【實作實驗室】如何避免觸電？短路、絕緣一次弄懂

Posted By StrongPiLab on 10 月 11, 2022 in 實作派StrongPiLab, 教學文, 電子學 | 0 comments

作者：實作派

你一定聽過如果要避免觸電，必須要做好絕緣，你一定也聽過要避免觸電，一定要將電器機殼與大地短路，咦！短路不是一件不好的事情嗎？到底是該短路還是該絕緣？

如何避免觸電？以吊車為例

我先前寫過一篇吊車誤觸高壓電的文章，告訴大家操作吊車必須要將車體接地，事實上所有的電器只要有金屬外殼，都需要把外殼接地。

吊車作業必須接地以避免觸電（圖片來源：實作派提供）

今天就來分析一下為什麼接地之後人就不會觸電？如下圖，我先把 69 KV 高壓電當作電池方便解釋，其餘角色設定如下：

吊車有接地
吊車與電線的接觸電阻為 R1，假設為 500 ohm
吊車的電阻為 R_car
人體的電阻為 R_human

當人員操作吊車誤觸到高壓電線時，當下的等效電路如下圖，由於人與車都站在地面上，因此 R_car與 R_human是並聯的狀態，下面我們以此來做討論。

吊車觸電的等校電路（圖片來源：實作派提供）

電路分析

接觸點的火花

大部分的人在學習電子電路的過程，都會把接觸點的電阻 R1 當成零，若電線的容量遠大於承載電流的話，電阻真的可以當作零；但若電線容量小於承載電流，就得把等效電阻考慮進來了，因為你必須要計算熱量，一旦電流過大電線就會被燒熔。（保險絲就是電流熱效應的典型應用，但一般的電力線可不希望自己變成保險絲）。

因為接觸點 R1 截面積小，又要流經這麼多電流，根據電阻定律，R1 的等效電阻值相對高，而且上面通常會塗漆，更增加了電阻，我在這裡假設 R1 是 500 ohm。雖然接觸點是金屬碰金屬，你不要以為金屬都可以無限制導電，過多的電流會讓金屬產生熱量，稱為電流熱效應，熱量累積到一個程度就會把自己燒熔，因此在觸碰高壓電的瞬間，接觸點會產生火花，就是因為大量電流要通過這麼小一個點，而產生的熱效應，另外有一部分的煙霧會來自於燒焦的油漆。

接地提供了另一條電流路徑

R_car其實很低，但不是零。它包含了車子的電阻與接地電阻，車架是金屬做的，又粗又厚，可以當它電阻是零，你可以當它是很多金屬線並聯的結果，金屬線本身電阻很低，這麼多並聯起來的電阻就更低了，或著你可以用截面積來思考，運用電阻公式，因為金屬截面積大，所以電阻較低。整個 R_car唯一會貢獻電阻的地方在車子與地面的接地電阻，大部分的電流會從這個路徑經過，由於吊車的接地應該都是臨時做的，所以先假設接地電阻是 50 ohm。

人的電流越小越安全

在並聯電路中，兩個電阻 R_car與 R_human承受的電壓相同，根據歐姆定律 V=IR，既然電壓 V 固定，那麼電阻 R 愈小，電流I 就會越大。車子是金屬做的又有接地，所以 R_car的電阻比人小很多，相對的車子的電流就比人大很多，絕大部分的電流都走車子，人體只會有一些小小的電流，只要流經人體的電流小於 10 mA，人體就是安全的。

避免誤觸高壓電

上述的安全保證來自於「接地電阻必須要遠小於吊臂與電線的接觸電阻」，如果吊車的吊臂重重地壓在高壓電線上面，我推測接觸電阻可能反而會變小，因為接觸點會先燒熔，然後越熔接觸面積越大，於是接觸電阻就越小，它等於吊車本身也是高壓電的一部分了，萬一有人摸到車身，就一定會觸電，這種情況的話，應該就神仙也難救。

如果車子沒接地

剛才的討論是在車子有接地的情況下，如果車子沒接地會變成什麼樣子呢？沒接地表示車子與地面有很大的電阻，也就是 R_car非常高，所以吊車就算碰到電纜，也不會有電流產生，就算有也是很小的電流。

但在地面的操作員就麻煩了，吊車雖然沒接地也沒電流經過，但人員 R_human可是扎扎實實地站在地面上，這時比的是兩者電阻的大小，如果操作員穿拖鞋又剛好腳趾碰到地面， R_human明顯會小於 R_car，這時電流就會經過人體，也就是俗稱觸電。

問個問題，電源的部分是扎扎實實的 69 KV，如果人沒事的話，這些能量都去哪裡做功了？答案是：這些能量全部集中在兩部分，一部分是吊車與高壓電線的接觸點 B 上，所以 B 點會冒火花冒煙；另一部分是吊車與地面的接地線，接地線可能會發熱，這就是為什麼接地線越粗越好的原因，萬一接地線瞬間燒斷，就變成沒接地了，那情勢就很危險，除非人的反應可以像漏電斷路器一樣快，馬上瞬間把手移開，但我想應該沒有這種人。