步間電壓 真要命-高壓電線掉落如何保命

挖土機、吊車不慎碰到高壓電,或是高壓電線剛好掉落在你附近的地面上甚至你的引擎蓋,該怎麼辦? 這時候千萬不要急著開車門想拔腿就跑,因為你跨出去的那一步很可能讓你一命嗚呼! 是的,那一步之間的 步間電壓 就足以電死人。

你正坐在高壓電上

相信大家都聽過小鳥停在電線上不會被電死的道理吧,因為鳥兒雙腳站的地方是同一根導線,而且金屬的電阻幾乎為零,所以雙腳間的電位差為零,因此鳥兒很安全。若吊車的吊臂不慎碰到高壓電,那麼吊車駕駛的處境就跟小鳥一樣,因為吊車的結構體都是金屬做的,駕駛等同於坐在高壓電線上,只要人不出來,基本上是安全的。

但是若有其他因素造成吊車駕駛必須離開駕駛艙,那這時一定要注意,打開車門要踩出第一步時,千萬不要一手扶車門,一腳踩輪胎或地面,因為輪胎或地面都有電阻,會形成電位差,腳這一踩就觸電了。

吊車不慎觸碰高壓電,絕不可以跨步離開
吊車不慎觸碰高壓電,絕不可以跨步離開

離開時一定要雙腳踩在車門邊緣,以立定跳遠的方式往外跳,到達地面之後則以吊車為圓心,雙腳併攏以小碎步的方式往外圈的同心圓移動。

步間電壓 會觸電

一旦到了地面,絕對不要邁開大步的奔跑,因為你身後有個上萬伏特的高壓電,正透過吊車瘋狂的往地面放電,吊車正下方的土地電壓最高,以同心圓的方式越往外圈電壓會急遽將低。

偏偏你現在在圓心附近,只要在地上跨一步很有可能就是幾千伏特的差距,這種跨一步距離的電壓,就稱為步間電壓Step voltage。若吊車是用履帶行走,金屬履帶與地面有更大的接觸面積,步間電壓會更大。

靠近高壓落點的 步間電壓 會致命
靠近高壓落點的 步間電壓 會致命

我來做個模擬會更清楚,假設台鐵的25萬伏特高壓電掉在吊車上,而吊車的下半部是半徑為a的半圓形金屬,而且半圓形是埋在地面,設定跨一步的距離為50cm,我們來看看在不同距離的步間電壓會有甚麼變化。當然,我知道沒有吊車的下半身是半圓型的,我這樣設定是為了方便計算,只是要舉個例子看趨勢而已,大家就不要太計較。

靠近高壓的步間電壓非常的高,距離越遠步間電壓會急遽下降
靠近高壓的步間電壓非常的高,距離越遠步間電壓會急遽下降

距離高壓落點的50cm處,步間電壓是驚人的3500V,若移動到10m處,步間電壓急遽下降到229V,這樣應該很有感覺吧,至於裡面的公式怎麼來的,我是利用半球形導體的地電阻算法,取步間電阻來計算壓差,詳情請參考這篇地電阻-接地測量-原來是這麼回事

但要如何往外圈的同心圓移動呢? 為了避免觸電,你必須要小碎步的往前走,走得越遠步間電壓就會降低,當你發現把步伐慢慢拉開的同時,腳底不會有麻麻的感覺,表示你逃出生天了。

當然有人說可以用殭屍跳從內圈跳到外圈,理論上是沒錯,但…在這麼緊張的情況下,萬一跳得太用力讓身體往前傾造成下意識的跨出步伐以維持平衡,在那一瞬間…你就掛了,個人認為小碎步還是比較實際一些。

步間電壓 會出現在市電嗎?

那為何一般的市電110V掉落在地上似乎沒有人在討論步間電壓,難道步間電壓不會出現在110V嗎? 答案是會,只是你沒感覺。

任何把電源插到地上的舉動,都會形成往外遞減的電壓,而且任何物體都有電阻,在落點附近一定會形成步間電壓。只是若110V的火線掉在地上,高壓區非常小,大概只有落點附近的螞蟻能感受到屬於它自己的步間電壓,而且落下的火線若只是碰到土壤,螞蟻還不見得有感覺,因為電線與地面的接觸面積不大。除非它剛好落在一片躺在土壤的金屬上,透過金屬增加與土壤的接觸面接,那螞蟻可能才有感覺,但這我沒做過實驗只是講講而已。

以人來說,伸手可及的長度隨便都是50cm以上,在這個距離早就沒有電壓差了,所以110V火線掉在地上,雖然嚴格來說確實是有步間電壓存在,但是它很小,小到你沒感覺。

大地的電阻不是零?

從前面的討論可以知道,就是因為大地的電阻導致步間電壓的存在,可是…. 以前課本都告訴我們地球是個大型導體,甚至以大地為參考零電位,一些電器用品的金屬外殼還會有個螺絲讓你鎖地線。如果大地是導體,電阻應該是零,走在地面上的人應該就跟停在電線上的小鳥一樣安全才對,高壓電線掉落理當不會有步間電壓產生啊,這是怎麼回事?

事實上,課本講的也對也不對,要看你是甚麼課本。如果是靜電學,它可能只跟你說地球是個超級電容,地面上所有的電路都是以它為參考基準,所以稱為接地,後面就沒了;如果是電路學,它會告訴你在電路圖上只要是接地符號,就是接到電路板上的接地層,所以這些接地符號都是連在一起的,用電錶測量也確實是短路的狀態,後面也沒多講了。

只有當你看的課本是工業電子學的時候,它才會告訴你甚麼是步間電壓。因為靜電學告訴你的是基本概念,電路學目的是要讓你會設計單一電路,而工業電子則需要考慮不同設備在地面上各個地方安裝時,彼此的交互作用。

若使用單一電路的概念,你會認為所有的接地點都是短路接在一起的,在PCB板上面確實是這個樣子,但兩種設備放在大地上,若仍然以單一電路的概念來解釋,就會出問題。例如你會以為兩個接地棒插在土裡的時候,彼此之間的電阻值應該為零,實際上卻發現可能是好幾十歐姆。

所以不同領域的課本,觀察的面向不同,強調的重點當然就不同。

宏觀

把地球當作導體,在宏觀的看法上是正確的,例如一公里外的高壓電掉落在地面上,對於站在地面的你來說是不會有任何感覺的,因為隨著電流在土壤內擴散傳導,截面積越來越大,土壤顆粒之間的接觸面積就越來越多,增加了電流傳導的路徑,電阻當然就越來越低,你就像站在電線上的小鳥一樣。

以這個角度來看的話,靜電學沒說錯,因為地球體積超級大,它就是個超級電容,任何電流都能吃進去,當然能夠視為導體,它是以地球視角來討論,所以它是宏觀看法。

微觀

但是對於倒楣的吊車駕駛來說,可不是這麼一回事,他就剛好在觸電的圓心,相對於地球的體積,他只能算是以微觀的角度來看待這件事情。擺在他面前的是該如何逃出那方圓10公尺的範圍,此時的地面可不是甚麼導體,那可是扎扎實實的電阻,這會造成同心圓之間存在電壓差。

而越外圈的地電阻就越來越小,因為面積夠大,只要面積夠大,連石頭都能導電,就算你不用電阻率的公式,光用電阻並聯的想法,大概也能想像得到大面積能造成低電阻的趨勢。

由於建築物內的高壓電、動力馬達、各種設備都不是存在一般的電路板上,而是需要與建築或大地一起考量,這就是工業電子要探討對象。

當然,不同領域的課本要探討的對象不同,若你已經了解這些差異,你反而會知道這些知識最後其實是相通的。例如,只要把剛剛高壓落點的地電阻考慮進來,那麼就能以電路學的角度來看待步間電壓了。

所以剛剛我說課本也對也不對,是因為宏觀的現象不能直接拿來解釋微觀,它中間會有一個漸進過程,這個過程若瞭解,你就知道這些學問之間是相通的了。

相關文章

What Is Step and Touch Potential and Reducing Resistance To Ground?

地電阻-接地測量-原來是這麼回事

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*