【實作實驗室】小心步間電壓 高壓電線掉落如何保命

作者:實作派

挖土機、吊車若不慎碰到高壓電,或是高壓電線剛好掉落在你附近的地面甚至你的引擎蓋,該怎麼辦呢?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!因為那一步的步間電壓就足以電死人。

其實你正坐在高壓電上

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,而金屬的電阻幾乎為零,所以雙腳間的電位差便是零,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。

但若有其他因素造成吊車駕駛必須離開駕駛艙,那這時一定特別要注意,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,因為輪胎和地面都有電阻,會形成電位差,腳這一踩就會觸電。

吊車若不慎觸碰高壓電,絕不可以跨步離開(圖片來源:實作派提供)

而要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。

小心步間電壓!會觸電!

一旦到了地面,絕對不能邁開大步奔跑,因為你身後有個上萬伏特的高壓電,正透過吊車瘋狂地往地面放電,吊車正下方的土地電壓會最高,以同心圓的方式越往外圈電壓會急遽降低。

如果你現在在圓心附近,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,稱為「步間電壓」( Step Voltage)。若吊車是用履帶行走,金屬履帶與地面間有更大的接觸面積,步間電壓就會更大。

靠近高壓落點的步間電壓會致命(圖片來源:實作派提供)

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,且半圓形是埋在地面,若設定跨一步的距離為 50 cm,我們來看看在不同距離的步間電壓會有什麼變化!(P.S. 沒有吊車的下半身是半圓型的,這樣設定是為了計算方便,只是舉個例子看趨勢而已)。

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(圖片來源:實作派提供)

距離高壓落點的 50 cm 處,步間電壓是驚人的 3500 V,若移動到 10 m 處,步間電壓會急遽下降到 229 V,這樣應該很有感覺吧!至於這邊的計算如何得來,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的,詳情請參考【實作實驗室】地電阻接地測量

但要如何往外圈的同心圓移動呢?為了避免觸電,你必須要以「小碎步」的方式往前走,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,就表示你逃出生天了。當然有人說可以用「殭屍跳」的方式從內圈跳到外圈,理論上是沒錯,但在這麼緊張的情勢下,萬一跳得太用力讓身體往前傾,造成下意識地跨出步伐以維持平衡,在那一瞬間你就可能掛了,因此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 110 V 掉落在地上就沒有人在討論步間電壓,難道步間電壓不會出現在 110 V 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 110 V 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,螞蟻甚至不見得會有感覺,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上的金屬,透過金屬增加與土壤的接觸面積,螞蟻才可能有感覺,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 50 cm 以上,這個距離早就沒有電壓差了,所以 110 V 的火線掉在地上,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,這是怎麼回事呢?

事實上,課本講的也對也不對,要看你是什麼課本。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;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。

只有當你看的課本是工業電子學時,才會告訴你什麼是步間電壓,因為靜電學告訴你的是基本概念,電路學是要讓你會設計單一電路,而工業電子學才會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,如果仍然以單一電路的概念來解釋,就會出問題,像是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,如此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,靜電學說得沒錯,因為以地球視角來討論,地球體積超級大,它就是個超級電容,當然能夠視為導體,任何電流都能吃進去。

  • 微觀

但是對於倒楣的吊車駕駛來說,可不是這麼一回事。他如果剛好在觸電的圓心,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,因為擺在他面前的是該如何逃出那方圓 10 公尺的範圍,此時的地面可不是什麼導體,而是扎扎實實的電阻,這會造成同心圓之間存在電壓差。

越外圈的地電阻會越來越小,因為面積夠大,而只要面積夠大,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,大概也能想像到大面積會造成低電阻的趨勢。

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

小結

當然,不同領域的課本探討的對象不同,若你了解這些差異,你會知道這些知識最後其實是相通的,像是只要把高壓落點的地電阻考慮進來,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。

(本文轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

StrongPiLab

實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。
StrongPiLab

Author: StrongPiLab

實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。

Share This Post On

Submit a Comment

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *