【實作實驗室】什麼是接地?認識系統接地與設備接地才能避免工安意外

作者:實作派

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而把導線接到大地,但目的完全不相同。

  1. 系統接地–定義電網中 0 V 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(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 0 V)相接,造成該點與大地同為 0 V,則稱為系統接地,其中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 0 V,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(圖片來源:實作派提供)

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,比較安全。

另外中性線接地後雖然是 0 V,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 0 V,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短路了(俗稱漏電,如上圖右方黃色閃電處)。雖然有設備接地可以保護人員不會觸電,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,那後果就會不堪設想。

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箱(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。

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;而設備接地則是接在原本就沒有電的金屬外殼,它完全是為了處理漏電流而存在,因為那是人員最容易觸摸到的地方,由於是接在機器外殼上,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(圖片來源:實作派提供)

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(圖片來源:實作派提供)

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,因為這種系統沒有接地,就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,而當電荷累積到一定程度,就會對地面放電造成火災,就跟閃電一樣,且情況在乾燥的地區會更嚴重。

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 0 V,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,就是當它遇到雷擊時,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,《The Historical Development of Neutral-Grounding Practices》這篇文章有完整的解釋。

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。

(圖片來源:實作派提供)

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【實作實驗室】生活小常識!台電如何配電到你家?

(圖片來源:實作派提供)

接地,自己打接地銅棒行不行?

如果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 150 cm,銅棒長度要 180 cm 以上,如果你要埋接地銅板,則要埋在地面下 100 cm,銅板面積約 45cm x 45cm,詳細的內容請看配電系統最佳接地方式及接地電阻研究裡面的 page 34。

但是如果只是把地線繞在水龍頭、鐵窗,甚至插在盆栽裡,效果其實是非常有限的,甚至沒效果。接地線若施工得好,接地電阻基本上會小於 100o hm,避雷針的接地電阻更要求要在 10o hm 以下,如果你只是隨意拿一條直徑 2.0 mm 的電線往土裡插個 5 cm,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!不可不慎。

接地,鋼筋行不行?

很多人會想既然老房子沒有地線,那可不可以接牆壁裡面的鋼筋?答案是看情況,如果你的房子當初在灌水泥的時候,裡面有埋鐵棒並且有和主鋼筋焊接,那就可以。想當然爾老舊公寓在當年當然是沒有這種待遇,所以各位就死了這條心吧,不然就要等都更。

如果真有這麼搞剛的接地,通常都會有做接地工程,室內插座也都會是三孔,也不用大家在那裡想些奇怪的方法接地。

接地的法規

那到底接地有沒有法條規範?有的,在不同範圍有不同法條。

在一般住家中,採用的是《用戶用電設備裝置規則》 第八節 接地的規範,它裡面規範了接地電阻,以及接地銅棒該怎麼埋在地下。這套法規就是俗稱的電工法規,現在已經改名用戶用電設備裝置規則。

一旦出了家門,就屬於電業的輸配電範圍了,常有人問我鋼筋能不能拿來接地,這東西就寫在這裡《輸配電設備裝置規則》 第二章 第五節 接地電極之連接方法,它用來規範電業業者,也就是台電。

那我家的鋼筋能不能當接地是寫在哪裡?老實講我也不知道,用戶用電設備裝置規則裡面沒寫到鋼筋接地,但你家我家應該也不算輸配電的範圍,所以還有其他的法規嗎?

還真的有。我很用力地找,只看到有些接地的法規是寫在建築法條內,它是《建築技術規則設備編》 第一章 第五節 避雷設備,很可惜它只有規範避雷,也就是說你家用電的接地不歸它管,所以看起來一般民宅的鋼筋能否拿來當接地似乎無法可管。

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。

(本文經同意轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

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