用電安全_漏電斷路器模擬

前一篇提到接地線的功能和開關配置的位置
所以如果能有將接地線有效的配置(接在金屬物件或鐵窗之類的效果是不好的)
不是只有拉一條綠線出來當安慰劑
那漏電所發生的觸電情況就能有效降低
即使開關插錯也可以發揮功能

但這只是被動的預防
因為漏電的現象還是存在
電也不會因為這樣的危險主動切斷
因此發明了叫作漏電斷路器(ELB)的東西(我被這個東西救了好多次，真的強力推薦!!)
這東西和無熔絲開關不同
無熔絲開關是預防短路或不正常大電流通過時將電路切斷
但若是因為潮濕或電線老化裸露
或任何不知明原因造成電流沒有完全在封閉的電線中傳遞
除非漏電電流極大，讓無熔絲開關跳脫
否則無熔絲開關是不會有任何動作的(一般的漏電就是這種現象)
這時就要靠漏電斷路器來幫忙了

一般漏電斷路器會裝在插座迴路上
或是單獨用在可能發生漏電的電器電路上(大型洗衣機或是抽水馬達或是電熱水器等)
當火線電流和中性線電流不相等時
就可能是漏電的狀況
一般設計是差30mA時就會動作
也有其他更靈敏的RCCB可供選擇

影片顯示了漏電30mA以下時，ELB沒有動作
但如果漏電超過30mA
ELB就會在0.1秒內跳脫將電路切斷
非常安全又聰明的主動裝置

通常裝在電箱內
大家可以檢查看看是否有這樣的東西

若沒有....
真的強力建議請合格的電工師傅幫忙安裝啊~~

用電安全_漏電演示教具製作方法

使用過程可以參考這兩篇
接地線接法、漏電斷路器模擬
電路圖如下

在火線和中性線都接上一個開關
可以模擬不同開關位置的影響
只要直接動到家用電
不要懷疑，一定要加上保險絲
我不會用到大電器，所以只用0.25A就好

從外電路要先經過漏電斷路器
在利用一個雙切開關分別加上3K和10M歐姆的電阻
模擬沒有漏電、小漏電(約0.001mA)、大漏電(約37mA)的情況

從漏電斷路器到電燈的部分(火線、中性線、接地線)也都用連接器
方便模擬各種情況

小漏電時驗電筆仍可量到電壓，但漏電斷路器不會動作
但如果切到大漏電，漏電斷路器就會馬上跳脫了

我很喜歡這種教具!!
不過...根據以往經驗，這種型的學生最不愛

隔離變壓器的用途

我們利用實驗搞清楚隔離變壓器的特性之後

最重要的是，這要幹嘛？

除了一開始我們說的，隔離迴路中不乾淨的電源之外

(其實也不可能隔離到100%，細節不在這裏說了)

在居家環境中另一個重要的應用就是預防漏電的觸電

我們之所以會觸電就是金屬機殼碰觸到L產生對地的電位差

此時若碰到機殼，人體就當是接地線

電流通過就會有觸電的感覺

但如果此時整體電路沒有接地

自然也就沒有迴路，即使碰到也不會觸電

那要怎樣沒有接地？

簡單來說就是人和地隔離，或電和地隔離

人和地隔離的概念簡單，就不再多說

電和地隔離就是隔離變壓器發揮功能的地方了

我們直接用之前漏電斷路器的教具來說明

我們將漏電斷路器接在隔離變壓器的地方

開啟漏電且不接地線

正常來說，此時機殼應該要帶電

但實際測試卻不帶電(驗電筆不亮)，用手摸也沒感覺

接上地線，漏電斷路器也沒跳閘

按下漏電斷路器的測試鈕，裡面的電磁鐵產生快速吸放的聲音

同樣也無法跳閘

可能是因為漏電斷路器是比較L和N進出的電流差

此時經過隔離變壓器的電源基本上都是帶電的(?)

也就是沒有一個N來做進出電流差的比較

漏電斷路器就發揮不了功能了

因此有些水電查不到迴路中漏電的原因

就會用這個方法來解決

對不對？好不好？我無法評論

這是另一個專業領域了

漏電自動斷路裝置

之前演示過漏電斷路器的教具

也在許多場合呼籲過重要性

漏電斷路器最重要的其實還是(設備)地線

沒有G，其實是發揮不了功能的

這點另篇再說

但一般漏電斷路器的啟動電流通常設定在30mA

小於30mA是不會動作的

我們可以利用一些簡單的元件打造一個極小漏電(1mA以下)也能斷路的裝置

電路圖如下

當電器外殼漏電時會通過pnp電晶體的B極

G和電池的負極要共點才能等電位

不要用N和負極共點

雖然理論上N也是零電位

但實際上要在電路中平分L的兩相，幾乎是不可能的事

因此N多少還是會帶電的

因為輸入pnp B極的是交流電，CE輸出端會產生直流脈衝

因此pnp的CE極通了之後再經過一個10微法的電容穩定電流

輸入npn放大時才有辦法穩定啟動繼電器

繼電器的com和NC連接電器的L端

當漏電時繼電器啟動，L端就會斷路了

但此時理論上繼電器就會馬上又斷電(因為L沒有輸入電流)

但實際上因為N相帶電

因此還是會提供pnp電流維持繼電器動作

影片如下

集成後像這樣

絕緣要做好

這可以當商品了~~

(想太多，沒有CE或UL一切免談)

漏電斷路器的裝設

又是做一半的概念...
終於在辦公室的「家電區」裝上了保險開關
雖然是電鍋、飲水機、微波爐共用20A的breaker
但總比沒有好

而且還是加上漏電斷路器(ELCB)喔

但怎麼覺得怪怪的！

沒有地線的ELCB會有功能嗎？

回答這個問題之前要先知道ELCB跳閘的原理

可以參考這篇

簡單的來說就是ELCB會偵測火線端和中性線端的電流量

若出口端的中性線端電流小於火線端30mA以上(要看ELCB的設定)

ELCB就會認定有漏電

內部的電磁鐵啟動吸引彈性鋼片就會跳閘

但漏電必須導掉才會讓LN兩側電流有差值

因此(設備)地線的引導是很重要的關鍵

不然...就是你自己去引導

也就是說，沒有接地線的情況下

假設設備漏電，必須有壯士摸到被電第一次之後

ELCB才會跳閘

這時候就要跟導護一樣，每週排一個去輪值摸摸看

看誰倒楣吧~~

中性線帶電嗎?

原本在屏東的家電醫生試辦場要演示漏電斷路器(ELB)的實驗

但卻怎麼都無法成功

原本以為是漏電設定的電流太小

加大到35mA，漏電斷路器還是無法跳脫

不能讓大家等我一個，只好暫時先做罷(我回家後測試是正常的)

結果在測量地線(G)是否有連接時，火線(L)和G為零就是沒接

L和G為110V~115V就是有接

結果有些L-G竟然出現幾十伏的電壓?，但也不是全部都有

當時腦袋流量太大，記憶體不足，也就沒有再多想

回程在車上這件事就不斷在腦袋裡打轉，終於有了一些概念

這很可能都是多年來便宜行事、疊床架屋的結果...

(以下的說明不是教科書，若有疑慮請自行判斷)

許多老學校原本的電源插座配置就不夠

後來就會從插座再拉出插座

或從電燈的地方拉出電扇的插座

或直接從電箱再拉一條迴路出來用

甚麼樣的配線都有，完全看當時水電師傅的心情和人品

加上早期的插座都沒有強制加裝屋內設備地線

也就是都是兩孔(火線L，中性線N)的插座

後來拉出來加裝的插座卻又變成三孔(L、N、G)

那G有沒有真的拉線？答案就很有趣了

1. 沒有拉，G只是裝飾用

2. G和N直接短接，早期電工師傅最喜歡的接法

3. G拉專線連接建築物設備地線(如果有的話)

4. G拉專線連接屋外系統地線(電線桿變壓器的地線)

理論上，如果是情況1，L-G為0V

情況2. L-G為115V，不過有但書，等會再說

情況3. L-G為115V

情況4. L-G為115V

看來不是0就是115啊，幾十伏是怎麼來的

這就要回到N為甚麼(理論上)是0V說起了

我們家用電基本上為單相三線(L1、L2、N)

N是迴路線，理論上還是有電流的

為甚麼我們會說是0V呢？

這就是電力設備設計的結果了

我們從台電的高壓端(外電)經過屋外的變壓器降為110V

為了方便使用，將二級線圈設計為三個接點

出來的三線電壓就變成下面的樣子

L1和L2都是110V，但相位(phase)剛好差180度(發電機線圈每半圈改變一次電流方向)

當這兩個相位的電同時流到迴路線N的時候，電位就會剛好抵銷

所以理論上中性線的電位差為零，但其實還是有電流通過的

不過這是L1和L2通過N的電量相同時才會有的結果

在實際的情況裡，不管水電配給你的是L1還是L2，對用戶都沒差

但對台電來說就有差了

中性線因用戶端的火線分配不均或是其他奇怪的原因造成中性線有電壓

這時台電就必須付出更大的功率(電壓)來送電才能抵銷中性線裡面的電壓

讓用戶端的電壓維持在110~115V

但實際上的情況是不可能這麼完美的(N=0V)

因此台電會在外電的N時不時就接地一下(這就是系統接地)

讓中性線維持0電位

因此我們還是希望整戶的L1和L2是平均分配的

這樣才會讓用戶端的N電壓為0

也可以減少電網的負擔

只是...看到學校這種隨興的插座分配法

L1和L2要平均分配幾乎是不可能的事

因此中性線就出現電壓了

加上早期學校根本沒有拉建築物的設備地線

水電最簡單的做法就是將G和N短接(其實現在的規定是不行的喔~~)

下面是台大生物產業機電工程學系電工實習講義的內容

會這樣接的想法很簡單，N本來就有接地啊~~

沒錯，N有接地，但是在外電的地方(系統)接地

若屋內的N有電，G跟N短接也會帶電了

G在正常狀況下是不能有電的!!

我猜，學校後來從兩孔插座再拉出來的三孔插座(我有拆開看，地線有接)

G有可能和N是短接的(我沒再繼續拆，所以只是推測)

加上學校電力分配不均造成N帶電

因此我會量到L-G有幾十伏的電壓

電器的漏電原本應該跑地線迴路，使得N的迴路電流變少，ELB跳脫

但G和N短接的結果，從G漏電出去的電流又回到N

ELB當然就不會跳脫了

這樣的解釋和我觀察到的結果是吻合的，但這也只是推測...

總之，電真的很複雜

沒事別亂搞

用電安全_開關與接地線的接法

用電安全是非常重要的教育
但在理化課的這個單元，卻經常輕描淡寫的帶過
當然，這絕對不是一件三言兩語可以交代過去的事
之前寫過一篇延長線的使用，還有電線怎麼收
很多人搞不清楚電器上面那條綠線的功能
許多用電的常識也不清楚
災難往往就這樣發生了

基本上一般家用的110V交流電標準應該要有三條線
火線、中性線、地線
詳細功能請參閱延長線的使用這篇，就不再多述
為了讓孩子們能更清楚瞭解這些線和開關的正確用法
重新設計了一個教具(我自己好喜歡這個)
讓老師可以在安全的情況下演示出漏電的效果
以及接地線的功能，還有開關怎麼接才安全

勞動部勞動及職業安全衛生研究所有一張很棒的圖
說明的非常清楚

1.開關在火線，插頭方向是對的
打開漏電開關模擬電線裸露碰到電器外殼
(1-1)電器接地線和插頭接地線相連

通電時，用驗電筆碰觸電器外殼，沒有偵測到電壓

斷電時，沒有電壓

(1-2)電器接地線獨立接在大型金屬物件上

通電時，用驗電筆碰觸電器外殼，仍有電壓(約數十伏特)

斷電時，沒有電壓

(1-3)沒有接地線

通電時，用驗電筆碰觸電器外殼，有明顯的電壓(約100伏特)

斷電時，沒有電壓

2.開關在火線，插頭方向是錯的
這件事很容易發生，因為我們很多兩支型的插頭是沒有防呆功能的
電器仍然可以正常運作(但實際上電器開關變成在中性線上了)
打開漏電開關模擬電線裸露碰到電器外殼
(2-1)電器接地線和插頭接地線相連

通電時，用驗電筆碰觸電器外殼，沒有電壓(其實這和1-1實驗是一樣的情況)
斷電時，沒有電壓

(2-2)電器接地線獨立接在大型金屬物件上

通電時，用驗電筆碰觸電器外殼，仍有電壓(約數十伏特，和實驗1-2一樣)
斷電時，仍有電壓(約數十伏特)，這就有危險了!!因為斷電通常會讓人失去戒心

(2-3)沒有接地線

通電時，用驗電筆碰觸電器外殼，有明顯電壓(約100伏特，和實驗1-3一樣)
斷電時，同樣有明顯電壓(約100伏特)，這是最危險的情況

3.開關在中性線，插頭方向是對的
這種情況通常發生在舊屋或學校
自己找電工師傅多拉一條線出來連接電器或分出插座
若電工師傅沒有詳細檢查火線和中性線是哪一條，就會出現這種情況
出來的情形就和第2點是一樣的

4.開關在中性線，插頭方向是錯的
歪打正著，變成和第1點一樣了

寫太多了
詳細的製作方法和漏電斷路器(這個很重要也很厲害)的功能就等下一篇再說了

延長線的使用

找資料的時候發現這一則新聞

原則上這篇報導沒有問題，記者所描述的概念也都還算正確
但總覺得一直在暗示觀眾「有開關的插座(也)不安全」

其實這是相對的，有開關的插座相對於沒有獨立開關的插座要安全多了
先從觀念上來說
我們家用電進來的線共有四條
兩條火線，一條中性線，一條地線
通常紅色、黑色是火線，白色是中性線，綠色是地線

其中真正有帶電的是火線，中性線只是提供迴路用
若沒有形成迴路的話，中性線是沒有電的
地線沒有在迴路內
主要的目的是預防迴路漏電時，可以將大部分的電導入地線
這樣比較不容易因摸到漏電的電器而觸電
所以若地線沒有埋入住家或是接觸到建築的金屬部分
就會失去應有的功能
所以像這種二轉三(或三轉二?)的轉接插頭基本上若沒有埋地線，就是安慰劑而已

110V就是一條火線，一條中性線
現在許多110V的設計也會加上地線
短的是火線，長的是中性線，圓的是地線

220V主要就是兩條火線，一條地線
直的和橫的都是火線，圓的是地線

再來看看延長線的構造(以下說的情況是延長線沒問題的狀況，請留意)
基本上延長線就是一條並聯電路(不管它有幾個插座)

因此若沒有獨立開關，電器又是電子迴路控制(基本上有遙控或是輕觸型按鍵等家電的都是)或是有變壓器的
只要電器插上去就會是隨時通電的狀態

但若是電器屬於機械式的，例如一般的電風扇(要用力按或是旋轉的那種)或是普通吹風機
基本上關掉電器開關就是完全斷路的狀態
理論上就算一直插在延長線上也是相對安全的(再次強調!!這種說法是延長線沒問題的狀況)

但很多人不會判斷
因此所謂達人和專家們就會告訴你，電器不用時拔掉插頭最安全
沒錯，這是絕對萬無一失的方法
但一個經常要用的電器(例如夏天的電風扇...)從現實的角度來說
實在不會有人一直在拔插頭，而且實際上"太過頻繁"的插拔插頭也不是一個保證安全的作法
因為插座可能因為頻繁的插拔，而使得孔隙加大，反而容易造成接觸不良的狀況
因此若延長線的插座有獨立開關
確實在使用上更安全，也更便利

接下來才是關鍵
一般我們用110V的延長線若有加裝獨立開關
開關基本上就一定會做在火線端
如此才能真正切斷帶電的電源
用三用電表驗證一下就知道

但問題就在於延長線的插頭設計
若延長線的插頭就是一大一小，或是有附地線插頭的
基本上就不會插錯

但也有很多延長線的插頭大小是一樣的，因此插入住家的插座時
很可能將延長線的火線插入住家插頭的中性線

這樣開關就變成控制中性線的迴路
若家電仍插在延長線上，即使延長線的開關切斷
火線端的電還是會進入家電中
若此時家電有漏電的狀態，就會在漏電端形成迴路
危險就發生了
可以用感應試驗電筆就可以知道有沒有通電，插頭有沒有插反了

因此，延長線加裝開關安不安全？
基本上只要使用正確，延長線本身也沒問題
確實是安全的

但問題又來了
多一個零件，就表示多一個可能故障的地方
有開關的延長線通常也都會較頻繁的切換開關
開關的設計就是兩片金屬的碰觸
因此在碰觸的地方就是相對電阻較大的地方，也就是更容易發熱
開關用久了，那個地方的塑膠就比較容易融化或變質
所以若感覺開關切換時不是一個漂亮的動作
就表示開關有問題了
此時千萬不要省錢，就是要換了
藍色開關是正常的，紅色開關就出問題了(停在中間無法切換)

電這種東西很方便，很好用
只要懂它，其實也是很安全的