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接地及避雷系統

No.08   1993 Mar.   p38~42,   by xxxx施和夫 / BV4DI



Fig 00

    每個火腿及香腸在架設電台時常會受到老前輩的再三叮嚀要注意接地系統或接地一定要做,至於為甚麼要做?則常得不到確實詳細之回答,所以常會搞不清楚為什麼要接地?如何接地?筆者民國 70 年畢業於淡江大學物理系應用物理組,對無線電學有些許涉獵,願借此篇幅與各位業餘愛好者,從法規及原理來探討接地及避雷系統:


接地的種類

    電工法規規定接地的種類分為下列四種:

種類 適用處所 電阻值
特種接地 三相四線多重接地系統供電地區用戶變壓器之低壓電源系統接地、或高壓用電設備接地。 10 歐姆以下
第一種接地 非接地系統之高壓用電設備接地。 25 歐姆以下
第二種接地 三相三線式非接地系統供電地區用戶變壓器之低壓電源系統接地。 50 歐姆以下
第三種接地 1. 低壓用電設備接地。
2. 內線系統接地。
3. 變壓器二次線接地。
4. 支持低壓用電設備之金屬體接地。
1. 對地電壓 150V 以下→100 歐姆以下
2. 對地電壓 151V 至 300V→50 歐姆以下
3. 對地電壓 301V 以上→10 歐姆以下



接地的目的

  1. 機殼接地以使機殼為地電位,在機器漏電時,電流得由接地線流入地下,使機殼維持零電位,不致因觸摸而感電。

  2. 使漏電斷路器於器具漏電時能確實動作,發揮保護作用。

  3. 使用於變壓器上,能防止由於變壓器線圈間之靜電結合所造成之漏電情形。

  4. 洩導因靜電或超高壓系統所感應產生之電壓,以作為保護人體之屏蔽,防止意外電擊。

  5. 無線電設備確實接地:
    (1) 將天線因風吹所造成之靜電導入地下,防止電擊操作人員。
    (2) 消除機器內部各零件間之靜電,使各零件之電位正常,確保高頻電波之屏蔽及傳送功能。



接地的方法

  1. 以銅板作為接地極,其厚度應在 0.7mm 以上,且與土地接觸之總面積不得小於 900 平方公分,並應埋入地下至少 1.5 公尺。

  2. 以鐵管或銅管作接地極,其直徑應在 19mm 以上。以接地銅棒作接地極其直徑不得小於 15mm 且長度不得小於 0.9 公尺,並應垂直釘沒於地面下至少 1 公尺,如為岩石所阻,則可橫向埋設於地面下至少 1.5 公尺之深度。

  3. 以一管或一板作為接地極,若其接地電阻未能達到規定標準時,應採用兩管或兩板以上;又為有效降低接地電阻,管或板之間的距離不得小於 1.8 公尺,且管或板之間應妥為連接,使其成為不斷之導體,其連接線徑應大於接地線。

  4. 接地管、棒或鐵板之表面以鍍鋅或包銅者為宜,不得塗漆或包以其他絕緣物質。

    以上為接地時電工法規所規定之注意事項。除此之外,筆者認為接地極之防蝕也須注意,不要因接地電阻太高而任意加入電解質,因而導致接地極或接地線接頭等受到侵蝕,造成有效電阻年年昇高,終而導致失效。


接地電阻之測量

    欲測量接地電阻可用市售之接地電阻專用儀錶來測量,不過價格並不便宜,對非專業的業餘家而言並不經濟。在此提供一種不是很準,但是很方便之量法,材料只需三用電錶、250W 燈泡、驗電筆及電線,如下圖:

Fig 01
圖一

SW 為 OFF 時量出 V1
SW 為 ON 時量出 V2
R = 110 x 110 ÷ 250
Rx = (V1 - V2) x R ÷ V2

    由此計算出的電阻值 Rx 實際上為 " 接地電阻 Ra + 電源系統接地電阻 Rb",所以算出來的數值為接地電阻之最大可能值,若該值小於所規定之值,則接地系統絕對沒有問題。另外在電學上,並聯電阻總值 Rt 之計算式為:

    1/Rt = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R…

    當測量出接地電阻不足 (不夠低)時,我們會多打幾根接地棒並且聯結使用,也就是並聯的方式。依照上列公式,則打一枝時若為 20 歐姆;加打一根之接地電阻值理論上應降為 10 歐姆,但是要降低接地電阻僅在二接地極棒相距 10 公尺以上時才能成立,若距離越近則比所計算的值為高。一般而言,相距 5 公尺之接地電阻約會升高 10%,所以用前述方法測量接地電阻時,若接地極棒距離電力公司低壓變壓器 10 公尺以上是最好,若為 5 公尺,請乘以 "1.1"。同理,若在一小區域內打了數根接地棒,效果雖然會增加但增加有限,所以 於前述電工法規規定「管或板之間的距離不得小於 1.8 公尺」,就是這個道理,於接地工程時必須注意。


避雷及避雷器

    「雷」自古以來便是一個很可怕的東西,尤其對我們這群無線電愛好者而言,更是聞之色變。(如圖二)

Fig 02
圖二

    雷是一種大自然的現象,它是由於雲層中氣流流動時,靜電感應累積產生帶 + (正電)或 - (負電) 電子之雲塊,當它的電壓高到足以讓空氣的絕緣崩潰時,所發生之急速放電便是雷。這個雷電的電壓約為一億至十億伏特,瞬間電流約有五萬安培,瞬間能量之強大可想而知,常造成重大的災害。所以防雷便是一項重要課題,而防雷措施最重要的便是避雷針之架設。

    照一般課本說法,避雷針為富蘭克林所發明的。其實,早在富蘭克林發明避雷針數百年前的我國民宅,就有先人將鐵線置於屋頂之裝飾中並牽入地下,是為最早之避雷針,而由於當時不知避雷針之原理,所以常被認為是吸雷針。尤其它架的最高,以電學的觀念而言,兩極放電是找最近距離,所以一般人認為打雷時一定打到避雷針,但若如此,以雷電的能量,在一瞬間便可將避雷針融毀,但這又似乎沒見過!避雷針的原理如圖三所示,其功用如下:

Fig 03
圖三



避雷針的功用

  1. 當帶電之雲層飄過來的同時,地上以及建築物將同時感應成相反之極性,提高相對電位,此時建築物若有裝設避雷針,由尖端放電之原理,地上以及建築物所感應成之相反極性的電會從避雷針尖端迅速放出,降低與雲間之電位差,就系統而言是一個漏電結構,也就是說地與雲間之電位差將很不容易升高,因而空氣絕緣之崩潰將不易發生,也就是不會打雷。

  2. 當避雷針處於尖端放電時,如圖三所示,其尖端所放出之離子將隔離雲與大地間之電場,因而使 B 區之空氣保持穩定,不致呈極化而崩潰,因而能保護避雷針下之建築物。至於尖端放電則屬於冕放電 (CORONA),放電時為高頻間斷性放電,所以能保護避雷針,這也是無線電 QRN 的來源之一。

    由此得知避雷針的功能是否發揮就看避雷針下的線路系統是否妥善,也就是接地系統,整個避雷系統之架設於建築法規有所規範,其要點如下:

Fig 04
圖四
建築基準法規定的避雷針 (高 20m 以上)
1. 引下導線
2. 試驗端子
3. 保護管
4. 接地極 (地中)

  1. 避雷針針尖與受保護地面周邊所形成之圓錐體是為避雷針之保護範圍,此圓錐體之頂角的一半謂之保護角,普通建築物之保護角不得超過 60 度,危險品倉庫之保護角不得超過 45 度。(如圖四)

  2. 建築物高度在 30 公尺以下時,避雷導線應使用 30 平方公釐以上之銅導線。建築物高度在 30~35 公尺時,應用 60 平方公釐以上之銅導線。高度大於 35 公尺以上時則應用 100 平方公釐以上之銅導線

  3. 避雷導線架設時須與電力線、電話線、瓦斯管距離 1 公尺以上,但若其之間有靜電隔離時則不在此限。

  4. 距離避雷導線 1 公尺內之金屬管、金屬物應用 14 平方公釐以上之銅導線予以接地。

  5. 避雷導線除煙囪、鐵塔等面積甚小之結構可僅設一條外,其餘應至少設置二條以上,導線應儘量避免連接,連接時須以銅焊接或銀焊為之。

  6. 避雷系統之接地總電阻應在 10 歐姆以下。

  7. 鋼架構造之建築或鋼筋混凝土建築其直立鋼筋皆用瓦斯焊接,而其直立鋼骨或鋼筋之總截面積大於 300 平方公釐;且其底部接地完善者,可以鋼架或鋼筋代替避雷導線

    以上是從「最新建築技術規則」中節錄之重點,不過,當您有了前述的避雷針概念,相信一定會覺得 (2) 至 (4) 項很誇張,有吸雷針之導向,其實它真的是假設萬一被雷擊中時之最安全狀態。從避雷針之原理來看,裝了避雷針後要被雷打到的機會是小之又小,只是當您學過量子力學中「深井問題」時,您就會發現,再怎麼不可能的事它還是會發生,所以為了千百萬分之一或更小之發生機會,最好還是遵照之。

    前面所說皆為避雷針,各位或許會注意到一般我們所用之 GP 垂直天線在其形式上也有尖狀物突出,除沒有電容球體外,可說像極了一個避雷針,所以只要處理得當,亦可發揮避雷針之功能,而其最基本的處理就是接地。為了使用更安全,通常接地會要求的特別嚴格,參閱 "THE ARRL ANTENNA BOOK",您會發覺幾乎所有有關之結構都有接地,而且要求所有有關之接地通通並聯,期使接地電阻更低,運作更完美。而這時須注意的是:1. 在尖端放電時於天線端將會發生不正常之高電壓。2. 當天線附近數公尺內有雷擊發生時亦將感應生成不 正常高電壓。3. 實在是運氣太好,被雷打到。上述之狀態將會在天線及傳輸線上產生異常之高壓,或稱之為突波,一不小心將會燒毀機子,就有必要用到同軸避雷器了。


同軸避雷器之構造

Fig 05
圖五

    同軸避雷器的構造如圖五,主要是利用空氣於高電壓下絕緣崩潰通導之原理消除不正常之高壓進入,因而能保護機子。一般而言,空氣間隙越小,崩潰電壓越低,不過還是要配合您機子的功率及頻率來選用適當的避雷器,若是您的避雷器是以崩潰電壓數值標示時,可用下列公式算之:

V = SQRT (2 x P x Z x SWR)
V = 電纜間峰值電壓
P = 機器輸出最大瓦特
Z = 電纜線阻抗,一般為 50 歐姆

    避雷器選用之保護電壓 = 3 x V (3 為安全係數)


接地越好越安全

    避雷器的功能亦有賴接地系統的良善與否來發揮;接地系統越好,越能使避雷器發揮應有之功能。一般的接法是接於天線下端與電纜線接進房屋前。一般建議是越接近天線越好,有些美製天線便直接設計於天線接線端,用以保護機子。

Fig 06
圖六

    最後建議您整個天線及接地系統如圖六,若無法做到如此,但為了您的安全,還是請儘量的做,特別是接地,若是您整個系統都沒接地,那真是一件可怕的事。依照電學理論,高壓崩潰路徑將選最短路徑,如圖七,將成為一個不折不扣的引雷裝置,不可不慎!

    註 1. 建築法規及電工法規中接地方式略有不同,筆者認為應以接地電阻為主,較為妥當。

    註 2. 正確之量測接地電阻方式如圖八。

Fig 07
圖七
 
Fig 08
圖八   接地電阻的測定回路圖

打入補助接地電極 P2P3
調整可變電阻 r 使 VV=0

於 P3 時求
A/B = (R1+R3) / R = 2

於 P2 時 A/B = R1/(R3+R) = β
R1 = Rβ(1+2)(1+β)




後記:

    當您看完本文後或許會有所懷疑;由於常看到一些有關避雷針放電 (或謂之雷擊)之照片,而認為是吸雷針,其實避雷針要被真正雷擊 (瞬間空氣崩潰之放電,還小於萬分之一秒,會引起極大的爆破聲)的機會是小之又小,除非接地系統沒做好,而通常我們看到的可能是因當時有急速的起電做用以及有強大容電雲層而引起避雷針快速強烈的放電,這種現象常可維持一秒以上至數十秒,因而才有機會被拍到,而這正是避雷針強烈的發揮其保護之功能。其實避雷針之功能的另一種說法是:將一個大而恐怖的雷,化為無數的小雷,以減低傷害

    參考書目:

1. 最新電工法規      
2. 最新建築技術規則 詹氏書局 81.9
3. 電氣技術現場圖解 田中信一 著 復漢出版社 73.03
4. 電氣安全教材實務 內籐勝次 鈴木正一 著 復漢出版社 72.10
5. 高電壓工程 E. KUFFEL & M.ABDULLAH 復漢出版社 65.09
6. PHYSICS ZAFIRATOS 東南書局 68
7. THE ARRL ANTENNA BOOK   ARRL 16th EDITION
END



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