配電與接地
接地電阻量到 100 Ω,算不算不合格?
先回答問題:合格
接地的種類與電阻值列在一張表裡 用戶用電設備裝置規則 表九二 、 用戶用電設備裝置規則 第 92 條 。
| 種類 | 適用處所 | 電阻值上限 |
|---|---|---|
| 特種接地 | 三相四線多重接地系統供電地區,用戶變壓器的低壓電源系統接地,或高壓用電設備接地 | 10 Ω |
| 第一種接地 | 非接地系統供電地區,用戶高壓用電設備接地 | 25 Ω |
| 第二種接地 | 三相三線式非接地系統供電地區,用戶變壓器的低壓電源系統接地 | 50 Ω |
| 第三種接地 | 低壓用電設備接地、內線系統接地、變比器二次側接地、支持低壓用電設備的金屬體接地 | 對地電壓 150 V 以下:100 Ω/對地電壓 151 至 300 V:50 Ω/對地電壓 301 V 以上:10 Ω |
一般住宅的用電設備接地與內線系統接地都屬於第三種接地。 台灣住宅的對地電壓是 110 V,落在最寬的那一級:100 Ω 以下。
所以量到 100 Ω 剛好在上限上,合格。量到 120 Ω 才是不合格。
真正值得問的是下一題:這個數字到底在保護什麼?
它管的不是故障電流
直覺上,接地電阻越低,故障電流越大,斷路器跳得越快。這個推論在 TN 系統裡是錯的。
外殼碰到火線時,電流走的是故障迴路阻抗:電源、去程的火線、 回程的設備接地導線。 這三段都是銅,加起來 0.35 Ω。 接地棒與土壤是另一條路,跟它並聯——但那條路是幾十歐姆, 在 0.35 Ω 旁邊等於不存在。
把接地電阻從 100 Ω 一路降到 5 Ω,故障電流的變化是這樣的:
| 接地電阻 | 有接地線:故障電流 | 外殼電位 | 沒有接地線:故障電流 | 外殼電位 |
|---|---|---|---|---|
| 100 Ω | 317 A | 31 V | 1.10 A | 110 V |
| 50 Ω | 317 A | 31 V | 2.19 A | 109 V |
| 25 Ω | 317 A | 31 V | 4.36 A | 109 V |
| 10 Ω | 317 A | 31 V | 10.7 A | 107 V |
| 5 Ω | 317 A | 31 V | 21.0 A | 105 V |
左半邊(有接地線)從頭到尾沒有變化:故障電流固定在 317 A, 外殼固定在 31 V。接地電阻降了二十倍,數字一動也不動。
右半邊(沒有接地線)才會動,但動得沒有用。接地電阻從 100 Ω 壓到 5 Ω, 故障電流從 1.10 A 爬到 21.0 A——剛剛好越過 20.0 A 斷路器的額定, 只有額定的 1.05 倍。瞬時脫扣要 5 倍才可能動作, 剩下的只有熱動部分,示範曲線上要 20 分鐘。 而這段期間外殼還是停在 105 V—— 壓了二十倍的接地電阻,外殼電位只從 110 V 降到 105 V。
規則把這件事寫成一句話:大地不視為有效接地故障電流路徑 用戶用電設備裝置規則 第 90 條第四款 。 IEC 60364 則是從迴路的定義下手,Zs 只算電源、火線與保護導線 IEC 60364-4-41:2005 §411.4.4 。 兩邊用不同的方式講同一件事:土壤不是導線。
那它管什麼
系統接地的定義裡就寫了目的:抑制由雷擊、線路突波, 或意外接觸較高電壓線路所引起的異常電壓,並穩定正常運轉時的對地電壓 用戶用電設備裝置規則 第 90 條第一款、第二款 。
三件事,沒有一件是「提供故障電流的回路」。
抑制異常電壓。 雷擊或高壓線掉到低壓線上時,能量要有地方去。 這時候流過接地電極的是雷電流或高壓側的故障電流,那才是接地電阻真正起作用的場合。
穩定對地電壓。 沒有接地的系統,中性點的電位是浮動的、由分布電容決定的。 接地之後才有一個明確的零點,「對地電壓 110 V」這句話才有意義。
接觸電壓。 這是第三件,也是最容易被漏掉的一件。
第三件事藏在另一張表裡
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 。 數值乍看零散,但把每一列的額定靈敏度電流乘上容許的接地電阻, 規律就出現了:
| 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 |
只要沒有頂到 500 Ω 的上限,潮濕場所那一欄的乘積固定是 25 V, 其他場所固定是 50 V。
乘積是電流乘上電阻,也就是電壓——漏電斷路器動作之前, 人摸到外殼會承受的電壓。整張表其實是同一句話的九種寫法: 接觸電壓在潮濕場所不得超過 25 V,其他場所不得超過 50 V。 接地電阻只是把那個限制換算成可以拿儀器量的數字。
這也解釋了為什麼上限停在 500 Ω。30.0 mA 的漏電斷路器對應 500 Ω 時的乘積只有 15 V, 比門檻低得多,但表格沒有再往上放寬——500 Ω 之後的接地電阻已經高到 量測本身失去意義。
兩套規定的思路差在哪裡
IEC 從迴路阻抗出發:Zs × Ia ≤ U0,算得出來、驗得了 IEC 60364-4-41:2005 §411.4.4 , 接地電極不在式子裡。台灣從接地種類出發:先分特種、第一種、第二種、第三種, 再各自訂電阻值上限 用戶用電設備裝置規則 第 92 條 ,看得出日本系統的影子。
兩者不衝突,各自管的東西也都對。但訓練出來的直覺不一樣。 電阻值思維很容易長出「接地電阻越低越安全」這個結論, 而上面那張掃描表把它否掉了:在有接地線的迴路裡,這個數字根本不進入計算。
真正該問的是另一組問題。
該問的其實是這三題
- 這一戶有沒有設備接地導線?沒有的話,接地電阻量得再漂亮也沒有回路可走。
- 故障迴路阻抗是多少?這才是決定斷路器跳不跳的數字,而它跟接地棒無關。
- 有沒有漏電保護?接觸電壓的那張表從頭到尾是搭配漏電斷路器在講的。
接地電阻是一個該量、該記錄、該符合規定的數字。 它只是不負責讓斷路器跳脫,那份工作屬於有效接地故障電流路徑。
這篇的範圍
表九二與表八八~二的數值抄自法規附件,抄錄日期記在引用清單裡。 故障電流的計算用具名的示範假設值:電源側阻抗 0.15 Ω、 分路 3.5 平方毫米、長度 20 米、對地電壓 110 V, 導線電阻由電阻率、長度與截面積算出來。 真實住宅的接地電阻隨土壤濕度與季節變動很大,同一支接地棒在雨季與乾季量到的值可以差好幾倍。