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探讨:金属外壳设备为何频发漏电?我们又该如何杜绝?

2017-08-18 赵明灿 阅读:
最近有注意到网上有讨论金属外壳Mac笔记本电脑在外接单相二线电源时存在较普遍的外壳漏电问题(用手触摸会感到麻麻酥酥的)。其他金属外壳电子设备也大量存在这个现象。那么我们不禁会问,为什么金属外壳的电子设备往往会漏电?这对我们的生命安全又是否会造成危害?

最近有注意到网上有讨论金属外壳Mac笔记本电脑在外接单相二线电源时存在较普遍的外壳漏电问题(用手触摸会感到麻麻酥酥的)。其他金属外壳电子设备也大量存在这个现象。那么我们不禁会问,为什么金属外壳的电子设备往往会漏电?这对我们的生命安全又是否会造成危害?——毕竟我们屡次看到有关手机采用山寨充电器充电而造成的伤人致死报道。iZVednc

这个问题要从两方面谈起:安规电容导致的漏电,以及电路中交流电工作引起的漏电。iZVednc

知乎网友neocon指出,这绝对不是静电ESD所引起,因为静电只是一瞬间。他认为,Mac金属外壳上感受到的电流实是接触电流,即当人体或动物接触一个或多个装置或设备的可触及零部件时,流过他们身体的电流。而这个接触电流并不是笔记本本身所产生的,而是从适配器所传过来的。iZVednc

适配器中接触电流产生的原因是由于适配器内部的危险带电部分和保护地之间的元器件泄漏而来,比如电容,所以接触电流也叫“泄漏电流”。iZVednc

他解释说,一般的电容肯定不会接在电路与外壳之间。但是,这里的电容专门指的是安规电容中的Y电容。Y电容在开关电源中用于共模滤波,通常对称使用。在使用开关电源的过程中碰到有时会有触电的感觉。开关电源产生漏电的主要原因是由于Y电容的存在而产生的。iZVednc

好,我们先从适配器的漏电谈起,主要包含以下三种情况:iZVednc

1、地线有2颗Y电容中性接地方式连接,(火---||---地---||---零)此种方式如果插座的接地良好是没有任何问题的,但插座地线如果虚接,这时候地线上带110V(可能会更高更低)等效电位,如果此用电器是金属外壳接地,有可能整个外壳都带电,电笔会亮,摸上去会麻手。

2、开关电源高压侧和低压侧(就是光耦跨越的2侧,一般电路板这2侧间都会有明显的距离分割)一般会有一颗EMI电容(部分电源还可能并联一个高阻电阻),这也是开关电源有漏电流的原因。

3、真正的感应电,只要是电源,不管是工频还是开关电源,一般主变压器高压低压侧都会有一个等效电容,可以看成是第2种状况那样,也会有微量的泄露电流,这个状况无法避免。

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那么,适配器产生的接触电流又是如何传给笔记本呢?

适配器的输出给笔记本供电。正常情况,适配器产生的接触电流绝大多数都会通过适配器的接地线传回大地;而一小部分传给了不接地的外壳、不接地的数据线等,所以人体感觉不到。而当接地不良或者没有接地的时候,适配器产生的接触电流不能通过适配器的接地端泄走,就会传给笔记本的金属外壳以及USB线;当人触及笔记本外壳时,接触电流就会直接通过人体流向大地,从而产生触电现象。iZVednc

为了防止接触电流造成危险,需要限制这个电流大小。这是适配器测试时很重要的一项安全性试验。只要是合格产品,接触电流值都会在安全范围之内。iZVednc

设备产生的接触电流绝大多数都会通过接地线传回大地,这时接地线起到了一定的保护作用。即便产品或者墙插的接地不好,对于合格产品,也是没有危险的。iZVednc

然而对于冰箱、洗衣机等有金属外壳并且内部有交流电工作(例如电动机)的电器来说,必须使用带地线的三脚插头来防止漏电。因为产品内部的危险带电件一旦松动脱落,搭接在金属外壳上形成故障条件,如果产品或者墙插的接地不好,就会有生命危险! iZVednc

另外,电路中交流电工作也会引起漏电,但是这部分电流较小。解决方法就是严格接地。而苹果产品的三脚插头不是严格接地的。iZVednc

知乎网友周诗培补充说,iPhone的插头只有两脚,不可更换。Mac充电器与iPad充电器具有相似的结构。因此,换上三脚插头之后地线是悬空的,没有真正的接到大地,所以仍然会产生泄露电流流到身上的现象。iZVednc

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综上,要防止带金属外壳的用电设备产生漏电现象,一是切勿使用山寨充电器产品,二是确保设备实现良好接地。(说句题外话,很多老旧建筑线路布设当初并没有考虑到接地,比如小编家的地线就是刚加上的。)iZVednc

拓展:三相用电设备的金属外壳接地

知乎网友Patrick Zhang指出,用电设备的外壳,在很多情况下都是用金属材料制作而成,以增加外壳的强度。这种金属外壳具有导电性,因此被称为用电设备的外露导电部分(需要接地)。
用电设备需要建立等电位联结,以保护配电室内操作人员的安全。iZVednc

拿TN-C接地系统为例,下图有两台用电设备连接在三相导线上。iZVednc

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Patrick Zhang指出,当中的PEN线就是零线,零线的全称是保护中性线。PEN线首先接到负载用电设备的外露导电部分上,然后再引至电器的N线端子上,以实现中性线的功能。PEN线的功能以接地为首要任务。iZVednc

TN-C接地系统有一个致命的毛病,就是PEN线不能断路。一旦断路,由于后续负载的三相阻抗不一定相等,因此断点后部的PEN线电压会上升,严重时会上升到相电压,这足以致命,还会引起电气火灾。iZVednc

这也是TN-C接地系统严禁使用在煤矿、油库、石化行业等具有爆炸性场所的原因。也因为这个原因,TN-C系统现在已经很少使用了。为了解决这个问题,IEC60364还给出了另外两个方案,就是TN-S和TN-C-S。iZVednc

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由于目前的电器都是按TN-S或者TN-C-S来配线的,因此TN-C接线方式已经几乎绝迹。iZVednc

实际的电器电源线中,我们能看到一条红色线,一条蓝色线,一条黄绿色线。红色线就是相线,蓝色线就是N线,而黄绿色线就是保护PE线。iZVednc

当用电电器出现碰壳事故,也即相线与外壳直接接触时,由于电器的外壳直接与PE线相连,而PE线乃至于PEN线的阻抗不大,因此相当于相线对地的短路,其电流与相线对N的短路电流差不多。因此,用电电器上方所接的开关会执行线路保护操作。iZVednc

也因此,把TN系统(包括TN-S、TN-C、TN-C-S)称为大电流接地系统。同时把TT和IT叫做小电流接地系统。iZVednc

大电流接地系统发生单相接地故障时,一律采用断路器(也即空气开关)来执行线路保护,而小电流接地系统,特别是TT接地系统,则采用漏电开关RCD来执行线路和人身安全保护。iZVednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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