為什么配電箱要安裝接地線？解析電流回路與人身安全保護原理

配電箱安裝接地線是電氣安全體系中的核心防護措施，其核心目的是在設備發生絕緣故障（漏電）時，為故障電流提供一條低阻抗、可靠的路徑，從而觸發保護裝置（斷路器或漏電保護器）快速切斷電源，防止人體觸電。這涉及到電流回路和人身安全保護的多個關鍵原理。

以下是詳細解析：

理想情況（無故障）：

• 電流從電源（變壓器）的火線流出 → 經過用電設備（如電機、電燈）做功 → 流回電源的中性線，形成一個閉合回路。此時接地線中沒有電流。

故障情況（設備漏電）：

• 假設用電設備內部絕緣損壞（如電線絕緣皮破損、元件擊穿），導致火線直接或間接接觸到設備的金屬外殼。
• 如果沒有接地線：
  • 設備金屬外殼就帶上了與火線相同的電壓（如220V）。
  • 當人體觸摸到帶電外殼時，人體就成為電流流向大地的最佳路徑（因為大地是巨大的導體，電位視為0）。 電流路徑：火線 → 設備外殼 → 人體 → 大地 → 流回電源中性點（通常是接地的）。這個電流流過人體，會造成嚴重觸電傷害甚至死亡。
• 有接地線時：
  • 設備金屬外殼通過接地線與接地裝置（打入地下的金屬棒或網）可靠連接。
  • 當火線碰到外殼時：
    • 故障電流會優先選擇電阻最小的路徑流向大地。
    • 接地線是專門設計的低阻抗導體（電阻要求很小，通常≤4Ω），而人體電阻相對較高（約1000Ω以上）。
    • 因此，絕大部分故障電流會沿著這條低阻抗路徑流動：火線 → 故障點 → 設備金屬外殼 → 接地線 → 接地裝置 → 大地 → 流回電源中性點（接地處）。

形成足夠大的故障電流：

• 接地線提供的低阻抗路徑，使得故障電流 I_f 能夠變得足夠大。
• 這個電流的大小取決于故障點電壓和回路總阻抗（主要是接地線電阻、接地裝置電阻和大地電阻）。設計良好的接地系統能確保這個電流非常大（通常是幾十安培甚至上百安培）。

驅動過電流保護裝置（斷路器）：

• 配電箱內的斷路器（空氣開關）的主要功能是保護線路免受過載和短路電流的損害。
• 當這個足夠大的故障電流 I_f 流過斷路器時，如果 I_f 超過斷路器的瞬時脫扣整定值（通常為額定電流的5-10倍），斷路器會在極短的時間內（毫秒級）跳閘，切斷火線和中性線的供電。
• 關鍵點： 正是接地線提供了低阻抗路徑，使得故障電流足夠大，才能可靠地觸發斷路器動作。沒有接地線或接地不良，故障電流可能很小，無法使斷路器跳閘，設備外殼會持續帶電。

驅動剩余電流保護裝置（漏電保護器/RCD/GFCI）：

• 漏電保護器的工作原理是監測流入火線的電流和流出中性線的電流是否相等（基爾霍夫電流定律）。
• 在正常情況下，流入=流出，差值為零。
• 當發生設備外殼漏電時：
  • 一部分電流通過接地線流走了（I_f）。
  • 導致流入火線的電流 > 流出中性線的電流。這個差值就是“剩余電流”。
• 當剩余電流超過漏電保護器的動作閾值（通常為30mA或更小）時，它會在極短的時間內（幾十毫秒內） 切斷電源。
• 關鍵點： 接地線為故障電流 I_f 提供了通路，使得火線和中性線電流不平衡，從而觸發漏電保護器動作。這是對人身安全的額外、更靈敏的保護，尤其針對較小電流的漏電。

等電位作用：

• 接地線將設備的外露可導電部分（金屬外殼）與大地電位強制連接起來。
• 即使發生漏電故障，只要接地系統良好，設備外殼的電位會被“拉低”到接近大地電位（0V）。
• 人體站立在大地上（也是0V），觸摸外殼時，人體兩端的電壓差（接觸電壓）會大大降低。

縮短故障持續時間：

• 如前所述，接地線確保故障電流足夠大，使保護裝置（斷路器或RCD）快速動作（通常在0.1秒以內）。
• 電流流過人體的時間和能量是決定傷害程度的關鍵因素。 快速切斷電源極大地降低了觸電風險。

• 過電流保護： 驅動斷路器瞬間跳閘。
• 剩余電流保護： 驅動漏電保護器快速跳閘。

• 工作接地（系統接地）： 指變壓器中性點接地。目的是穩定系統電壓，提供單相負載回路，降低過電壓風險。這是系統正常工作的需要。
• 保護接地： 指設備外殼、配電箱金屬外殼等的接地。目的就是本文所述，防止人身觸電。配電箱安裝的接地線屬于保護接地范疇。

配電箱安裝接地線是構建電氣安全防線的基石。它通過為潛在的致命漏電故障電流提供一條專門設計的、低阻抗的泄放通道，確保保護裝置（斷路器或漏電保護器）能夠可靠、迅速地切斷電源，從而最大限度地降低人體觸電的風險和嚴重程度。沒有良好可靠的接地系統，其他保護裝置（尤其是斷路器）在發生設備外殼漏電時可能無法有效動作，使人身安全暴露在巨大的風險之中。因此，接地線的正確安裝和定期檢測維護是電氣安全的重中之重。