探討:金屬外殼設備為何頻發漏電?我們又該如何杜絕?

2020-11-22 EDN電子設計技術

最近有注意到網上有討論金屬外殼Mac筆記本電腦在外接單相二線電源時存在較普遍的外殼漏電問題（用手觸摸會感到麻麻酥酥的）。其他金屬外殼電子設備也大量存在這個現象。那麼我們不禁會問，為什麼金屬外殼的電子設備往往會漏電？這對我們的生命安全又是否會造成危害？——畢竟我們屢次看到有關手機採用山寨充電器充電而造成的傷人致死報導。6nnednc

這個問題要從兩方面談起：安規電容導致的漏電，以及電路中交流電工作引起的漏電。6nnednc

知乎網友neocon指出，這絕對不是靜電ESD所引起，因為靜電只是一瞬間。他認為，Mac金屬外殼上感受到的電流實是接觸電流，即當人體或動物接觸一個或多個裝置或設備的可觸及零部件時，流過他們身體的電流。而這個接觸電流並不是筆記本本身所產生的，而是從適配器所傳過來的。6nnednc

適配器中接觸電流產生的原因是由於適配器內部的危險帶電部分和保護地之間的元器件洩漏而來，比如電容，所以接觸電流也叫「洩漏電流」。6nnednc

他解釋說，一般的電容肯定不會接在電路與外殼之間。但是，這裡的電容專門指的是安規電容中的Y電容。Y電容在開關電源中用於共模濾波，通常對稱使用。在使用開關電源的過程中碰到有時會有觸電的感覺。開關電源產生漏電的主要原因是由於Y電容的存在而產生的。6nnednc

好，我們先從適配器的漏電談起，主要包含以下三種情況：6nnednc

1、地線有2顆Y電容中性接地方式連接，(火---||---地---||---零)此種方式如果插座的接地良好是沒有任何問題的，但插座地線如果虛接,這時候地線上帶110V(可能會更高更低)等效電位,如果此用電器是金屬外殼接地,有可能整個外殼都帶電,電筆會亮,摸上去會麻手。2、開關電源高壓側和低壓側(就是光耦跨越的2側，一般電路板這2側間都會有明顯的距離分割)一般會有一顆EMI電容(部分電源還可能並聯一個高阻電阻)，這也是開關電源有漏電流的原因。3、真正的感應電，只要是電源，不管是工頻還是開關電源，一般主變壓器高壓低壓側都會有一個等效電容，可以看成是第2種狀況那樣，也會有微量的洩露電流，這個狀況無法避免。

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那麼，適配器產生的接觸電流又是如何傳給筆記本呢？

適配器的輸出給筆記本供電。正常情況，適配器產生的接觸電流絕大多數都會通過適配器的接地線傳回大地；而一小部分傳給了不接地的外殼、不接地的數據線等，所以人體感覺不到。而當接地不良或者沒有接地的時候，適配器產生的接觸電流不能通過適配器的接地端洩走，就會傳給筆記本的金屬外殼以及USB線；當人觸及筆記本外殼時，接觸電流就會直接通過人體流向大地，從而產生觸電現象。6nnednc

為了防止接觸電流造成危險，需要限制這個電流大小。這是適配器測試時很重要的一項安全性試驗。只要是合格產品，接觸電流值都會在安全範圍之內。6nnednc

設備產生的接觸電流絕大多數都會通過接地線傳回大地，這時接地線起到了一定的保護作用。即便產品或者牆插的接地不好，對於合格產品，也是沒有危險的。6nnednc

然而對於冰箱、洗衣機等有金屬外殼並且內部有交流電工作（例如電動機）的電器來說，必須使用帶地線的三腳插頭來防止漏電。因為產品內部的危險帶電件一旦鬆動脫落，搭接在金屬外殼上形成故障條件，如果產品或者牆插的接地不好，就會有生命危險！ 6nnednc

另外，電路中交流電工作也會引起漏電，但是這部分電流較小。解決方法就是嚴格接地。而蘋果產品的三腳插頭不是嚴格接地的。6nnednc

知乎網友周詩培補充說，iPhone的插頭只有兩腳，不可更換。Mac充電器與iPad充電器具有相似的結構。因此，換上三腳插頭之後地線是懸空的，沒有真正的接到大地，所以仍然會產生洩露電流流到身上的現象。6nnednc

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綜上，要防止帶金屬外殼的用電設備產生漏電現象，一是切勿使用山寨充電器產品，二是確保設備實現良好接地。（說句題外話，很多老舊建築線路布設當初並沒有考慮到接地，比如小編家的地線就是剛加上的。）6nnednc

拓展：三相用電設備的金屬外殼接地

知乎網友Patrick Zhang指出，用電設備的外殼，在很多情況下都是用金屬材料製作而成，以增加外殼的強度。這種金屬外殼具有導電性，因此被稱為用電設備的外露導電部分（需要接地）。
用電設備需要建立等電位聯結，以保護配電室內操作人員的安全。6nnednc

拿TN-C接地系統為例，下圖有兩臺用電設備連接在三相導線上。6nnednc

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Patrick Zhang指出，當中的PEN線就是零線，零線的全稱是保護中性線。PEN線首先接到負載用電設備的外露導電部分上，然後再引至電器的N線端子上，以實現中性線的功能。PEN線的功能以接地為首要任務。6nnednc

TN-C接地系統有一個致命的毛病，就是PEN線不能斷路。一旦斷路，由於後續負載的三相阻抗不一定相等，因此斷點後部的PEN線電壓會上升，嚴重時會上升到相電壓，這足以致命，還會引起電氣火災。6nnednc

這也是TN-C接地系統嚴禁使用在煤礦、油庫、石化行業等具有爆炸性場所的原因。也因為這個原因，TN-C系統現在已經很少使用了。為了解決這個問題，IEC60364還給出了另外兩個方案，就是TN-S和TN-C-S。6nnednc

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由於目前的電器都是按TN-S或者TN-C-S來配線的，因此TN-C接線方式已經幾乎絕跡。6nnednc

實際的電器電源線中，我們能看到一條紅色線，一條藍色線，一條黃綠色線。紅色線就是相線，藍色線就是N線，而黃綠色線就是保護PE線。6nnednc

當用電電器出現碰殼事故，也即相線與外殼直接接觸時，由於電器的外殼直接與PE線相連，而PE線乃至於PEN線的阻抗不大，因此相當於相線對地的短路，其電流與相線對N的短路電流差不多。因此，用電電器上方所接的開關會執行線路保護操作。6nnednc

也因此，把TN系統（包括TN-S、TN-C、TN-C-S）稱為大電流接地系統。同時把TT和IT叫做小電流接地系統。6nnednc

大電流接地系統發生單相接地故障時，一律採用斷路器（也即空氣開關）來執行線路保護，而小電流接地系統，特別是TT接地系統，則採用漏電開關RCD來執行線路和人身安全保護。6nnednc

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