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)

相關文章

地電阻-接地測量-原來是這麼回事

變壓器-台電如何配電到你家-電箱前端原來是這樣

中性線-它不是地線-別再誤會它了

三孔插座-兩孔插座-中性線與地線差在哪裡

18 Comments

  1. 您說:”一般最常見的就是把中性線接地”,那麼三相220V有RST跟G,這時把G接到銅排上跟您說的將N相做接地是一樣的意思跟作用嗎?

    • 三相RST有好幾種供電形式, 要看您當初怎麼跟台電申請
      若為RSTN(Y接法)才跟我說的一樣
      若為RST(delta接法)則沒有中性線
      至於G該怎麼接, 要看您如何運用, 因為還有V接法

  2. 請問系統接地與設備接地那張圖(第一張圖):
    中性線接地後,假設接地為100ohm,若中性線有電流,電流是往接地走嗎? 若是往接地走,電流如何形成迴路? 中性線接地,這樣就算參考大地的0V嗎?
    另自家電路若無接地線路(即插座為2孔),可以將中性線和接地線相連,利用大樓總配電箱的中性線或是電線杆變電箱的接地來做接地嗎? 這樣做除了漏電斷路器會不正常跳電外,是否真能實際接地? 感謝回復。

    • 1.
      若中性線有電流, 無漏電的情況下 電流會走回變壓器, 地線無電流, 地線也無迴路
      若使用端有漏電, 電流會沿著大地走, 從左方的地線走回變壓器, 左右兩邊的地線連同火線與大地形成迴路
      2.
      中性線接地, 若接地有確實施工, 可以算參考大地的0V
      3.
      自家的插座 電箱 不可以將N G短接
      會有安全疑慮
      大樓總配電箱雖然可以將N, G短接
      但你去私接一條地線來用, 將來若發生問題, 無論是不是這條線造成的, 你都會捲入事件當中
      你去接電線杆的地線也有一樣的問題, 而且偏遠地區的電線杆很多地線是斷掉的
      但電線杆若正常的話, 接地就是好的, 但我不建議去私接

  3. 在電器打開運轉時,我用勾表分別量測電源線的火線與中性線,兩者都有相同的電流值。既然中性線也有電流,為什麼人體站在地面觸摸中性線,電流卻不會流經人體? 中性線源頭接地,人體也是接地,結果卻不相同呢?

      • 助教的說明讓我想到一個場景,當電線不慎短路時,周遭的電燈會突然閃滅,是否就是因為所有電流都流向短路處,電燈吃不到電,所以熄滅? 這與助教說明的原理是否相同?
        可是我心中仍舊納悶,人碰中性線,不是因為人體與中性線都在同一系統0V,電壓差為零,沒有迴路,所以才不會觸電嗎?

        • 1. 場景原理正確
          2. 若考慮腳底踩的是金屬板 有接地, 也與中性線共地, 那麼電位差為零 與 電流走旁路 兩者都能解釋 不會觸電的現象
          若考慮腳底踩的是水泥 土讓 之類, 則腳底與中性線之間會有地電阻, 用電流旁路來解釋較恰當
          如果把人 換成一個又粗又大的電阻 與大地接觸面夠大, 那麼地電阻可以忽略, 大地就當金屬來用了 電位差為零 與 電流走旁路 兩者都能解釋

  4. 人若穿著絕緣體站在地面且赤手碰觸火線,此時人並不會感覺到觸電。
    請問這是因為人體與火線之間電位差為零的關係? 還是因為身體與大地絕緣的關係?

    • 兩者皆是
      硬要說個因果的話
      絕緣為因 , 所以沒有電流, 導致人體的頭尾電位差為零

      人體本身 浮動的話, 沒有所謂電位差
      要接觸電路才有電位差的討論

      • 感謝答覆。
        我的觀念還是有點模糊,是人體頭尾(全身各部位)的電位差為零? 還是火線跟人體之間的電位差為零?

        • V=IR, 沒有電流, 電阻兩端的電位差為零
          人還沒碰到火線之前, 完全獨立於電力系統之外, 沒有參考點電壓, 所以無法認定電壓大小
          穿絕緣鞋碰火線 就是火線的電壓
          碰地線 就是地線的電壓

  5. 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!

  6. 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

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*