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【電線】なぜ電線は短絡すると電圧が高くなるのですか?

電線が短絡すると電流が遮断されて、電荷の往復反射によって、周波数の高い三角波状の過酷な再起電圧が発生して電圧が高くなるそうです。

どういう意味ですか?日本語が難しすぎます。

三角波状ってなに?

再起電圧ってなんですか?

A 回答 (4件)

分布定数回路の過渡現象と反射に関する専門知識(大学の電気工学レベル)がないと理解しづらいでしょうね。

まずはそこからです。
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まず高い電圧についてです。



『電線が短絡する』という事象を時間的にとても細かく調べてみます。
するとあることがわかります。
短絡した場所は、現実には一気に接続されることはありません。
ある瞬間くっつきますが、その次の瞬間には少しだけ離れ、そしてまたくっつく。
それを繰り返し、そのたびごとに『少しだけ』の距離が短くなっていき、最後にはずっとくっついていることになります。
その過程で電線に流れる電流の大きさの変化を見てみます。
短絡ヵ所がくっついているときには大きな短絡電流が流れます。
しかし、次の瞬間に短絡ヵ所が離れると電流は流れなくなります。
さて、この『流れなくなった』時に電線にはあることがおきます。
電磁誘導と言う現象です。
電線はたとえ直線状に張られていても、コイルの性質を必ずもっています。
コイルは磁界を発生させる道具です。
その磁界を発生させる性質には『ある瞬間に電流を流して磁界を発生させている場合、次の瞬間にもその電流を流し続けようとする』というものがあります。
短絡して大きな電流が流れると、電線と言うコイルは大きな磁界を発生させます。
次の瞬間、短絡ヵ所が離れます。
電流は流れなくなるはずですが、コイルはその電流を流し続けようとするのです。
しかし、短絡ヵ所は接触していません。
この時コイルは何が何でも電流を流そうとします。
そのために起きるのは、短絡ヵ所で電線と短絡相手との間の隙間の絶縁を破ってでも電流を流そうとするのです。
絶縁を破るのは高電圧があればいい。
コイルはそのような高い電圧を発生させるのです。

つぎに『周波数の高い三角波状の再起電圧』です。

上記の説明で、短絡ヵ所が離れ、また短絡して、それが繰り返されると言いました。
短絡ヵ所が離れるのはほんの短い時間の間だけです。
なので、短絡が再び起きればその電圧は消えます。
この電圧が発生する現象がほんの短時間にだけ発生するので、その電圧の波形は一本の線のように見えます。
それを拡大すると三角波状に見えます。
厳密に言えば指数関数です。
このように非常に短い間だけ存在する波形の関数のことを『インパルス』と言います。
インパルスは非常に高い周波数の領域にまでエネルギを持ったものです。
ここであなたがおっしゃる再起電圧とは、前の説明でコイルが電流を流し続けようとして発生させる電圧です。
普通は『コイル(電線)が発生させる誘導電圧』と言っています。

『電荷の往復反射』について。

これはたぶん、電圧のインパルスが電線上を伝わっていき、それがどこかで反射することで、広い周波数成分のうちのどれかが共振で強め合ったり弱め合ったりする、ということとお考えなのかと想像します。
今回の短絡事例ではそこまで考えなくとも高電圧の説明はこのようにできるので、そちらは考えなくていいと思います。
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なんとも難しい日本語表現ですね。



この現象は「開閉サージ」と呼ばれるものです。
短絡によって流れる大電流を遮断器で遮断すると、電線のリアクタンス分によって、大きな電圧が発生し、それが電線を伝播していく現象です。
リアクタンス分というのはコイルと同じで、電流の変化があった場合に変化に比例した電圧を発生させる特徴があります。電流の値を変化させないような慣性のようなものです。
数千アンペアがいきなりゼロになると大きな電圧が発生します。
いわゆる過渡現象の一つです。

例えてみれば、川の流れを堰で突然せき止めると、上流・下流に向かって波が進行していきますが、それと同じです。

>三角波状ってなに?
最初に高い電圧で少しずつ下がっていく三角状の波形をこう言ってるのでしょうか?

>再起電圧ってなんですか?
遮断によって発生する電圧を昔はこう呼んでました。
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長い送電線で、過渡的に起こる現象です。


「フェランチ現象」で検索されるといいと思います。
あくまでも過渡現象なのですが、装置の過電圧破壊などの実害が発生する事例はあるようです。

ベクトル図で説明されることが多いですが、
個人的な理解としては、
伝送線路と見なせるような長い送電線の端が短絡すると、インピーダンスが整合しなくなりその点から反射波が生じる。この反射波が送電電圧と重畳して電圧が高くなる。
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