地線、GFCI與AFCI

https://blog.wenxuecity.com/myblog/36867/201910/22876.html

conduit calculator: https://www.southwire.com/calculator-conduit

1. 接地

NEC code有點繞。零線叫grounded conductor，地線相關是grounding system，equipment grounding conductor，grounding electrode(s)。地線可否與零線公用或短接？

在北美，120V AC由火零線構成供電回路，240VAC由相位相反的兩個120V火線構成回路。240V電器有的不需要零線如電爐，有的因內部還有120V模塊還需要零線如烘幹機。120V電器如果不用零線隻用地線，由於接地電阻大有浪費，在電器近零端也因壓降大不安全；有些老房子隻有火零線沒有地線，電器的金屬部件可能帶感應電(特別是帶工頻變壓器的設備)，或者電器漏電到金屬外殼上(如吊扇線圈短路)，接地可能減免這類危險。新電器如laptop的電源都是開關電源，高低壓線圈分段繞漏電幾無可能，許多都不帶地線。

正常時地線沒有電流。在零線非正常斷開時，另一頭通過負載接火線的電位很高可能有危險；也有過火線短路造成零線76V的例子，當時電工將零線與地線短接暫時消除危險。

室外保護地的作用，不是作為供電回路，主要功能是避雷的提供閃電入地通路，接地電阻對於住宅要求小於25歐姆，美軍火庫小於5歐姆。通常要求至少兩處接地，可以是連接埋在混凝土地基裏的20'鋼筋、5'內埋在地下的金屬水管、或以小於45度角-垂直最好-釘入地下的銅棍。連接必須是燒焊或銅夾具。多接地點彼此間距不小於6'，且須用#6 AWG銅線連接起來，不然接地電阻大會造成地電位差，閃電時如果人在室外兩腿間距離的電位差可能死人。例如高壓線掉在地上由接地點開始電位逐漸下降，附近有奶牛可能被電死，人並攏雙腿就安全的多。

室內的保護地線可將用電設備的感應電或漏電入地接零(例如GFCI和設備金屬外殼上的感應電)，有點像於熱水器的溢出保護。變壓器是利用電磁感應的元件，初次級構成一定阻抗的電容，初級通過交流感應到次級的電可能仍會麻人，常用在初次級間加屏蔽金屬層並接地來防止，後期繞組分開以減弱影響，開關電源則無此問題。

市電入戶隻有L1-N-L2，主板零/地線需短接，即將配電板帶的綠漆螺絲擰下穿過絕緣電木到外殼。子板零/地線不能短接：https://www.creia.org/subpanel-grounding--answers-to-common-questions 摘要翻譯如下：

規則1：在主麵板之後必須始終將零線與地線隔離。此規則有兩個基本原因：
a）在發生接地故障時為電流流向變壓器提供低電阻路徑。此路徑不應通電，以確保在故障時可完全用於故障電流。
b）為了防止地線在正常情況下傳導零線電流。零線電流流入地線可能使電器外殼帶電。
規則2：在子麵板中，零線應始終與外殼絕緣。該規則的原因是為了防止外殼導電。
規則3：在子麵板中，地線應連接到外殼上。理由是在發生接地故障時提供通往維修麵板和變壓器的通路。

主板零/地線需短接是因為入線沒有地線。主/子板都需額外的接地方法如入地8尺銅棍。買來的配電板通常沒有地線排要單獨買。下圖1限於現有電路，圖2是新標準：https://iaeimagazine.org/magazine/2008/09/16/two-buildings-common-service-grounding-requirements/

總之，接地可以多點，零線隻能單根。我替NEC的老爺們臆想：假如零線並聯例如圖1中是金屬管道通路，再假設子板零線斷路，則金屬管成為零線通路，因其上壓差大，摸到可能有觸電的危險 - 且慢還有接地電棍呢？- 那再假設接地電阻夠大 - 總之有個哈雷撞地球的概率。

在用戶主配電盤處，零線和地線匯流排都通過圖1/2的綠色螺栓接外殼，再用裸銅線(200A/125A配電盤是#4/#6，其餘#8)連接接室外保護地，例如埋地銅棍或繞在地基鋼筋裏的銅線或地下金屬水管。雷擊閃電最可能由市電電杆引入，因此主配電盤處哪怕隻有一個主Break開關也必須有室外保護地。SSub panel如上圖2需要4線與主Break板連接，即黑紅白、綠或裸銅線，且零線排上的綠螺栓不用，零線不接地即浮動，另加ground bar，這樣sub panel的四線接線條彼此絕緣。如果sub panel與main panel距離遠，例如在分離的車庫內，那末sub panel仍需室外保護地。如果本地city要求兩處接地，兩銅棍間距至少6'。

室外天線也須接地。對於舊的兩線插座，可以在配電盤處加CAFCI即GFCI+AFCI。

2. GFCI

上圖是GFCI的原理。如果漏電流超過5mA或有人搭上火線，火線電流的一部分直接入地或通過人身入地，火零線的磁場（圖中圓圈）就不一樣，GFCI感應器的輸出不再平衡，它將切斷電路。

3. AFCI

https://www.redwoodcity.org/home/showdocument?id=15334 也有牆上插座和配電盤內breaker兩種。加州2016 code要求覆蓋新建的幾乎所有房間，新支路必須用AFCI breaker。混合式AFCI同時提供串並拉弧和GFCI保護。例如刀切或釘子釘入火零線之間，或者有一線內部間斷斷線接觸不良，都會造成電弧高溫，短路電路可能低於跳閘電流並可能引起火災，AFCI檢測電線的拉弧，瞬間短路一次就會跳閘，沒有AFCI時隻會產生電火花。AFCI內部有微處理器(電弧通過頻譜濾波來檢測)價格偏高。Eaton CL120CAF可用於homeline。

4. Receptacle and cord spec

http://www.ecmag.com/section/codes-standards/code-focus-article-210-branch-circuits-0 http://ecmweb.com/content/receptacle-configurations-highly-loaded-circuits  

Festool/Fien吸塵器都有三檔開關選擇auto/off/on。auto允許插入工具電線由工具開關自動啟閉吸塵器。工具插座對Festool是1200W=120V10A而Fein是6A。iVac vacuum switch使用15A插頭座，說明書限製為12A。因此有一些爭論。按上麵NEC code，如果電路隻有一個插座=receptacle，那末可以滿載，即15/20A的break/circuit/receptacle/cord可以用到15/20A；如果有多個receptcale那末隻能用到80%，例如家用有開關板來的一條break為15/20A的電路都並接多個插座，那末每個插頭負載隻能用到12/16A。此外，如果break/電線是20A，receptacle可以是15/20A；如果break/電線是15A，receptacle隻能是15A。

Festool說明書總負載2400W工具1200W的限製，大概是假設美加的20A線路，但它配的是美規15A而非20A插頭，因此指標是錯的。Fein的規定取vaccum 9A餘6A給工具，是可以的。iVac vacuum switch有兩個插頭可以將工具/vaccumm分開，再限製12A就不必要了，說明應當按NEC規定細致一些。家用的情況下，工具/vaccumm均非連續工作，15A的Mitersaw/Tablesaw在15A線路上比比皆是，不是問題；不過，與吸塵器共線就可能跳閘。我要做吸塵器隨動開關的話，會加上延遲開關機。

美式插頭座規格：https://en.wikipedia.org/wiki/File:NEMA_simplified_pins.svg 

小結：GFCI在living/bed及sink的6'以外可以不用；AFCI再鐵管鐵盒的某些場合可以不用；僅限於15/20A線路。https://www.cityofpaloalto.org/files/assets/public/v/1/development-services/building-division/residential-guidelines/inspections/afci-requirements_2019-01-15.pdf