配電與接地
冷氣為什麼走 220 V?
台灣住宅拿到的是兩條火線
單相三線:變壓器二次側中間抽頭接出中性線, 兩條火線對中性線各 110 V,彼此之間 220 V。
所以一戶住宅實際上有三種接法可選:
| 接法 | 電壓 | 典型用途 |
|---|---|---|
| 第一路火線+中性線 | 110 V | 照明、一般插座 |
| 第二路火線+中性線 | 110 V | 照明、一般插座 |
| 兩條火線 | 220 V | 冷氣、電熱水器、電磁爐 |
220 V 的分路沒有用到中性線。它跨在兩條火線之間, 只需要兩條火線加一條設備接地導線。
電壓加倍,損耗變成四分之一
一台 3000 W 的冷氣,配電箱到室內機 20 米, 用 3.5 平方毫米的導線。同一台機器接在兩種電壓下:
| 電壓 | 電流 | 導線上的電壓降 | 佔標稱電壓 | 導線上的損耗 |
|---|---|---|---|---|
| 110 V | 27.3 A | 5.37 V | 4.9 % | 147 W |
| 220 V | 13.6 A | 2.69 V | 1.2 % | 37 W |
功率固定時電流與電壓成反比,所以電壓加倍、電流減半。 導線上的電壓降是電流乘以電阻,跟著減半; 損耗是電流平方乘以電阻,變成四分之一—— 上表裡 147 W 掉到 37 W, 那些瓦數全部變成導線的熱。
規定要求低壓幹線與分路的電壓降各不得超過標稱電壓的百分之三, 兩者合計不得超過百分之五 用戶用電設備裝置規則 第 7 條 。 110 V 那一列已經是 4.9 %,分路自己就超標了; 220 V 那一列是 1.2 %,還有餘裕。
同一條線路、同一台機器,換一個接法就從不合格變成合格。 這是 220 V 最直接的理由。
規定管的是對地電壓
住宅場所供電給照明燈具、用電器具與插座的電路,對地電壓應為 150 V 以下 用戶用電設備裝置規則 第 35 條第一款、第三款 。這一條常被誤讀成「住宅不能用 220 V」。
關鍵在名詞。對地電壓的定義是非接地導線與電路接地點 (或與被接地導線)之間的電壓 用戶用電設備裝置規則 第 6 條 。 220 V 的分路由兩條火線組成,每一條對地都是 110 V, 所以這條電路的對地電壓是 110 V,遠低於 150 V 的限制。
被限制的是「單條導線對地有多少電壓」,因為人碰到的是其中一條, 而人站在地上。線間電壓 220 V 的危險只有在同時碰到兩條火線時才成立, 那是很不一樣的情境。
規則還留了一條路:加裝漏電斷路器或漏電啟斷裝置的用電器具分路與插座分路, 對地電壓得超過 150 V 且在 300 V 以下 用戶用電設備裝置規則 第 35 條第一款、第三款 。 換句話說,對地電壓拉高之後要用漏電保護補回來—— 這個交換條件本身就說明了那條限制在保護什麼。
中性線斷掉時,220 V 的電器反而沒事
前一篇談過中性線斷線:兩路 110 V 負載變成串聯在 220 V 之間, 中性點浮動,輕載那一側被推向線間電壓。
220 V 的負載跨在兩條火線之間,本來就不經過中性點。 所以中性線斷掉時,它承受的電壓完全不變。 同一次故障裡,冷氣照常運轉,而 110 V 的燈泡與電器可能燒毀。
這個對比常常讓人誤判故障的位置——「冷氣是好的,所以電沒問題」。 下面的模型把中性線斷線切開來看,兩路 110 V 的電壓會分別往兩個方向跑。
兩路要盡量平衡
中性線只承擔兩路的差額。兩路各 10.0 A 時中性線是 0.00 A, 一路 15.0 A 另一路 3.00 A 時中性線是 12.0 A。
所以配電箱裡把負載平均分到兩條火線上有實際好處: 中性線電流小、電壓降小、中性線斷掉時的偏移也小。 把整層樓的插座全部掛在同一條火線上,另一條只接一台冷氣, 是一種可以運轉但不健康的配置。
插座不通用是刻意的
220 V 的插座刀片配置與 110 V 不同,插頭插不進去。 這是防呆,因為 110 V 的電器接到 220 V 上會立刻損壞。
規定也要求,同一個用戶配線系統中有一種以上標稱電壓時, 每一條非接地導線應在分路配電箱標示其相、線與標稱電壓, 並以色碼、標示帶或標籤識別 用戶用電設備裝置規則 第 43 條 。 配電箱裡那些標籤有它的用處。
該問的其實是這三題
- 這台機器的銘牌寫的是幾伏特?220 V 的機器接到 110 V 上不會動,反過來會燒掉。
- 這條分路是專用的嗎?冷氣與電熱水器通常要獨立分路,跟它的電流與連續運轉時間有關。
- 兩條火線上的負載差多少?差額全部由中性線承擔。
這篇的範圍
電壓降與損耗由 R = ρL/A 與歐姆定律算出來,只計導線電阻, 沒有計入功率因數與電抗——住宅的短距離配線裡電抗的影響很小, 但長距離或大電流的線路要另外計算。 3000 W、20 米、3.5 平方毫米是為了讓比例看得出來而設的例子,不是量測結果。