Strona głównaPytania → Dlaczego ptaki mogą siedzieć oraz...

Dlaczego ptaki mogą siedzieć oraz ludzie pracować na liniach wysokiego napięcia?

Pytanie

Pyta Przemysław

1) Dlaczego ptaki mogą siedzieć na liniach przenoszących prąd?
2) Jak ludzie pracują na tychże liniach, dotykając ich?
Czytałem o wyrównywaniu potencjału człowieka z linią (wtedy napięcie między nimi to 0, więc prąd nie popłynie). Ale czytałem też, że linią płynie prąd przemienny, więc potencjał się cały czas zmienia. Czy chodzi o to, że potencjał człowieka/ptaka na linie zmienia się razem z potencjałem linii? Czemu ta zmiana jest niegroźna (szczególnie dla ptaka, który przecież nie nosi kombinezonu ochronnego)? Jeszcze przy okazji — co jest groźne przy porażeniu prądem i od czego zależą obrażenia i jak do nich dochodzi?

Odpowiedź

Odpowiada Damian Zdulski

Dla uproszczenia na początku załóżmy, że przez obwód płynie prąd stały. Ptaki zawsze siedzą tylko na pojedynczym drucie przesyłowym, nie dotykając słupa oraz innych drutów.  W takiej sytuacji ich ciało wraz z kablem pomiędzy łapkami tworzy obwód równoległy. Prąd zawsze płynie głównie po drodze z najmniejszym oporem elektrycznym, a opór kabla jest dużo mniejszy niż ciała ptaka. Dlatego prąd przepływający przez ptaka jest bardzo mały i nieodczuwalny przez zwierzę. Na początku prąd płynący przez ciało ptaka będzie trochę większy, gdyż oprócz oporu ciało ptaka posiada także pojemność niczym kondensator, która z jego oporem tworzy obwód równoległy. Dlatego nawet gdyby pominąć efekt różnicy potencjału związany z rozstawem nóg ptaka to i tak przez jego ciało płynąłby prąd ładowania jego wewnętrznego kondensatora do momentu wyrównania potencjału z kablem.

W przypadku prądu zmiennego musimy uwzględnić dodatkowe dwa efekty. Pierwszy związany jest z tym, że oprócz niezerowego oporu kabla uwzględnić musimy jeszcze jego pojemność oraz indukcyjność. Powoduje to, że potencjał w kablu, analogicznie jak dla fal na wodzie, będzie miał w każdej chwili czasu sinusoidalny rozkład przestrzenny. Stąd między łapkami ptaka będzie występować przesunięcie fazowe potencjału, które zwiększy napięcie i tym samym prąd skuteczny przepływający przez ptaka w porównaniu do sytuacji z prądem stałym.

Drugi efekt związany jest z tym, że na skutek zmiany w czasie potencjału kabla, kondensator ptaka nigdy nie osiągnie stanu równowagi i cały czas będzie płynął zmienny prąd ładowaniu lub rozładowywania.

Oszacowanie wielkości wspomnianych efektów można znaleźć w takiej pracy. Wyniki wskazują, że wypadkowy prąd skuteczny płynący przez ciało ptaka jest rzędu 1mA dla linii o napięciu 500kV. Dla porównania taki prąd jest na granicy możliwości percepcji przez ludzi. Główny wkład do prądu pochodzi od efektów związanych z pojemnością. Wynika to z tego, że dla obwodu równoległego opornika $R$ oraz pojemności $C$, który jest elektrycznym modelem ptaka, amplituda prądu całkowitego $I_{max}$ (proporcjonalna do prądu skutecznego) zadana jest wzorem $$I_{max}=V_{max}\sqrt{\frac{1}{R^2}+(\omega C)^2}.$$ Widać stąd, że dla bardzo dużego oporu natężenie prądu będzie zadane praktycznie tylko przez człon pojemnościowy pod pierwiastkiem.

O pracy ludzi naprawiających linie wysokiego napięcia opowiada filmik oraz film dokumentalny. Aby nie wystąpił zabójczy przepływ prądu przez ich ciało między kablem a podłożem, podczas pracy stoją na specjalnych platformach wykonanych z dobrego izolatora lub jak na filmie podlatują do kabla helikopterem. W takim przypadku występują te same efekty jak dla ptaków. Jednak z racji tego, że ludzie mają większe rozmiary liniowe i tym samym pojemność, prąd skuteczny płynący przez ich ciało także będzie większy, rzędu 10mA dla linii o napięciu 500kV. Jest to już znaczący prąd, generujący nieprzyjemne uczucie, gdyż badania empiryczne wskazują, że dorosły mężczyzna jest wstanie średnio wytrzymać prąd do 16mA. Powyżej tej granicy na skutek porażenia mięśni nie będzie wstanie puścić kabla. Dlatego robotnicy noszą specjalne przewodzące kombinezony, które działają jak klatka Faradaya. Dzięki temu prąd płynie głównie po powierzchni kombinezonu, zamiast przez ciało.

Dodatkowo, podczas podłączania się do linii robotnicy używają specjalnych lasek, które przykładają w pobliże kabla. Na skutek silnego pola elektrycznego wytwarzanego przez linię powstaje łuk elektryczny między kablem i laską ładujący powoli robotnika i helikopter do potencjału bliskiego potencjałowi kabla. Gdyby zamiast tego robotnik od razu chwycił kabel  przepłynąłby dużo większy prąd wyrównujący potencjały, co mogłoby być niebezpieczne.