Таким образом, существует опасность ЭМ для всего, что близко к линии. Его уровень зависит от конкретной линии птичьего полета от общей проходящей мощности - напряжения и интенсивности!

Этот количественный ответ, который я нашел на https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=1341, применим:

В: Почему птицы не чувствуют статический шок? Я понимаю, что птицы не обеспечивают пути к земле, поэтому они не будут нести устойчивый ток. Но, конечно же, когда они впервые приземляются, есть ток для зарядки емкости птицы? Я читал, что статические удары болезненны при 10 кВ. Эти линии электропередачи несут сотни кВ, так что статический удар от линии электропередачи не будет очень болезненным? Спасибо, Тед - Тед (26 лет), Стэнфорд, Калифорния, США

A: Да, это не совсем верно, что не будет никакого тока вообще. Есть течения, но они действительно малы, и это не ограничивается только посадкой. Пожалуй, самый незначительный из всех, влажный воздух не является идеальным изолятором, поэтому будут потери от тела птицы. Но, как вы также заметили, птицу можно считать (приблизительно сферическим) конденсатором со второй оболочкой, бесконечно удаленной и с нулевым потенциалом. Поэтому птица будет заряжаться и разряжаться при f = 60 Гц (50 Гц в Европе), потому что линии электропередач несут переменный ток, а не постоянный ток.

Давайте сделаем грубый расчет, рассматривая птицу как сферу диаметром 20 см, тогда емкость C должна составлять ~ 10 пФ. Среднеквадратичное значение тока составляет 2πfVrmsC f. Скажем, на проводах 100 кВ, эти параметры дают около 400 мкА для действующего значения тока. Для сравнения, для человека переменные токи около 10 мА начинают становиться опасными. ( Https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_shock ) Для птицы несколько более низкие токи предположительно могут быть опасными. Похоже, что даже для линии высокого напряжения, однако, чисто емкостный ток не является проблемой.

Тунк + Майк В.

Насколько я понимаю, поскольку линия ВН является линией переменного тока, первоначальный потенциал птицы не имеет смысла из-за того, что потенциал провода чередуется над потенциалом земли и потенциалом земли каждые 1/100 секунды в 50 Гц. ситуация. Не менее вероятна вероятность того, что потенциал относительно потенциала земли в момент контакта с лапкой птицы также может быть очень близок к потенциалу земли 1/100 от каждой секунды.

Я не эксперт, но думаю, что это правильно: провод - это проводник; ток течет через него. Птице не причинят вреда. Ток будет течь вверх по одной ветви и вниз по другой, но провод гораздо лучше, так что ток будет минимальным. (С другой стороны, если птица приземлилась на источник очень высокого напряжения без протекающего тока, как огромный генератор Ван-дер-Граафа, то электростатическое отталкивание может взорвать ее перья).

Гипотетическая линия ВН с воздушной изоляцией при 10 с мегавольт не существует, потому что при этих напряжениях мощность, потерянная на коронный разряд, больше, чем мощность, потерянная на сопротивление провода. Когда напряжение повышается, ток уменьшается пропорционально, но после определенной точки потери мощности коронного разряда больше, чем I-квадрат R потерь.

«Определенная точка» зависит от диаметра проводника, что является одной из причин, по которой все высоковольтные проводники (и особенно при напряжении 1 кВ +) имеют искусственно завышенные диаметры: большая часть объема «проводника» вообще не является проводником: это сталь.

Коронный разряд возникает, когда градиент напряжения превышает градиент напряжения пробоя воздуха. Это зависит от влажности и воздуха (и загрязнения) и от гладкости поверхности проволоки.

Эквивалентные линии, показанные в другом ответе, вводят в заблуждение. Они должны быть намного ближе друг к другу возле провода, намного дальше друг от друга возле земли. Вот фактический измеренный пример: https://www.nms.org/Portals/0/Docs/FreeLessons/PHYS_Equipotential%20Lines%20and%20Electric%20Fields.pdf

Обратите внимание на разницу между зазором 8В-10В и зазором 4В-2В. Вблизи узкого провода распределение поля аналогично распределению поля вокруг изолированного точечного заряда, где градиент напряжения быстро приближается к «бесконечности» для «бесконечно тонкого» провода.

Я не могу найти реальные цифры для градиента электрического поля вблизи линии ВН. Я ожидал бы, что это будет меньше чем 3.4MV / m в худших условиях случая, или были бы отказы. Для сравнения, люди потерпят неудачу при напряжении около 0,01 МВ / м, а человеческая кожа выйдет из строя при напряжении около 500 В. Это говорит мне о том, что для человека, висящего на линии ВН, не так много факторов безопасности: вы будете достаточно близки к своему потенциалу ионизации, чтобы начать беспокоиться.

Типичные птицы намного меньше / короче людей, и поэтому при посадке на провода будут подвергаться гораздо меньшему напряжению напряжения. Крупные птицы могут быть сопоставимы по размеру с человеком, но обычно не садятся на провода. Крупные птицы обычно садятся на опоры, а не на проводах, потому что опоры всегда выше, чем провода: у меня нет информации о том, чувствуют ли крупные птицы дискомфорт в виде градиента электрического напряжения при попытке приземлиться на высоковольтные провода.

Я нахожусь за пределами моей области опыта, и приветствую любые исправления.

Интересно посмотреть на линии электропередач, птиц и посмотреть, что произойдет.

Птицы склонны садиться на линии электропередач низкого напряжения, как правило, ниже 100 кВ.

Птицы, как правило, не садятся на высоковольтные линии электропередач, обычно> 200 кВ.

Предположение (которое я считаю вполне правдоподобным) состоит в том, что это происходит из-за короны, которая возникает на линиях электропередач высокого напряжения. Вот почему они склонны использовать пучки проводов, а не отдельные проводники, чтобы уменьшить градиент электрического поля вокруг них. Любая заостренная деталь, выступающая из гладкого проводника, увеличит потери короны.

Птица на линии электропередачи действует как «торчащий вперед», что ухудшает коронный разряд. Выше некоторого критического тока короны птица находит это неудобным и уходит. Это будет ощущаться птицей, летящей в непосредственной близости от линии, даже до того, как она приземлится, птица будет искажать электрическое поле и получать ток короны.