避免觸電-接地要短路-人體要絕緣-那種才對?

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?

避免觸電 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。

避免觸電 吊車作業必須接地
避免觸電 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腳趾碰到地面,\(R_{human}\)明顯會小於\(R_{car}\),這時電流就會經過人體,也就是俗稱觸電。

避免觸電 要搞清楚主角是誰

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,而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 可避免觸電
接地銅棒 ground rod 可避免觸電

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。

電燈會亮是因為電源開關Switch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。

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2 Comments

    • 我沒看到哪裡有寫 “就算設備有接地, 人員依然會觸電” , 或是你能說明在哪個page, line
      依我看這篇寫得很正確, 與吊車的例子並沒有牴觸

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