地线、GFCI与AFCI

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

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

1. 接地

NEC code有点绕。零线叫grounded conductor，地线相关是grounding system，equipment grounding conductor，grounding electrode(s)。地线可否与零线公用或短接？

在北美，120V AC由火零线构成供电回路，240VAC由相位相反的两个120V火线构成回路。240V电器有的不需要零线如电炉，有的因内部还有120V模块还需要零线如烘干机。120V电器如果不用零线只用地线，由于接地电阻大有浪费，在电器近零端也因压降大不安全；有些老房子只有火零线没有地线，电器的金属部件可能带感应电(特别是带工频变压器的设备)，或者电器漏电到金属外壳上(如吊扇线圈短路)，接地可能减免这类危险。新电器如laptop的电源都是开关电源，高低压线圈分段绕漏电几无可能，许多都不带地线。

正常时地线没有电流。在零线非正常断开时，另一头通过负载接火线的电位很高可能有危险；也有过火线短路造成零线76V的例子，当时电工将零线与地线短接暂时消除危险。

室外保护地的作用，不是作为供电回路，主要功能是避雷的提供闪电入地通路，接地电阻对于住宅要求小于25欧姆，美军火库小于5欧姆。通常要求至少两处接地，可以是连接埋在混凝土地基里的20'钢筋、5'内埋在地下的金属水管、或以小于45度角-垂直最好-钉入地下的铜棍。连接必须是烧焊或铜夹具。多接地点彼此间距不小于6'，且须用#6 AWG铜线连接起来，不然接地电阻大会造成地电位差，闪电时如果人在室外两腿间距离的电位差可能死人。例如高压线掉在地上由接地点开始电位逐渐下降，附近有奶牛可能被电死，人并拢双腿就安全的多。

室内的保护地线可将用电设备的感应电或漏电入地接零(例如GFCI和设备金属外壳上的感应电)，有点像于热水器的溢出保护。变压器是利用电磁感应的元件，初次级构成一定阻抗的电容，初级通过交流感应到次级的电可能仍会麻人，常用在初次级间加屏蔽金属层并接地来防止，后期绕组分开以减弱影响，开关电源则无此问题。

市电入户只有L1-N-L2，主板零/地线需短接，即将配电板带的绿漆螺丝拧下穿过绝缘电木到外壳。子板零/地线不能短接：https://www.creia.org/subpanel-grounding--answers-to-common-questions 摘要翻译如下：

规则1：在主面板之后必须始终将零线与地线隔离。此规则有两个基本原因：
a）在发生接地故障时为电流流向变压器提供低电阻路径。此路径不应通电，以确保在故障时可完全用于故障电流。
b）为了防止地线在正常情况下传导零线电流。零线电流流入地线可能使电器外壳带电。
规则2：在子面板中，零线应始终与外壳绝缘。该规则的原因是为了防止外壳导电。
规则3：在子面板中，地线应连接到外壳上。理由是在发生接地故障时提供通往维修面板和变压器的通路。

主板零/地线需短接是因为入线没有地线。主/子板都需额外的接地方法如入地8尺铜棍。买来的配电板通常没有地线排要单独买。下图1限于现有电路，图2是新标准：https://iaeimagazine.org/magazine/2008/09/16/two-buildings-common-service-grounding-requirements/

总之，接地可以多点，零线只能单根。我替NEC的老爷们臆想：假如零线并联例如图1中是金属管道通路，再假设子板零线断路，则金属管成为零线通路，因其上压差大，摸到可能有触电的危险 - 且慢还有接地电棍呢？- 那再假设接地电阻够大 - 总之有个哈雷撞地球的概率。

在用户主配电盘处，零线和地线汇流排都通过图1/2的绿色螺栓接外壳，再用裸铜线(200A/125A配电盘是#4/#6，其余#8)连接接室外保护地，例如埋地铜棍或绕在地基钢筋里的铜线或地下金属水管。雷击闪电最可能由市电电杆引入，因此主配电盘处哪怕只有一个主Break开关也必须有室外保护地。SSub panel如上图2需要4线与主Break板连接，即黑红白、绿或裸铜线，且零线排上的绿螺栓不用，零线不接地即浮动，另加ground bar，这样sub panel的四线接线条彼此绝缘。如果sub panel与main panel距离远，例如在分离的车库内，那末sub panel仍需室外保护地。如果本地city要求两处接地，两铜棍间距至少6'。

室外天线也须接地。对于旧的两线插座，可以在配电盘处加CAFCI即GFCI+AFCI。

2. GFCI

上图是GFCI的原理。如果漏电流超过5mA或有人搭上火线，火线电流的一部分直接入地或通过人身入地，火零线的磁场（图中圆圈）就不一样，GFCI感应器的输出不再平衡，它将切断电路。

3. AFCI

https://www.redwoodcity.org/home/showdocument?id=15334 也有墙上插座和配电盘内breaker两种。加州2016 code要求覆盖新建的几乎所有房间，新支路必须用AFCI breaker。混合式AFCI同时提供串并拉弧和GFCI保护。例如刀切或钉子钉入火零线之间，或者有一线内部间断断线接触不良，都会造成电弧高温，短路电路可能低于跳闸电流并可能引起火灾，AFCI检测电线的拉弧，瞬间短路一次就会跳闸，没有AFCI时只会产生电火花。AFCI内部有微处理器(电弧通过频谱滤波来检测)价格偏高。Eaton CL120CAF可用于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吸尘器都有三档开关选择auto/off/on。auto允许插入工具电线由工具开关自动启闭吸尘器。工具插座对Festool是1200W=120V10A而Fein是6A。iVac vacuum switch使用15A插头座，说明书限制为12A。因此有一些争论。按上面NEC code，如果电路只有一个插座=receptacle，那末可以满载，即15/20A的break/circuit/receptacle/cord可以用到15/20A；如果有多个receptcale那末只能用到80%，例如家用有开关板来的一条break为15/20A的电路都并接多个插座，那末每个插头负载只能用到12/16A。此外，如果break/电线是20A，receptacle可以是15/20A；如果break/电线是15A，receptacle只能是15A。

Festool说明书总负载2400W工具1200W的限制，大概是假设美加的20A线路，但它配的是美规15A而非20A插头，因此指标是错的。Fein的规定取vaccum 9A余6A给工具，是可以的。iVac vacuum switch有两个插头可以将工具/vaccumm分开，再限制12A就不必要了，说明应当按NEC规定细致一些。家用的情况下，工具/vaccumm均非连续工作，15A的Mitersaw/Tablesaw在15A线路上比比皆是，不是问题；不过，与吸尘器共线就可能跳闸。我要做吸尘器随动开关的话，会加上延迟开关机。

美式插头座规格：https://en.wikipedia.org/wiki/File:NEMA_simplified_pins.svg 

小结：GFCI在living/bed及sink的6'以外可以不用；AFCI再铁管铁盒的某些场合可以不用；仅限于15/20A线路。https://www.cityofpaloalto.org/files/assets/public/v/1/development-services/building-division/residential-guidelines/inspections/afci-requirements_2019-01-15.pdf