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作者:楊哲彰(2004-06-22);推薦:徐業良(2004-06-22)

市用交流電常見問題說明

目前市用交流電源幾乎都採用單相式電源(圓形電錶),單相電源可分為「單相二線式(1Φ2W)」與「單相三線式(1Φ3W)」,單相二線式配電中一條為火線(hot line or live line,具有交流電壓),一條為俗稱水線(neutral line,為固定的中性電位,通常為零)。單相三線式則有兩條火線以及一條水線,兩條火線的相位差為180度,亦即為+110V-110V。現今住家中的配電大多是採用單相三線,兩條火線間電位差為220V,可提供給冷氣機使用,任一條火線與水線間電位差則為110V,可提供給一般插座使用。以下即整理、討論幾個市用交流電常見問題。

l      交流電的插座上,有些插座的插孔長度一長一短,但有些卻都一樣,這是為什麼?

如前所述,市用交流電中的兩極,分別為火線與水線,其中火線帶有110V電壓,而水線則理論上不帶電壓。如圖1所示,符合電工法規的插座或插頭可明確區分火線與水線,插頭與插座上短孔為火線,長孔為水線,以避免使用上的極性混淆。但市面上仍舊可見到插孔長度一樣的插座,此種插座無法分辨電源極性,若要判別極性,則需使用驗電筆等工具。需注意的是,一般電工技師在進行裝配電時,插座電源極性並不見得會依照火線與地線正確連接,因此就算是插座採用了標準插座,亦不能保證電源極性一定正確。

1. 標準IEC規格插頭(HUBBELL 8215T)

電源極性真的那麼重要嗎?基本上,電源極性正確與否對大多數一般電器而言並不會造成任何影響,例如當您把電風扇電線插頭反插,使用上並不會有任何改變,但是有些高精密度的電子儀器或設備則在使用上會明確規範電源極性,以確保器材的性能(如訊噪比等)。

l      家中常見的插座與電線插頭為兩孔式,但有些器材或延長線則採用三孔式插頭或插座,差別何在?

除了上述火線與水線之外,有些插座或電線插頭的第三孔為接地(Grounding)用,電器接地的用意在於將其外殼或機箱與大地連接,以避免器材因為外部干擾或內部電路感應而造成的漏電情形。想必大家都有因碰觸電腦主機機殼而感電的經驗,這種情形即機殼未施以接地(或接地不良)所致。基本上,大地可視為零電位,當電器漏電時即與大地間存在一個電位差,若人體未能與大地構成良好絕緣(如赤腳站立等),則人體與大地為同一電位而導通,因此漏電的電流將流過人體而造成感電。大型電器設備通常會加裝漏電斷路器,以確保人員安全。

有些電器插頭採用一般雙孔式,但地線(以綠色線標示)則另外直接與機殼連接,此獨立的地線可與建築鋼筋、金屬水龍頭管線或水體連接,但此作法必須小心處理,以求良好的接地效果。

l      有些電源插頭為三孔式,為了使用方便,常把第三孔接地端摘除,這樣做可以嗎?

現行台灣新的建築法規已經明確要求建築物必須接地,因此若任意摘除插頭接地端,會造成電器無法接地,使用上應盡量避免,不得已時應該採用轉接插頭(3孔轉2孔)。

l      電源要如何接地?

最理想的電源接地方式是採用金屬棒或金屬網埋入大地的方式,且對大地阻抗必須以儀器檢測,維持對大地較低的阻抗(或與大地同電位)。但是除了新的建築之外,台灣大多數建築都沒有接地施工,就算有也未見確實,因此替代方式可由地線端連接建築鋼筋、金屬管路、室外排水溝等,但這些替代方式不能夠保證良好的接地,譬如以建築鋼筋接地,很可能因為鋼筋本身的天線效應而吸收射頻雜訊,進而影響到電器本身,因此不良的接地對於高靈敏度電器反而會造成訊噪比降低的情形。另一種接地方式是在電源迴路中把第三孔接地端與水線相連接,這也是台電配電給用戶端預設的接地方式,這種方式同樣也不能夠保證有良好的接地效果。

l      何謂「突波」?

「突波(surge)」為交流電中在某一瞬間產生極大的電壓,高者可達數千伏特,特別在用電吃緊的電源迴路中特別容易發生,例如當啟動馬達、壓縮機時(如冷氣、冰箱等),交流電迴路中便會產生突波。一般的電器用品在電壓的變動不大時仍然可以正常運作,但是對於較精密的電子儀器,電源突波的影響就變得較顯著,電源線路設計較簡陋的電器用品更可能因為突波而損壞。此外當停電後復電的瞬間,或電路遭雷擊,也會產生較具破壞性的突波。

若電源迴路中有連接高耗電量大型電器,如冷氣、冰箱或是具有大型馬達機組的電器,要特別留心突波的問題。加裝「突波吸收器」可避免突波,如UPS電源供應器便具有突波防護功能。突波吸收器通常以額定焦耳(Joule rating)表示其突波吸收能力,約在200焦耳至數千焦耳不等。

l      為什麼會有「電源雜訊」?電源雜訊會對電器造成什麼影響?要怎麼避免電源雜訊?

交流電經由長距離的輸配電以及無數的用電迴路後,電源雜訊的問題就勢必存在。以河流為比喻,一條河流從上游發源地起,河水必然相當純淨,但河水流經中下游後,居民使用這條河流,會使河水逐漸污染。市用交流電也相同,從發電機組產生的電力理論上應是標準的60Hz正弦波型,但經由輸配電以及用戶端迴路後,電源雜訊就同時伴隨產生。電源雜訊可由電器產生,或由外部的電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)或微波干擾(Radio Frequency Interference, RFI)產生。就工業區附近的用電品質來說,大型的機具容易產生較明顯的電源雜訊,且突波的情形也較為頻繁,因此整體來說工業區附近的市電品質很可能會較差。

電源雜訊通常其頻率較交流電60Hz高得多,因此欲抑制電源雜訊最簡便的辦法是加裝「電源濾波器」。電源濾波器即由電感與電容所構成的低通濾波器,將60Hz以上的訊號進行衰減以達成雜訊濾除的目的,此外採用屏蔽隔離較佳的電源線或防磁處理的電源排插都可以降低電源雜訊。但必須注意的是,電源濾波器會阻礙電源的瞬間輸出能力,也就是說,電流的輸出能力會受限於濾波線路,因此高耗能大型電器並不建議使用電源濾波器,需考慮其他方式如隔離變壓等。

l      如何決定使用導線的粗細?

愈大的電流傳輸需要愈大的導線線徑,否則將造成導線溫度過高引發電線走火的危險。導線線徑一般常見的規格以“AWG(American Wire Gauge)”“mm2表示,AWG值越小,則表示導線毫米平方值越大,即導線越粗,下表1為導線粗細與最大容忍電流的關係。

1. 線徑規格與容忍安全電流值

AWG

線徑

(mm2)

導線溫度(TPC材質)

@60oC

@75oC

@85oC

@90oC

最大安全容忍電流(A)

14

2

20

20

25

25

12

3.5

25

25

30

30

10

5.5

30

35

40

40

8

8

40

50

55

55

6

14

55

65

70

75

4

22

70

85

95

95

3

30

85

100

110

110

2

38

95

115

125

130

1

50

110

130

145

150

0

60

125

150

165

170

00

70

145

175

190

195

000

80

165

200

215

225

0000

100

195

230

250

260

l      何謂「無效電力」?何謂「功率因素」?

交流電系統中的負載大多為「電阻性負載」(電燈、電熱器等)以及「電感性負載」(馬達、冷氣、電動機等)。當交流電源接上電感性負載時,容易造成電流波形的相位角落後於電壓波形,因此產生「無效電力」,圖2說明無效電力中電流與電壓的個別關係。

2. 無效電力電流、功率關係說明

「功率因素(Power Factor, PF)」為圖2中有效功率(KW)與視在功率(KVA,即總耗電量)的比值:

                                                                     (1)

這個比值可以衡量電力是否被有效利用,在交流電系統中,真正的有效功率應該是,功率因素越高,表示電力利用率越高,即無效電力越少,一般的電子設備其功率因素約為0.5左右。欲提高電源利用的效率,可在靠近負載的迴路中並聯電容器,利用電容性負載具有電流相位超前電壓相位之特性來修正功率因素,這樣便構成所謂的「功率因素修正器(Power Factor Controller/Compensator, PFC)」,或稱「功率因素補償器」,藉由控制交流電電流輸入的時間與波型以提高PF值。

參考資料

“屋內線路裝置規則”,CNS國家標準電業法第44條。

陳運雙,從電源檢視功率因素,音響論壇雜誌,民國895月。