配電與接地
漏電斷路器到底在保護什麼?
它量的東西跟其他保護裝置都不一樣
無熔線斷路器量電流的大小:超過額定就開始計時,越大跳得越快。 熔線量的是熱。這兩個裝置關心的都是「導線會不會燒起來」。
漏電斷路器 量的是另一件事:一條電路上所有載流導線的電流向量和。 電流從火線出去 12.0 A,就應該從中性線回來 12.0 A,兩者相減是零。 一旦電流從別的地方漏走——經由外殼、經由人、經由潮濕的牆——差額就不是零了。 超過額定靈敏度電流,它就切斷。
這個差別造成一個很重要的結果:它不需要知道電流去了哪裡。 只要沒有從中性線回來,它就動作。所以接地線在不在、接得好不好, 對它來說都不影響判斷。
老屋唯一還會動作的裝置
拿同一個故障來比。一台冰箱的外殼碰到火線,分路是 20.0 A 的斷路器, 配電箱到冰箱 20 米:
| 這一路的狀況 | 故障電流 | 過電流保護 | 外殼電位 | 漏電斷路器 |
|---|---|---|---|---|
| 有設備接地導線 | 317 A | 0.1 秒內跳脫 | 31 V | 也會跳 |
| 沒有接地線 | 2.19 A | 永遠不跳 | 109 V | 0.1 秒內跳脫 |
| 沒有接地線也沒裝 | 2.19 A | 永遠不跳 | 109 V | 沒有 |
中間那一列是台灣大量老屋的實際狀況。故障電流只有 2.19 A, 連 20.0 A 斷路器的額定都不到,它從頭到尾不會有任何反應—— 沒有跳電、沒有異狀,外殼就這樣一直帶著 109 V, 等著有人去碰。
而漏電斷路器看到的是 2.19 A 的差額, 遠遠超過 30.0 mA,它會在 0.1 秒內切斷。 兩線式的老屋沒有辦法憑空長出一條接地線,但這一顆是可以加的。
為什麼是 30 毫安培
人體通過電流時的反應有明確的量級。以 1000 Ω 的人體阻抗、 碰到 110 V 的外殼估算,通過人體的電流是 110 mA—— 落在「心室顫動」這一級。
| 通過人體的電流 | 生理效應 |
|---|---|
| 0.50 mA 以上 | 有感,刺麻,還能自己放手 |
| 10.0 mA 以上 | 肌肉持續收縮,握住的手鬆不開 |
| 30.0 mA 以上 | 胸腔肌肉痙攣,數秒內失去呼吸能力 |
| 50.0 mA 以上 | 心律失常,數秒即可致命 |
30.0 mA 這個門檻就落在「還能自己脫離」與「鬆不開手」之間再往上一點的位置。 它保證的是「被電到之後還來得及」,沒有保證「不會被電到」。 規定把漏電斷路器分成高靈敏度型(5.00 mA 到 30.0 mA) 與中靈敏度型(50.0 mA 以上), 動作時間分高速型(0.1 秒以下)與延時型, 並要求以防範感電為目的者採用高靈敏度高速型 用戶用電設備裝置規則 第 88 條第二款第一目 、 用戶用電設備裝置規則 表八八~一 。
插座本身還有更嚴的一級。住宅的浴室、廚房流理台上、水槽外緣一點八米內、 陽台與室外的插座,規定要裝漏電啟斷裝置, 額定靈敏度電流 6.00 mA 以下、動作時間 0.1 秒以下 用戶用電設備裝置規則 第 89 條第一款 。門檻壓到五分之一,因為手是濕的時候人體阻抗會低很多。
台灣把它裝在分路上,這件事很關鍵
規定寫得很直接:漏電斷路器以裝設於分路為原則 用戶用電設備裝置規則 第 87 條第一項 。 應裝的場合也全部是分路——陽台插座分路、浴室插座分路、電熱水器分路、 飲水機分路等十五類 用戶用電設備裝置規則 第 87 條第二項 。
所以一戶住宅的典型狀況是:分路有幾條, 裝了漏電斷路器的只有其中幾條。這帶來兩個常被誤解的後果。
第一,沒裝的那幾路完全沒有漏電保護。 客廳與臥室的插座分路在多數住宅裡 不在應裝的清單上。同樣一台外殼帶電的電器,插在浴室是 0.1 秒切斷, 插在客廳可能就沒有任何裝置會動作。
第二,配電箱裡的接線錯誤,它看不到。 分路的漏電斷路器只量自己那一路, 而中性線與接地線在配電箱裡被接在一起這種事,發生在它的電源側。 兩條線上的電流仍然相等,向量和仍然是零。 所以「沒跳電就代表接線沒問題」這個推論是錯的—— 它從一開始就沒在看那個地方。
規定寫著它不能單獨當保護
IEC 60364 把 30 mA 的剩餘電流裝置定位成「附加保護」, 並明文寫著不得單獨作為保護手段 IEC 60364-4-41:2005 §411.3.3、§415.1 。 台灣的規則則要求採用不具過電流保護功能的漏電斷路器時, 應加裝無熔線斷路器或熔線作為後衛保護 用戶用電設備裝置規則 第 87 條第一項 。
兩邊講的是同一件事:漏電斷路器只處理電流漏出去的那一刻。 它不會讓外殼不帶電,不會讓故障電流變小,也不會讓導線不過熱。 真正把外殼拉回安全電位的是設備接地與有效接地故障電流路徑—— 接地線把故障電流帶回電源,讓迴路阻抗低到足以推動過電流保護, 在 0.1 秒內把電路切掉,而且整段期間外殼只有 31 V。
漏電斷路器是這條防線失效之後的最後一層。它很有用, 在老屋裡甚至是唯一有用的,但它站的位置在最後面。
那張接地電阻表其實在講接觸電壓
有一個地方可以看出規定的思路。裝設漏電斷路器時,容許的接地電阻另有一張表 用戶用電設備裝置規則 表八八~二 ,數值看起來零散:
| 額定靈敏度電流 | 潮濕場所 | 其他場所 | 潮濕場所的乘積 | 其他場所的乘積 |
|---|---|---|---|---|
| 30.0 mA | 500 Ω | 500 Ω | 15 V | 15 V |
| 50.0 mA | 500 Ω | 500 Ω | 25 V | 25 V |
| 75.0 mA | 333 Ω | 500 Ω | 25 V | 38 V |
| 100 mA | 250 Ω | 500 Ω | 25 V | 50 V |
| 150 mA | 166 Ω | 333 Ω | 25 V | 50 V |
| 200 mA | 125 Ω | 250 Ω | 25 V | 50 V |
| 300 mA | 83 Ω | 166 Ω | 25 V | 50 V |
| 500 mA | 50 Ω | 100 Ω | 25 V | 50 V |
| 1000 mA | 25 Ω | 50 Ω | 25 V | 50 V |
把每一列的電流乘上電阻,右邊兩欄就出現規律了:只要沒有被 500 Ω 的上限壓住, 潮濕場所那一欄固定是 25 V,其他場所固定是 50 V。 前面幾列的乘積更低,是因為電阻已經頂到 500 Ω 的天花板,不能再放寬。
換句話說,這張表管的從頭到尾都是接觸電壓: 漏電斷路器動作之前,人摸到外殼會承受多少電壓。 接地電阻只是把那個電壓換算成可以拿儀器量的數字。 這也解釋了為什麼裝了漏電斷路器之後接地電阻可以放寬—— 因為切斷得夠快,同樣的電壓暴露的時間短得多。
該問的其實是這三題
- 家裡哪幾條分路裝了漏電斷路器?沒裝的那幾路上有什麼電器?
- 浴室與廚房的插座,是插座本體有漏電啟斷裝置,還是那條分路有漏電斷路器?兩者擇一即可,但總得有一個。
- 這一戶有沒有設備接地導線?沒有的話,漏電斷路器是唯一的一層,而它擋不了外殼帶電本身。
這篇的範圍
計算用的阻抗是具名的示範假設值,不是量測結果:電源側 0.15 Ω、 人體 1000 Ω,導線電阻由電阻率、長度與截面積算出來。 人體電流的分級依 IEC 60479-1 的量級,它給的是統計上的邊界,不是保證安全的門檻。 實際的分路設計還要考慮短路啟斷容量、協調與環境條件,依規定由合格的電氣技術人員辦理。