接地-系統接地與設備接地-避免工安意外

把電線接到大地的動作稱為接地,接地有分兩種,雖然看起來都是安全考量把導線接到大地,但目的完全不相同。

  1. 系統接地 – 定義電網中0V的位置
  2. 設備接地 – 快速排除漏電電流,避免人員觸電
接地銅棒-grounding-ground-接地
接地銅棒 (This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.)

系統接地(Grounded System)

當電力系統的其中一點與大地(通常定義為0V)相接,造成該點與大地同為0V,稱為系統接地,用來接地的那條線稱為地線。一般最常見的就是把中性線接地(如下圖),因此中性線在變壓器二次側的電位會是0V,任何站在大地上的人觸摸到中性線都是安全的。

系統接地與設備接地
系統接地與設備接地

系統接地附帶的好處是遇到雷擊時,整個系統的電荷可以由地線導入大地,但老實講光靠地線要防雷擊有點不自量力,所以防止雷擊用的接地線最好是另外安裝,不要跟電網扯在一起,會更安全。

另外中性線接地後雖然是0V,但不表示無電流,電流為零只存在於匯總過後的中性線(因為負載平衡+電流方向相反,如上圖的藍色線段)。而負載端的中性線是分支,雖然是電壓為零,但電流大於零。

設備接地(Equipment Grounding)

設備接地是把金屬機殼用導線與大地相接,這條用來接地的導線也稱為接地線,金屬機殼一般不會有電,萬一設備內部的電壓不小心與金屬機殼觸碰到,就能靠接地線迅速把電流(又稱故障電流fault current)導入大地,由於電壓很接近0V,可以避免人員觸電危險。

設備接地的地線正常來說是不會有電流的,若設備接地的地線上有電流,那事情大條了,表示負載內部的某個地方與機殼short了(俗稱漏電,如上圖右方黃色閃電處)。雖然有設備接地讓人員不會觸電,但發生漏電的設備還是需要修理,萬一哪天地線銹蝕鬆脫,或是設備外借到沒有地線的地方,那後果不堪設想。

上圖是假設大地電阻為0 ohm因此設備接地可以直接往下打,實務上設備接地會用綠色導線接回總電箱與中性線相接(N與G短路),而社區總電箱的中性線會真的打入地下與大地相接。老舊公寓沒有總電箱,它們的中性線接地是做在外面的桿上變壓器二次側,詳情我寫在這裡三孔插座-兩孔插座-中性線與地線差在哪裡

系統接地-設備接地-差別在哪

系統接地與設備接地這兩者看起來好像一樣,接地之後也都是0V,那到底有甚麼差別? 系統接地是與有電流的電力線相接,用來定義哪條導線是0V,這與電力系統的設計有關,因此稱為系統接地;而設備接地則完全是為了處理漏電流而存在,之所以接在設備的外鐵殼上,是因為那是人員最容易觸摸到的地方,因此稱為設備接地。

這裡有個很重要的觀念,設備接地純粹是安全考量,它並非用來驅動設備,正常情況下機殼的電壓電流皆為零;而電力的中性線做接地除了安全考量,它本身也用來驅動設備,因此中性線的電壓為零(實務上會比零大一些),但電流不為零,若通過中性線的電流很大,還有可能造成電壓浮高,但通常這些浮高的電壓不至於傷人。

無接地系統(Ungrounded System)

電力系統中有一種接法是所有的線都不接地,它的好處是人摸到他任何一相的火線都不會觸電(如下圖)。因為電流都直接由負載回到發電機,系統與大地之間沒有迴路,因此不會有電流到大地。而且他另外的好處就是可以省下安裝地線的費用,若是施工範圍很大的話,節省的金錢也是滿可觀的。

Ungrounded system
Ungrounded system

但這種接法的壞處是只要有某個點不小心被接地,就會形成迴路,剛才那位摸到火線的人就會觸電了(如下圖)。

Ungrounded system 意外形成迴路
Ungrounded system 意外形成迴路

Ungrounded System在1940年代是普遍的應用方式,但經常發生電弧造成意外,因為種系統沒有接地,等同於懸浮在地上的大塊金屬,經過風吹摩擦之後便會開始累積靜電,電荷累積到一定程度,就會對地面放電造成火災,跟閃電一樣,在乾燥的地區更是嚴重。

因此這種無接地的電力系統,你很難預期到底下次電弧會發生在哪裡,那不如選一條電線當作中性線來接地,這樣它就是0V,而其他的電力線就叫做”有電”,雖然有電起碼我知道不要去碰它,這比起要玩俄羅斯輪盤要好多了,因此之後電力系統就漸漸改為Grounded System了。

Ungrounded system的另外一項致命的缺點,就是當它遇到雷擊的時候,由於沒有直接與大地接觸的管道,大量的電荷瞬間累積成對地的高電位,經常會發生不可預期的災害,因此ungrounded system目前只在很少的應用當中看到,現今大部分的供電方式都採用中性線接地的方式。

關於中性線從無接地到接地的演進,這篇文章有完整的解釋The Historical Development of Neutral-Grounding Practices

安全的三孔插座

一般常見到的三孔插座,除了火線與中性線用來提供負載工作之外,第三孔的圓形插座就是地線,它的任務就是設備接地,它的N與G在大樓的總電箱處就已經相接在一起了,到了用戶端不要再將N、G短接,否則會讓漏電斷路器誤動作,更詳細的內容請參考這篇三孔插座-兩孔插座-中性線與地線差在哪裡

至於插座內中性線的系統接地則是在台電端的電線杆上就做好了,那…台電到底怎麼做中性線接地,有興趣的話請參閱這篇變壓器-台電如何配電到你家-電箱前端原來是這樣

接地-自己打接地銅棒行不行

若你家只有兩孔的火線與中性線,但希望能有地線作為設備接地,既然不可以由中性線接出來,那能不能自己打個銅棒到土壤裡,自己做個地線? 理論上可以,只要你接地銅棒打得夠深,或是你家有錢根本就可以請人來施工做地網,那絕對是沒問題。

依照台電的規則來說接地銅棒要打入土壤下150cm,銅棒長度要180cm以上,如果你要埋接地銅板,則要埋在地面下100cm,銅板面積約45cmx45cm,詳細的內容請看這裡配電系統最佳接地方式及接地電阻研究裡面的page 34。

但是若只是把地線繞在水龍頭、鐵窗、甚至插在盆栽裡,那效果都是非常有限的,甚至沒效果。接地線若施工得好,接地電阻基本上會小於100ohm,避雷針的接地電阻更要求要在10ohm以下,如果你只是隨意拿一條直徑2.0mm的電線往土裡插個5cm,接地電阻應該會大到不像話。

所以家裡沒有三孔的地線,就認命一些別硬接,否則全部的地線都接到盆栽裡,由於接地無效,故障電流無處可跑,到時候只要有一個電器漏電,全部的金屬機殼家電可都會同時帶電喔,這種悲劇不是沒有發生過,不可不慎。

接地安全相關資訊

關於接地安全的知識,目前我認為美國的NEC(National Electrical Code)這個組織做得最完整,它隸屬於美國國家防火協會(NFPA)之下。本篇有參考到NEC article 250.4,對於其它接地相關的各種影片與文章,都可以在這裡找到www.necconnect.org,只要你在他們的網站留下email都能免費下載使用。

另外有兩篇來自EEP網站,裡面有很多技術文章
An Overview Of Grounding System (Ungrounded)
An Overview Of Grounding System (Grounded)

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4 Comments

  1. 請問3端接地電源插頭,是將設備接地接回電源變壓器2次側,且是接回電源變壓器2次側的中性線端嗎???若如此,則直接將設備接地,接到110v電源插頭的中性線迴路端,是否為同樣意思???謝謝!

  2. 請問社區大樓的避雷針該如何檢測是否接地良好? 它的接地與市電接地有何差別? 該注意什麼呢 ?

    • 大樓的避雷針接地是否良好,可以用地電阻計測量
      這種測量方式與三用電表不同, 它們需要接觸面積大, 電流大的方式來得到電阻
      若你直接拿三用電表來插, 你會發現電阻好像很大~ 那是錯的喔
      三用電表的探針細得跟牙籤一樣, 不適合做地電阻的量測

      至於市電的接地
      主要是用來排除故障電流用的 確保漏電時人體的安全
      我突然發現我少寫漏電的文章, 不過下面這篇也差不多, 有帶到,給您參考
      https://www.strongpilab.com/?p=353

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