避免觸電-接地要短路-人體要絕緣-到底是該短路還是絕緣?

你一定聽過要 避免觸電 必須要做好絕緣,你一定也聽過要避免觸電,一定要將電器機殼與大地短路,咦! 短路不是一件不好的事情嗎? 到底是該短路還是該絕緣?

從吊車說起

我寫過一篇吊車誤觸高壓電的文章,告訴大家操作吊車必須要將車體接地,事實上所有的電器只要是有金屬外殼,都需要把外殼接地。

吊車作業必須接地
吊車作業必須接地

今天就來分析一下為何接地之後人就不會觸電? 如下圖,我先把69KV高壓電當作電池方便解釋,其餘角色設定如下:

  • 吊車有接地
  • 吊車與電線的接觸電阻為R1
  • 吊車本身的電阻為\(R_{car}\)
  • 人體本身的電阻為\(R_{human}\)

當人員操作吊車誤觸到高壓電線時,當下的等效電路如下圖,由於人與車都站在地面上,因此\(R_{car}\)與\(R_{human}\)是並聯的狀態,下面我們就以此來做討論。

吊車觸電的等效電路
吊車觸電的等效電路

電路分析

車與人的電壓相同

在並聯電路中,兩個電阻\(R_{car}\)與\(R_{human}\)承受的電壓相同,根據歐姆定律V=IR,既然電壓V固定,那麼電阻R愈小則電流I就會越大。車子是金屬做的,所以車子的電阻比人小很多,所以車子的電流比人大很多,絕大部分的電流都走車子,人體只會有一些小小小電流,只要流經人體的電流小於10mA,人體就是安全的。

電壓沒有你想的高

車子的電阻\(R_{car}\)其實是很低的,若乾脆當它電阻是零的話,那麼V=IR算起來則電壓是零,也就是人根本不會觸電,因為沒有電壓差。

因為車子的金屬骨架又粗又厚,你可以當它是很多金屬線並聯的結果,金屬線本身電阻已經很低了,這麼多並連起來的電阻就更低了。或著你可以用截面積來思考,運用電阻公式因為金屬截面積大,所以電阻較低。

但問題來了,電源的部分可是扎扎實實的69KV,若因為車身為金屬的關係,讓\(R_{car}\)電位差為零,那麼電源的69KV到哪去了? 答案就是: 這些能量全部集中在吊車與高壓電線的接觸點B上,才能讓車身的壓差為零。

接觸點的火花

因為接觸點B截面積小,又要流經這麼多電流,等效電阻R1相對高,你不要以為金屬都可以無限制的導電,過多的電流會讓金屬產生熱量,稱為電流熱效應,熱量累積到一個程度就把自己燒熔了。因此在觸碰高壓電的瞬間,接觸點會產生火花,就是因為大量電流要通過這麼小一個點,產生了熱效應。

接觸點其實有電阻

絕大部分的人在學習電子電路的過程中都會把接觸點的電阻R1當成零,若電線的容量遠大於承載電流的話,電阻真的可以當作零;但若電線容量小於承載電流,就得把等效電阻考慮進來了,因為你必須要計算熱量,一但電流過大電線就會被燒熔。保險絲就是電流熱效應的典型應用,但一般的電力線可不希望自己變成保險絲。

如果車子沒接地

剛才的討論是在車子有接地的情況下討論的,若車子沒接地會變成甚麼樣子呢? 沒接地表示車子與地面有很大的電阻,也就是\(R_{car}\)非常高,所以吊車就算碰到電纜,也不會有電流產生,就算有也是很小的電流。

但在地面的操作員就麻煩了,吊車雖然沒接地也沒電流經過,但人員\(R_{human}\)可是扎扎實實的站在地面上,這時比的是兩者電阻的大小,若操作員穿拖鞋又剛好趾碰到地面,\(R_{human}\)明顯會小於\(R_{car}\),這時電流就會經過人體,也就是俗稱觸電。

接地的主角是東西,絕緣的主角是人

要避免觸電,就是要避免電流經過人體,所以做法上就有兩種

  • 人體要絕緣-避免電流直接經過人體
  • 金屬設備要接地-讓電流進入大地

絕緣是避免與電流直球對決,接地是將電流引導到其他地方,所有的用電安全都是圍繞著這兩件事情打轉。所以接地的主角是東西,絕緣的主角是人,這樣大家有清楚了嗎?

接地銅棒 ground rod
接地銅棒 ground rod

短路很危險嗎

短路Short沒有這麼可怕,它的意思只是”接觸”而已,所以短路本身沒有好壞,端看你怎麼接,硬要分的話可以分為正確短路與錯誤短路。

電燈會亮是因為開關將迴路短路,所以這是正常的短路應用;而電箱施工時若將火線與中性線不慎短路,則在接觸點會產生大量電流產生高熱引起火花,這是錯誤的短路。

由於一般短路的正常應用不會引起大家的目光,因此不會有人討論這個議題,但錯誤的短路則可能引發火災,因此容易吸引目光討論非常熱烈,久而久之大家就對短路有負面印象了。

為何水裡不會觸電?

過去我曾寫過一篇關於水中不會觸電的文章,也同時做了一般人認為教壞囝子大小的實驗,因為我把直接延長線丟進水裡去,還把手伸進去,這部影片目前是留言數量最多的,褒貶都有。

無論你是否認同我的詮釋方式,很明顯地普羅大眾對於水與電有著根深蒂固的觀念,因為相信水與電不能同時出現,因此一看到我的實驗便急著做結論,這樣對理解電流在水裡的現象並沒有任何幫助。

言歸正傳,其實你也可以自己做這個實驗,只要手別直接接觸金屬,你一樣會沒事。要解釋這個現象,完全可以套用前面的並聯電路,差別只是

  • 接觸電阻R1可視為零,因為夜燈的電流遠小於導線的容量,電流會順利通過,不會有高熱
  • \(R_{car}\)改由夜燈取代,而且\(R_{car}\)估計大約在50~200 ohm之間
  • \(R_{human}\)改由我的手取代,電阻應該會在1K~100M ohm之間吧

為何要加夜燈?

只是為了real time證明插座是真的有上電的。

是因為夜燈才讓手不會觸電嗎?

確實夜燈的電流一定比較多,但不至於多到把110V的電壓全部拉成0,吊車的例子之所以能夠拉成0V,是因為它有龐大的截面積,電阻趨近於零;而燈絲則是相反,為了發熱發亮,燈絲需要又細又長,又要能不容易燒斷,所以燈絲一定需要有某程度的電阻,不然哪來的光和熱? 既然有電阻那麼電流就不會無窮大,而是個有限值。

所以吊車的例子,車子有接地的話,發光發熱的是接觸點,車子上下之間的壓差為零,人體可以受到保護;相反地,夜燈的例子中,發光發熱的是燈絲,燈絲兩端的壓差不會改變它就是110V,手指頭去摸金屬的話就觸電了,並不是因為夜燈插上才讓手不會觸電。

為何手不會觸電?

正確來說還是會觸電,只是要距離很近才會輕微觸電,但絕對不能直接觸摸金屬,所以我才選用了有外殼的插座,萬一觸電才有空間抽手,若不慎碰到裸線金屬,造成肌肉收縮反而可能把金屬握得更緊,當初選用帶有外殼的插座是一種預防性的措施。

手不會觸電當然是因為流經的電流很小,為什麼很小? 這要講到電流與電場密度的關係,電流是跟著電場的方向走的,電場密度越高,電流越大,而建立電場的正是電源插座的兩個電源簧片。

下圖是兩個簧片在水中產生的電場,黃色是正極,藍色是負極,顏色越亮表示電場密度越高,反之亦然。自來水中有些微的離子可以導電,所以只有很靠近電極的地方才會有輕微的觸電感,一但距離拉開,電場密度急遽降低,電流自然就很小了。

Electric field of power socket
Electric field of power socket

在我的實驗中,這個高亮度的範圍大概只有一公分,如果是30萬伏特的高壓電,這個範圍可以是20公尺,相關的文章我寫在步間電壓 真要命-高壓電線掉落如何保命。這個實驗若是用純水來做,則完全不會觸電,除非你的手汗溶進水裡自己給自己當導體,反過來說,若是加鹽巴那可就熱鬧了,那高亮度的範圍會變大。

希望這篇能讓各位了解用電安全的根本,就是要避免電流經過人體,於是有了各式各樣的措施與裝置,只要搞清楚觀念,你也是用電安全的專家。

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