由于初始的“均衡电荷”,以前处于大地电位的小鸟能否通过以足够高的电压降落在电力线上而被电死?


71

在美国典型的架空输电线路的电压水平上,鸟可以降落在一只鸟上并且状况良好(只要它不做诸如张开翅膀并以较低电势接触树木或其他事情)。

但是,假想的电源线在更高的电压下(例如数十兆伏)又如何呢?即使没有完成持续电流电路,降落在这样的电力线上也能使这只鸟致命地震惊吗?(假设距离足够长,则不可能产生电弧。)

注意:我对鸟从地面物体飞到电源线时会发生什么的理解(如果我错了,请纠正我)是-接触电线后,其电势从地势变为电源线的电势。为了使这种情况发生,电能(即电荷流,即电流)从电力线到鸟类的初始转移会“均衡”其电势,这几乎是瞬间发生的。如果这是正确的话,那么我的问题可以更广泛地重申为“如果均衡所产生的电位差足够高,这样的“均衡收费”会导致致命的冲击吗?”


124
这将取决于“空载吞咽的电容是多少”
pjc50

6
很好的问题,并且制定得很好。我想知道关于人类的同一件事。只是猜测,但是我想说它与包含鸟的等效电容量和接触HV线的电阻-[鸟的“电荷中心”]的RC电路相比。这将给出i(t)特征,我们可以评估(至少对于人类而言)在大多数情况下是否具有致命性。但是,即使我认为我们可以估计容量,也无法确定阻力会是多少。
米斯特先生(MisterMystère)2015年

54
@ pjc50非洲还是欧洲人?
Majenko

15

6
...尤其是为了了解他们如何始终平衡直升机的潜力,以免死亡。
马延科

Answers:


73

假设鸟类与电线接触时仍处于地电位(例如,它从电线杆上跳下)。

这个问题有很多未知数,但让我们尝试用人类已知的数据填补一些空白。因此,直到一位鸟类学家的EE堆栈交换器显示出有趣的数据之前,我们假设人类可以飞翔并且喜欢放松高压电缆上的悬挂物。

所有物体和生物具有相等的电容量。人体模型是一项约定,规定人类在这方面与100pF电容器等效(假设从地面减小到23米高不会造成太大影响,这是最坏的情况)。现在,假设电缆与电容器的几何中心所在的位置之间的接触电阻为3000Ω-从表的“手握电线”盒中的另一根螺纹中取 -用两只手接触除以2。然后,平衡电流的总持续时间为等效RC时间常数的5倍,为0.75微秒。

通过生物流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10ms以下的任何数据(例如,上述相同的研究),这并不奇怪,因为心脏组织的响应时间显然为3ms。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上(几乎不依赖于持续时间),当然降至3ms。假设超过这一点,心脏组织的行​​为就像一个无效的一阶系统,衰减了20dB /十倍。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必须为23GV!

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

可以在皮肤的小区域产生明显的一级或二级灼伤的估计最低电流为100A,持续1s

编辑:请注意100A很高,尚不清楚作者如何定义“在皮肤的小区域上的一级烧伤”,但我想这将是针对大于一英寸的区域,烧掉所有表皮和一些真皮细胞使它们剥离。

因此,对于750纳秒,则需要133MA!如果我们再次从上方使用1500Ohms的电阻,则意味着电线需要保持在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效果,但是在不久的将来可能不会出现23GV和199GV声音。旁注,正如J ...在评论中提到的那样,一根23GV电缆会自发地与7.6公里内的地球电位产生电弧,因此需要大量隔离。

似乎还不够,您可能已经注意到,以上假设在平衡电流的整个持续时间内都施加了最大电流,而实际上却是一个衰减的指数...在此持续时间内的平均电流实际上为0.2乘以最大值,因此这些值实际上应该是115GV和995GV!

警告:这并不意味着可以安全地从高压线路上跳下来和挂起,这是通过粗略的数据估算和建模进行的快速分析,不应视为您采取任何行动的理由。


6
极好的答案(+1)。我将至少等待24小时才能“接受”任何内容,因此其他人有时间发表替代性理论和/或质疑其他答案的有效性。
etherice 2015年

2
好答案!只是一个问题,肯定会引起灼伤的电流是100 mA,而不是A?例如,您不容易从墙壁插座上获得100 A的电流,但是会被灼伤吗?
tomnexus

10
let's assume humans (...) like to chill out hanging from a high voltage cable.-直到今天,我还以为每个人都在做...现在我又感到孤独。
vaxquis 2015年

5
同样,出于好奇,电缆的电势为23GV时,它会自发放电(即,立即产生巨大的闪电),使之与地面电势至少在7.6公里(约5英里)内(在正常大气中)相抵触。除非这是某种神奇的空中电缆,否则它将需要大量的绝缘,以防止其在该半径范围内的所有物体上产生电弧。
J ...

3
与架线工相比,直升机具有巨大的电容,通过架线工的直升机平衡电流可能会杀死他,这就是为什么他们配备法拉第笼/衣服的原因。对于您的老师,您是否绝对确定这是由于他自己的电容,而不是由于与地球的隔离不足?
米斯特先生(MisterMystère)2015年

23

我大多同意安迪·阿卡的解释。我将给出更详细的理论(当然,我可能会忽略一些东西)。

物体本身没有电容,因为它始终需要电容器的“第二极板”。相对于地面,人类相对于地面站立(绝缘)时将具有给定的电容,而在飞行(如果能够)时则相对于地面将具有不同的电容,因为接地距离更远。

下图是一个简单的鸟模型:

原理图

模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图

随着鸟类的接近,线C1将增加而线C2将减少。这是一个电容分压器,鸟的电位将接近高压(HV)线之一。

让我们假设一个简单的数字,在鸟的脚触碰到线之前,C1是C2的100倍,因此,鸟与HV线之间的电势差仅为HV的1%。最后,鸟脚碰到了线:C1被“短路”,唯一要填充的电容将是C2(鸟与地面之间的电容,当地面很远时很小)。因为人体电位已经达到HV的99%,并且其对地的电容很小,所以通过鸟类的电流确实很小。


很好的解释,它阐明了安迪·阿卡(Andy Aka)在回答中的观点。+1
以太(Ericice)2015年

1
可能需要计算这些容量的估计值,因为我怀疑C1能否达到足够高的水平,以至于这很重要(电缆没有平坦的表面会减小有效面积,电缆很小会减小重叠部分身体等部位)。我仍然没有在答案中涵盖此效果,绝对值得+1(+1)。
米斯特先生(MisterMystère)2015年

@MisterMystèreC1当然很小,但只需要相对于C2大即可。另一方面,电缆不是那么小(通常直径至少为4厘米)并且非常长。完整的图片将是用于电线的长圆柱体,用于鸟类的球体以及用于地面的无限平面。如果有人有时间从事这项工作,那将是一个不错的贡献。我发现了两个领域的东西:iue.tuwien.ac.at/phd/wasshuber/node77.html,但这并不完全相同!感谢您的+1!–罗杰C. 7分钟前
罗杰C.

我没有时间研究它,但是当半径趋于无穷大时,平面是球体的极限,因此实际上可以通过这种方式求解。
米斯特先生(MisterMystère)2015年

1
所有物体本身都有电容。他们的第二个板块位于一些遥远的恒星上;)
维克托·波佩斯库

13

注意:我对鸟从地面物体飞到电源线时会发生什么的理解(如果我错了,请纠正我)是-接触电线后,其电势从地势变为电源线的势

这就是问题的症结所在。当小鸟沿着电线的方向离开地面时,它的电位会逐渐变化。这不是瞬间的变化,因为如果是这样的话,那只鸟在着陆的那一刻会经历当前的颠簸。

因此,不,它不会立即发生,较大的电线电压=较大的距离,因此需要更长的时间才能到达所述电线,而无需进行数学计算,鸟类所经历的较小的不可察觉的电流将是相同的。

编辑-这是电压水平随地线与“热”线之间的距离而变化的方式的示意图:-

在此处输入图片说明

这是相当经典的电场分析。黑色电场线从中心发出(假定是高压点)。它们从电线的各个方向退出,并以直角撞击“地面”。如果您也有任何一条电场线,并且从地平面沿其“行进”了其长度的10%(例如),您将获得的电压为热线的10%。

如果您对所有电场线以不同的长度百分比进行了这种思想实验,您将能够绘制所有等势线,这就是红线。

正如您应该看到的那样,一个小物体可能会从刺线上升到“热”线,这是非常明显的线性。


简而言之,我在问题中使用的措词是“ 几乎是瞬时的”。更重要的是,均衡发生所需的时间不是问题,而是如果电位差足够大,均衡是否会导致致命的冲击。
etherice 2015年

@etherice Andy提出的要点是您提出的情况不会发生。
马特·杨

我认为他在争论那不是瞬间的。
pjc50

+1(在阅读了Roger C提供的解释后,您的答案更加清楚了)
以太之音

好的插图。我唯一要反对的是,在输电线中有3个相(相距120º,附加电压为0),而不是一个相。因为您具有三个电场的叠加,所以不应期望从地到一根热线都有线性电势增加。当鸟类真正开始接近其中一根火线时,巨大的潜在增加步骤就会发生,因为它的领域将成为主导。
罗杰C.15年

6

很遗憾看到这么多关于这个问题的错误的,高级的答案-因此,经过多年潜伏,我终于决定开设一个帐户并捐款:)

观察功率传输的一种方法是电流通过导线-建模为其中的粒子(电子)的动能。但是,尤其是在交流电设备中,如果一个模型(通过麦克斯韦方程组)模拟电磁能,则可以看到导体之间及其周围空间中所承载的功率。

因此,即使靠近线路的任何地方都存在电磁危险。对于给定的鸟线系统,其水平取决于所经历的整体力量-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于:

问:为什么鸟类不会感到静电冲击?我了解鸟类不会提供接地路径,因此它们不会携带稳态电流。但是可以肯定的是,当他们第一次着陆时,会有电流为鸟的电容充电吗?我读到静电冲击在10 kV左右会很痛苦。这些电源线承载数百kV,那么电源线产生的静电冲击会不会很痛苦?谢谢,泰德-泰德(年龄26)美国加利福尼亚州斯坦福

答:是的,严格意义上讲根本没有电流。有电流,但是它们确实很小,并且不仅限于降落。也许最微不足道的是,潮湿的空气不是理想的绝缘体,因此会从鸟的身体中造成损失。但是,正如您还指出的那样,鸟可以被认为是(近似球形的)电容器,其第二个壳无限远且处于0电位。因此,家禽将以f = 60Hz(欧洲为50Hz)充电和放电,因为电源线带有交流电,而不是直流电。

让我们以鸟为直径20cm的球体进行粗略的计算,然后电容C应该约为10pF。均方根电流则为2πfVrmsCf。假设导线上有100kV,这些参数的均方根电流约为400 µA。为了比较,对于大约10人是交流电流毫安开始变得危险。(https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_shock)对于鸟,稍低的电流推测可能是危险的。听起来,即使是高压线路,也可以说,纯电容电流并不是一个大问题。

Tunc + Mike W.


尽管您引用的答案听起来不错,但绝对没有电磁危险。高压线产生的电磁场小于地球的电磁场(如果需要,我可以找出源)。
米斯特先生(MisterMystère),2015年

简而言之,安培定律:电流产生磁场。对于线性导体B = miu * I / 2 * pi * d(en.wikipedia.org/wiki/Inductance#Inductance_of_a_coaxial_line)。其中d是与导线的距离,miu约为10 ^ -6。同样,可变磁场->电场。想想感应加热器,但是电源线当然会承载较小的电流;)
Victor Popescu 2015年

@VictorPopescu你所引述国家的摘录,这是不是一个危险....
SCLD

我引用的摘录近似于一只在空洞中有20厘米金属球的鸟:D事实是,除了经验之外,不可能采用其他方法。高压线的要点是要承载相对较低的电流(也许是数百安培)。因此,我们只知道鸟类不受电线附近辐射密度的影响。对于人类而言可能并非如此!
维克托·波佩斯库

1
您似乎在说,电缆传输的功率被模拟为电子的动能。你有这个证明吗?我很乐意看到它。您似乎还说过,功率(可能是数十英里以外的负载所吸收的功率)承载在导体周围的空间中。我也希望看到一些证据。
安迪(aka Andy)

2

我的理解是,由于HV线是AC线,因此鸟的原始电势是没有意义的,因为电线的电势在50hz内每1/100秒交替在地面电势和地面电势以下情况。鸟脚接触时相对于地电势的可能性也很可能也非常接近每秒1/100的地电势。


1

我不是专家,但是我认为这是正确的。电流流过它。这只鸟不会受到伤害。电流会从一个分支流向另一分支,但导线是更好的导体,因此电流将很小。(另一方面,如果鸟类在没有电流的情况下降落在非常高的电压源上,例如巨大的Van Der Graaf发电机,则静电排斥作用可能会炸掉其羽毛)。


0

假设的空气绝缘高压线不存在10兆伏的电压,因为在这些电压下,电晕放电所损失的功率大于导线电阻所损失的功率。随着电压的升高,电流成比例地减小,但是超过某个点时,电晕放电的功率损耗大于I平方R损耗。

“确定点”取决于导体的直径,这就是为什么所有高压导体(特别是1KV +)都具有人为膨胀的直径的原因之一:“导体”的大部分体积根本不是导体:是钢。

当电压梯度大于空气的击穿电压梯度时,会发生电晕放电。这取决于湿度和空气压力(以及污染)以及导线的表面光滑度。

其他答案中显示的等势线具有误导性。它们应在电线附近更近,在地面附近更远。这是一个实际的测量示例:https : //www.nms.org/Portals/0/Docs/FreeLessons/PHYS_Equipotential%20Lines%20and%20Electric%20Fields.pdf

注意8V-10V间隙和4V-2V间隙之间的差异。在窄导线附近,电场分布类似于隔离点电荷周围的电场分布,对于“无限细”的导线,电压梯度迅速接近“无穷大”。

我找不到高压线附近电场梯度的实际数字。在更坏的情况下,我希望它小于3.4MV / m,否则会出现故障。为了进行比较,人类将以约0.01MV / m的速度失败,而人类皮肤将以约500V的速度失败。这向我表明,从高压线路上吊人的安全因素并不多:您将离电离势力足够近而开始担心。

典型的鸟类比人类小/短得多,因此在电线上着陆时将承受较小的电压应力。大禽类的大小可以与人类媲美,但通常不会栖息在电线上。大鸟通常栖息在输电铁塔上,而不是电线上,因为铁塔总是比电线高:我没有任何信息可知大鸟在尝试着陆在HV电线上时是否感到电压梯度不适。

我不在我的经验范围内,欢迎任何纠正。


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查看电力线和鸟类,看看会发生什么是很有趣的。

鸟类倾向于栖息在低压电力线上,通常低于100kV。

鸟类通常不会栖息在通常大于200kV的高压电力线上。

推测(我认为完全合理)是由于电晕发生在高压电力线上。这就是为什么他们倾向于使用线束而不是单导体来减小围绕它们的电场的梯度。从光滑导体上伸出的任何尖锐物体都会增加电晕损耗。

电力线上的鸟的行为就像“伸出的比特”,这会使电晕放电恶化。在一些临界电晕电流之上,鸟发现这种不舒服,然后离开。鸟类会飞到线路附近,甚至在降落之前,鸟类都会感到电场的扭曲并接收电晕电流。

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