接地后,地球那么大,电流怎么知道留向哪里? | 目的地Destination

接地后,地球那么大,电流怎么知道留向哪里?

普通人特别是中学生最喜欢用水来比喻电气现象。尽管用水来比喻电气现象会十分尴尬,因为它解决的问题很少,带来的问题更多。然而提问者已经用了水来提问了,我就用水来解答吧。

我们来看题主的问题描述:“觉得有点莫名奇妙,就像你在装满水的水箱里很多管道,水会自动从一个管道口流向另一个特定的管道口一样(万一某个遥远的地方有个压强一样的管道口了)”。

其实,题主感到困惑的是:水是否具有思考能力?它能选择合适的通道?类似地,接地电流是否也具有这种能力?

我来剖析题主的问题。我们看下图:

图1的水箱中,当然是注满了水了,而且水还可以不断注入,确保水箱内有水。

水箱内完全随机地放入各种填充材料,有阻水的密实粘土,有透水的砂石,有揉成团块的碎塑料布团块,还有石块。这些填充材料混杂在一起。

水箱的底部有一层透水的金属丝网,目的是透水,还可以避免填充物流失。

现在,我们把水箱底部的七个阀门打开,我们来观察阀门的出水情况。我们很容易推测,这些阀门的出水量肯定不一样,某些阀门的出水量大,有些阀门出水量小,甚至还可能有不出水的阀门。

这说明什么?

图1水箱内的填充物完全是随机地放入的,但这些填充物的阻水和透水效果不同,于是在水箱中会自发地建立起透水通道和阻水通道。这些通道中水的流动性只取决于阻水材料特性,与水本身是否具有选择性毫无关系。

水池中的水之所以会至上而下地从水池顶部注入,再从水池底部的阀门中流出,是因为水受到了重力,重力场是决定水流方向的决定因素。

在这里,我们没有看到水具有思考能力。阀门中水流的大小完全取决于水池中填充物的分布形式和阻水能力。

我们再看下图:

图2中,我们看到电阻阵列中有5个并联电阻R1~R5。

我们设并联电阻阵列的总电阻为Rz,由:

/frac{1}{R_Z}=/frac{1}{R_1}+/frac{1}{R_2}+/frac{1}{R_3}+/frac{1}{R_4}+/frac{1}{R_5}

我们可以求出总电阻的阻值。然后再由 U_{R_Z}=/frac{ER_Z}{r+R_Z} 确定电阻阵列中各个支路电阻上的电压。

记住我们的结论:并联电阻阵列上的电压是相等的。

再由这个结论,我们很容易推测出:

I_1=/frac{U_{R_Z}}{R_1},I_2=/frac{U_{R_Z}}{R_2},I_3=/frac{U_{R_Z}}{R_3},I_4=/frac{U_{R_Z}}{R_4},I_5=/frac{U_{R_Z}}{R_5}

由此得到我们的结论:支路电流的大小只与支路电阻有关。支路电阻越大,支路电流就越小;反之,支路电阻越小,支路电流就越大

记住:电流之所以会流动,是因为电源电场的驱动,使得电流运动有了方向。电流选择哪个路径,并非电流具有“思考“能力,而是由支路电阻唯一决定的。

我们再看下图:

图3中,我们看到电源电场已经为电流指定了方向,无需电流作任何判断。

由于地下地层的含水率不同,地层电解质含量也不同,再加上可能出现的地下钢筋网,因此地下各地层的电阻也不尽相同,这恰恰就相当于地层电阻的并联。

我们由图2的结论可知,哪个地层的电阻小,则此地层的电流就相对较大。

应当说明:图3的配电方案在实际配电线路中是不可取的。我们不能把大地作为配电通路。一者因为大地电阻很大,会消耗大量的电源功率;二者会存在跨步电压,有可能使得过往行人被电击。

因此,图3反映的其实是配电系统的接地故障状态,是接地故障电流流过大地的示意图而已。

现在,我来总结一下:

1)地下的接地电流需要判断流动方向吗?回答是:不需要,电源电场已经指明了方向。并且,地下的电流方向只与电源电场有关,与地球的大小无关,与所处的位置无关。

2)电流需要来判断走哪个地层或者电流通道吗?回答是:不需要,由地层电阻或者电流通道电阻来决定。

3)地下各地层或者电流通道的电流大小需要电流来思考、判断和决定吗?回答是:不需要,电流没那么聪明,也无需电流来思考,电流是按并联电阻支路电流分配原则来确定其大小的。本条其实就是第2条的延续:地层电阻或者电流通道的电阻决定了通路电流的大小。

至此,回答完毕。

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由于地下地层的分布复杂,地层电阻也不尽相同,因此地网电阻往往采取测量的方式来确定。又由于地网电阻或者接地电阻对于供配电系统具有很重要的意义。因此在国家标准中给出了具体的数值。

在国家标准GB50054-2011《低压配电设计规范》中,给出了建筑物接地电阻的大小,最大是4欧。标准中同时给出了在设计中接地电阻的一般数值,是0.8欧。

利用此接地电阻的数值,我们就可以设计接地系统的具体方案,以及漏电保护的具体措施和元器件规格。这方面的内容非常丰富,牵涉到的理论和国家标准也很多,再加上它与题主的问题无关,此处忽略。

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:Patrick Zhang

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