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圖片裏的這個東西真的會使人觸電嗎?

2018-06-25科學

我的結論是:人體會被電到。至於嚴重程度要看具體情況。

以下開始解答。按U形接觸線接觸插座的情況,我們分兩種情形來討論。

情況1:Y形結構的U形接觸線同時接觸到火線和零線。

我們首先需要知道以下幾點:

第一:當路線發生短路時,電流很大,很小的路線電阻也會產生很大的電壓。為此,路線的短路電阻和路線電阻不能再被忽略。

我們來計算這個Y結構U形接觸線的路線電阻:

一般地,插座兩孔的中心距是15公釐。如果我們設圖中的導線截面是1平方公釐,我們來計算題主所示導線的電阻。

觀察題主的圖,如下:

題主的圖,似乎是美標插座

R=\rho\frac{L}{S}=1.7\times 10^{-8}\times \frac{(2\times 10+15)\times 10^{-3}}{1\times 10^{-6}}\approx 5.95\times 10^{-4}\Omega

由此可知,這個U接觸線的路線電阻小於0.6毫歐。

第二:我們知道配電網是無限大容量配電網。所謂無限大容量配電網,指的是當發生短路時,電網的路線阻抗只有短路點阻抗的1/50。

由此可知,無限大容量配電網在短路前後電壓基本不變。見本貼的附註內容。

雖然低壓配電網不屬於無限大容量配電網,但由於短路時間十分短暫,因此系統電壓基本不變。

事實上,配電網的路線電阻是很小的。方便起見,我們姑且忽略掉配電網的路線電阻和電力變壓器內阻,認為220V的電壓直接載入在插座上。當我們把題主的Y形結構插入插座後,在U形接觸線的導體內出現了短路電流:

I_K=\frac{U}{R}=\frac{220}{5.95\times 10^{-4}}\approx 369748A \approx 370kA

嚇人的數值!不過,這裏的計算未考慮路線電阻,實際短路電流值遠遠小於此值,能有10個千安就算到頭了。

我們看到,人手的位置就在U形接觸線導體的一半處,因此人手處的電壓為:

U_{MAN}=\frac{220}{2}=110Vac

註意,這裏的電壓是有效值,它的最大值是 \sqrt{2}\times 110=155.54V 。

根據國家標準GB16895.21-2006【電氣裝置_第4-41部份:安全防護和電擊防護】規定的安全電壓是50V,而110V電壓的有效值和最大值都遠遠大於50V,可見,人必定會被電擊。

現在我們來考慮到配電網的路線電阻(阻抗)的影響。我們知道,與電力變壓器直接相接的是一級配電系統,再下來在車間或者小區某個局部區域執行分配電能的是二級配電系統,最後入戶的配電箱是三級配電系統。由於各級配電系統母線的影響,以及級間電纜的影響,配電網末端的短路電流大約在10kA左右。

我們知道,在一級配電系統入口處,系統電壓是400V/230V,這裏的400V是線電壓,230V是相電壓。在配電網末端的用電裝置處,標稱電壓是380V/220V,這裏的380V是線電壓,220V是相電壓。

這裏的名詞——系統電壓和標稱電壓,是國家標準GB156【標準電壓】中的稱謂。

由於路線電阻壓降的影響,越往配電網終端,執行中的路線壓降越大,短路後的電壓也越低。

當電路的末端發生了短路後,如果各級斷路器均未保護,經過一段時間的過渡過程,短路電路進入到深沈短路狀態。理論和實踐告訴我們,在深沈短路狀態下,電源處的電壓為額定電壓的50%,而路線側的電壓則下降到額定電壓的15%。

這告訴我們,低壓配電網並非是無限大容量配電系統。

在深沈短路狀態下,插座處的電壓為220X0.15=33V,它的一半是16.5V。顯然,這個電壓低於50V,當然不會使人受到電擊了。

由於配電網末端的具體情況較為復雜,特別是變壓器負載較重的情況下,深沈短路狀態甚至在短路伊始時就出現。

總結一下:

(1)我們把Y形結構插入插座,瞬間會出現110V的電壓,讓人體承受電擊沖擊。

(2)如果Y形結構插入插座後路線未作保護,並且配電網因為負載較重而迅速進入深沈短路狀態,則電壓迅速下降到16.5V,此時的電壓已經不會電人了。人體可以僥幸逃過一劫。

我們再看短路維持的時間。下圖是家用微型斷路器的脫扣曲線圖:

我們設家庭主進線微型斷路器的額定電流是40A,10倍額定電流倍數是400A,這個值遠遠小於10kA,因此斷路器的短路保護動作值小於20毫秒。

由此可知,人體觸電的時間小於20毫秒。

再次提醒:家用微型斷路器的分斷容量一般為6到15kA。

情況2:Y形結構的U形接觸線插入插座後只接觸到火線或者零線

我們很容易想到,當U形接觸線插入插座時,並不一定會同時接觸到兩個插座導電接觸片。如此一來,Y形結構中就不會形成短路電流。

由題主給定的條件中我們看到系統中有火線和零線,這說明題主給定的電路接地形式是TN-C。考慮到許多知友根本就不知道絕大多數居家配電系統中根本就沒有火線和零線,而是相線和N線。雖然在TN-C接地系統中是不可能安裝漏電保護裝置的,但我們按TN-C-S來考慮,認為系統中安裝了漏電保護裝置。如此一來,系統又會出現何種現象?

說明一下:以下討論中我違心地按題主的意思把相線叫做火線,把N線叫做零線,姑且將錯就錯吧。

1)設Y形結構的右側接觸線首先接觸到火線,220V電壓將加到人體上。

為了弄懂原理,我們看下圖:

先看a圖。圖中左側是火線,右側是零線PEN。在正常使用時,火線中的電流IL與零線中的電流Ipen大小相等方向相反,因此零序電流互感器的鐵芯中不會產生磁通。

註意到a圖中的用電裝置外殼接到零線,也即保護接零。當火線對用電裝置的外殼發生漏電時,漏電流是Ig。我們看到火線中的電流是IL+Ig,零線中的電流是Ipen+Ig,它們依舊是大小相等方向相反,漏電保護器依然不會動作。這也是TN-C系統中不建議配漏電保護器的原因——此時的漏電保護器是一個擺設。

我們再看b圖。人體從外部接觸到已經漏電的用電裝置外殼,透過人體的漏電電流是Ig,於是火線中的電流是IL+Ig,而零線中的電流依然是Ipen。如此一來,我們發現漏電保護器的零序電流互感器鐵芯中有了磁通,於是漏電保護器就有了保護動作的可能性。當然,此時透過人體流向地面的電流必須大於漏電保護器的動作電流。

我們設Y形結構的U形接觸線右邊的一支首先接觸到插座內的火線,如果系統中安裝了漏電保護器,則漏電保護器將動作。當然,在這裏把人體當成接往地線的載流導體了,人會被電擊得夠嗆。

2)如果Y形結構的U形接觸線左邊的一支首先接觸到插座內的零線,則因為零線的電位接近於零,因此人體不會發生任何電擊現象。

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附註:

以下給大家建立一些重要概念。

第一:導線是有電阻的!

在一般性的計算時無需考慮導線電阻,但在計算短路電流時,因為電流很大,此時不能忽略路線電阻(阻抗)的影響。

第二:要知道什麽是火線,什麽是零線。事實上,一般的居家配電系統內,根本就沒有零線,而是中性線。中性線與零線不是一回事。

中性線是可以進開關的,但零線絕對不允許進開關,這是國家標準GB50054【低壓配電設計規範】中強制規定的。

零線進開關後,另一側零線可能會出現較高的電壓。又因為許多用電電器的外殼保護接零,零線的高壓可能傷害到人體,故有此規定。

相線與火線倒是一致的。

關於TN-C接地系統以及火線和零線的說明,見我的文章:

第三:有些人以為220V交流電壓就是正220V和負220V的脈沖合成,卻不知道220V交流電壓其實是有效值,並且它的最大值是1.414X220=311.08V。交流電流也類似。

一般地,計算短路電流電動力時要用最大值來計算,而計算短路電流的熱沖擊時要用有效值來計算。

第四:配電電壓中有36V的安全電壓,這是GB156【標準電壓】中規定的。在本帖中出現的人體保護50V安全電壓,是GB16895低壓接地系統系列標準規定的,兩者不是一回事。

第五:關於無限大容量配電網的概念

對於電源E,如果電源內阻和路線電阻為r,負載電阻為R,則由中學所學的全電路計算,負載電阻R兩端的電壓U為:

U=\frac{ER}{r+R}=\frac{E}{\frac{r}{R}+1}

正常執行時,由於電源內阻與路線電阻之和遠遠小於負載電阻,為百分之一的水平,完全可以忽略不計,於是正常執行時的電壓 U_{USE} 為:

U_{USE}=\frac{E}{\frac{r}{R}+1}\approx \frac{E}{\frac{R}{100R}+1}\approx 0.99E\approx E

如果短路後的路線電阻小於短路點電阻Rk的1/50,則短路後負載側的電壓Uk為:

U_K=\frac{E}{\frac{r}{R_K}+1}=\frac{E}{\frac{R_K}{50R_K}+1}\approx 0.98E\approx E

可見,在短路後的負載側電壓與短路前相比,幾乎相等。也因此,我們把這種配電網叫做無限大容量配電網。

我們平時見到的中壓和高壓配電網均為無限大容量配電網。對於低壓配電網,在短路後很短的時間(接近斷路器的短路保護開斷時間)內,也近似滿足無限大容量配電網的特征。