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日志

安规中的接地(摘录)

热度 26已有 701 次阅读2012-2-28 14:33

接地(Earthing, 美国常称为Grounding)在电学领域里,是一个很重要的题目,在安规(Safety)里尤甚。
首先,让我们从安规的角度了解为什么要接地:
( I ) 等电位化(Equipotential)— 假设有两台仪器的外壳,各有不同的电位存在,当有人无意中同时触及此两台仪器时,很明显地会有被电击的危险。因此,若能将所有的仪器作适当的接地,那么便可以将电位差的危险降低许多。这种情形在医院尤其重要,因为病人常常会同时使用数部电子治疗仪器,再加上金属床框、床头灯等,更容易因电位差而引起导电事故的发生。
( II ) 异常保护 — 当公共变电器(Utility Transformer)的绝缘因异常状况而崩溃(Breakdown)时,接地的措施便可以将一次侧的高压短路到大地
(Ground或Earth),减少危险的发生。一般所谓的Class I产品,亦是使用相同的原理来达成保护的功能。同样的,若电路与产品的外壳发生短路时,外壳的接地也可以提供傍流(Bypass)的保护。
( III) 稳压作用(Voltage Stabilize)— 因为大地可以算是一个很稳定的电位,因此,接地也可以提供一个很平稳的参考点。
( IV ) 加速过电流保护元件(Over current Protective Device)的动作 — 在异
常状况发生时,因接到大地而引起的大电流可以催促保险丝之类的过电流保护元件提早动作,而达到保护的功能。
( V ) 将漏电流傍流 (By-pass the Leakage Current)— 电气产品都会有漏电
流的情形出现,只是大小不同而已,造成漏电流最主要的原因,乃是
杂散电容的存在,以及处理电磁干扰的技术不恰当所引起的。有了接
地的措施,便可以将这些漏电流带走。
然而,在带来种种好处的同时,接地也添增了许多问题:
( I ) 插座 (Receptacle) 的问题 — 在美国,1962年以后盖的房子,才有供接
地的插孔插座,换言之,有许多房子的插座是没有接地孔的,而在台湾,这也是极普遍的情形。在此情况下,产品要利用接地的方式以达成某种程度的保护,是有困难的。有许多人以三端转两端的转换器 (Three Pins To Two Pins Adapter) 来解决插座不符的问题,更糟的是一些不负责任的装修商,会将三孔的插座安装在根本没有接地的电源上,造成了误解。
( II ) 配线(Wiring)问题 — 在配电系统中,不同的颜色即代表着不同的导线。以美国为例,黑色代表火线(Line, 或 Ungrounded Conductor),白色代表中线(Neutral 或 Grounded Conductor);在欧洲,则通常以棕色代表火线,以蓝色代表中线,并以绿色或绿滚黄统一代表地线。不过,大部分的电器使用者并不知道这些颜色所代表的意义,一旦将地线接驳错误,该产品的危险便
会出现。另外,使用没有接地的延长线(Extension Cord )亦是极为普遍的情形。
( III ) 接地不良的情形容易发生 — 虽然接地可以提供许多的保护,但如果接地的阻抗太高,将使这些效果大打折扣。使用直径过小或长度过长的接地线,便是接地不良最常见的列子。
( IV ) 形成回路(Loop)— 因为产品有了接地,大地因此有机会成为电流的通径(Path)之一,图一便是其示意图。由此,有接地的产品反而有危险存在;当然,不接地的产品因有杂散电容的存在,亦可能形成回路,如图二所示,但其电流相对上来说就小了许多。
( V ) 形成干扰 — 因为许多系统都有接地,故造成大地电流的复杂性,有时亦会形成杂讯式的干扰,严重时,还会因有大电流的通过而使电压上升,导致系统之间的相互波及。另外,大地(土壤)的阻抗会随着温度而有所变化,因此,不同的季节便有不同的阻值,其变化率乃如图三所示。
( VI ) 步间电压(Step Potential)— 当有雷击或有大电流傍流至大地时,接地柱附近的电位将会骤然升高,若有人刚巧站在接地柱的周围,其两足之间的电压位即是所谓的步间电压。一旦步间电压大于人体所能承受的程度,生命的安全便受到了威胁。根据IEEE的定义,步间电压是指接地柱附近的大地表面上,任何相距1米的两点之间的电压差。
如果和所谓的Class II 产品(即采用双重绝缘而不接地的产品)相互比较,
我们会更容易明白接地的优缺点,请见表一。
因此,一个产品该依Class I或Class II的方式设计,其实是没有一定的准则
的,全端视该产品是否有线路易于被人触及、是否经常变更操作的场所、是否用于室外、漏电的情形如何,以及是否会经常使用到延长线等等。实际上,若一个接地的产品加上一些辅助的元件,则该产品的安全性就更具保障,断路器(Ground-Fault Circuit Interrupter,简称GFCI)便是其中一例。
断路器的动作原理很简单,主要是靠一个所谓的零相比流器(Zero-phase Current Transformer, 简称ZCT)来达成这项功能,如图四。从图四中可以了解,当产品处于正常情况时,IG在理想条件下会等于IN,因而在ZCT产生了两个大小相同,但方向相反的磁场,亦言之,磁场已相互抵消。一旦产品的绝缘发生故障,且恰好有人触及该产品时,IG便会有分流流经人体,造成IG不再等于IN,而使ZCT的二次线圈(Secondary Winding)有所感应,便自动进行断路的动作。
断路器通常分为Class A与Class B两种,Class A是在漏电流大于5mA(相当于不随意电流,Inability to let-go)时,就会发生断路动作的断电器,而Class B则是在20mA(接近于心室微动电流,Ventricular Fibrillation)时才发生动作。
断路器可以设置于产品内,也可以装置在配电系统中。美国的国家电工法规(National Electrical Code,简称NEC)在今年也规定,美国新屋的浴室、车房及室外插座,都必须设有断路器。此外,UL859在1982年更规定吹风筒(Hair Dryer)必须符合一项特别的测试,那便是将吹风筒掉进水中而不能引起触电的试验,换言之,没有断路器是行不通的。
断路器的功能不仅只发挥在接地的产品中,只要设计恰当,对双重绝缘(Class II)的产品一样有效。虽然断路器有易于受到杂讯(Noise)干扰的缺点,但从美国、日本的统计数字来看,都明显地证明了断路器在降低触电伤亡的危险上有着很大的帮助。
接着我们介绍有关接地的分类:
( I ) 系统接地 — 即一般配电系统的接地,通常是由公共变电器(Utility Transformer)二次侧的中间点来接,如图五所示之情形。各国的配电系统虽各有不同,但主要可分为TN-S,TN-C-S,TN-C,TT,以及IT等几种,分别如图六至图十所示,请参阅之。上述不同系统的符号,乃源自法文,其中的IT系统,则是法国主要使用的配电系统。
( II ) 设配接地 — 指的是产品外壳(Frame 或Chassis)的接地,其目的乃在于绝缘系统崩溃时,提供一个傍流的通径,情形亦如图五所示。
( III ) 防止雷击之接地 — 即避雷针的接地。
( IV ) 功能接地 — 不为安全目的而设的接地,如防止静电或防止杂讯干扰的接地,以及为取得电位基准点而进行的接地等等,都属于功能接地。
除了上面讨论的之外,一般安全标准对接地都尚有许多的要求,现在列举数点如下:
一. 接地线不能串联保险丝或开关等装置。
二. 接地线不一定要有绝缘层,但若使用绝缘层,则必须使用绿色或黄绿色为其标色。有些标准亦允许使用透明的套管,因为绿色套管较不易找到。
三. 若产品之插头或插座的形状(Configuration)是三个端子(Pins),则接地端一定得长于其他两端,原因乃要确保在插电时,接地端得以先接触,而在拔开电源时,接地端可以最后分开。
四. 接地的设计必须能够使维修者在进行修护时,不需将之分开,除非是危险电压部分得以先分开。
五. 如果接地使用凸柱或螺丝做连接(Bonding)时,则凸柱或螺丝的直径与产品的额定电流之间的关系,必须符合表二的要求。
六. 接地时,避免使用不恰当的两种金属做连接(Bonding),因为不同的金属,有些会彼此产生电化作用(Electrochemical Action),一则导致金属之间有了电位差,二则会加速金属的腐蚀或变质的过程。至于哪些金属不能相互接连,请参考表三内容。基本上,电化位差大于0.6mA的,就应算是不恰当的。
七. Class I 产品不能将电话网路(Telecommunication Network)的地线当作唯一的接地管道,除非是由专业人士所配置。
八. 同一凸柱可以为许多地线所共用,但接往配电系统(Branch Circuit)的地线必须在下面,如图十一所示。另外,一般标准都会要求凸柱或螺丝的接地,必须使用闭端华司(Lock Washer)或锯齿华司(Star Washer)之类的配件,以防止因松脱或金属疲乏而引起的接触不良。
九. 最后一项,其实也是最重要的一项,即接地的阻抗不得大于0.1Ω。测试的方法通常是先通过一个25A,12V或6V以下的电压,然后量测接地通径的
压降而得。使用25A的原因,是因为一般家庭的配电系统之过电流保护装置,其电流额都不会超过20A。

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发表评论 评论 (8 个评论)

回复 jia_suwei 2012-2-28 16:54
好多,看的眼睛花掉了快!
回复 hdf590 2012-2-28 20:41
学习了。
回复 sacred666 2012-3-6 16:26
学习一下。
回复 kerve 2012-3-19 16:30
我们的广大农村是享受不到'接地'的
回复 余林博 2012-3-23 10:58
学习一下
回复 茶馆 2012-3-23 14:01
怎么没看到图和表啊
回复 pk16300 2012-3-28 16:13
很好,学习了,正在找这方面的资料
回复 hwtao0506 2012-6-2 19:07
   学习了

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