接地系統三個 V — 接觸電壓 vs 步間電壓 vs 轉移電壓（IEEE 80 安全準則 + IEEE 81 量測程序）

新人對接地系統最常見的誤解：「GPR 越低越安全」。

實際上 GPR（Ground Potential Rise）只是「接地網相對遠端大地的電位上升」——它是中間量、不是人員直接承受的電壓。真正會殺人的是接觸電壓（U_T）、步間電壓（U_S）、轉移電壓（U_Transf）——這三個 V 才是 IEEE 80 安全評估的核心。

GPR 可以高到 5 kV，只要設計得當（grid 密、表面碎石高阻抗、絕緣靴）這三個 V 仍可控制在安全限值內。反之，GPR 只有 1 kV，但有 metal-to-metal 路徑或外部金屬管線把 GPR 全傳到變電所外，轉移電壓可能逼近全 GPR 直接落在無辜路人身上。

本文依 IEEE 80-2000 §3 與 IEEE 81-2025 §9.5.4 / §10 完整拆解三個 V 的物理意義、量測程序、判讀盲點。

GPR 是什麼？為何單看它不夠？

IEEE 80-2000 §3.14：

「Ground potential rise (GPR): The maximum electrical potential that a substation grounding grid may attain relative to a distant grounding point assumed to be at the potential of remote earth.」

GPR 公式：

GPR = I_grid × R_grid

其中 I_grid 為流經接地網的故障電流分量、R_grid 為接地網阻抗。對 161 kV 變電所而言，當系統發生地故障時 GPR 動輒幾 kV。

但人不是站在「遠端大地」量電位的——人站在變電所地表的某一點，雙腳分開 1 m，或一手摸鐵架另一手提工具。實際施加在人體的電壓是地表電位差，不是 GPR 全值。

接地網設計目標是把 GPR 透過 mesh、grading conductor、表面碎石等手段，轉換成讓地表電位平緩 —— 三個 V 就在描述這個「地表電位差」。

第一個 V：接觸電壓（Touch Voltage, U_T）

IEEE 80-2000 §3.29：

「touch voltage: The potential difference between the ground potential rise (GPR) and the surface potential at the point where a person is standing while at the same time having a hand in contact with a grounded structure.」

物理情境：人雙腳站在地表 → 一手觸碰接地金屬物（鐵架、CT 殼、開關櫃外殼）。電流路徑：手 → 軀幹 → 雙腳 → 大地。

關鍵變數：

GPR：接地金屬物的電位（與接地網相同）
V_surface：人站立點的地表電位

接觸電壓 = GPR - V_surface

⚠ mesh voltage（網格電壓）是接觸電壓的特例——依 §3.20「The maximum touch voltage within a mesh of a ground grid」：在一個 mesh 格子的中央地表電位最低、四角接地導體電位 = GPR，所以 mesh 中央站立 + 觸碰角端鐵架 = 該格內的最大接觸電壓。

設計準則由 §8.3 提供 tolerable 公式（依 IEEE 80 §8.4 體重 50 kg / 70 kg 各有獨立公式）。簡言之：人能承受的接觸電壓 = f（故障時間、表面層電阻率、體重）——故障時間越長、容許值越低。

第二個 V：步間電壓（Step Voltage, U_S）

IEEE 80-2000 §3.24：

「step voltage: The difference in surface potential experienced by a person bridging a distance of 1 m with the feet without contacting any grounded object.」

物理情境：人雙腳分開 1 m 走在地表，但沒摸任何接地金屬。電流路徑：腳 → 地表 → 另一腳。

注意關鍵字「without contacting any grounded object」——步間電壓量測時人不接觸鐵架，只承受地表 1 m 內的電位差。

步間電壓最大值常在接地網邊緣（IEEE 81-2025 §9.5.4.3.3）——格內地表電位由 mesh 平緩，邊緣外部地表電位快速衰減，接地網邊界處電位梯度最陡。設計時必須加裝 perimeter conductor + 加密外圍 mesh、或鋪設高電阻率碎石以提高人鞋與地表絕緣阻抗。

⚠ 接觸電壓常比步間電壓嚴重：人軀幹電阻路徑（手 → 心臟 → 腳）比腳 → 腳路徑短得多，相同電壓下心臟受擊風險高出數倍。所以 IEEE 80 之安全準則對接觸電壓比步間電壓更嚴格。

第三個 V：轉移電壓（Transferred Voltage, U_Transf）

IEEE 80-2000 §3.30：

「transferred voltage: A special case of the touch voltage where a voltage is transferred into or out of the substation from or to a remote point external to the substation site.」

物理情境：金屬物路徑（管線、電纜外皮、鐵軌、電話線）橫跨「站內接地網」與「站外遠端大地」兩端，故障時將 GPR 傳遞到外部、或反之傳入。

典型危險場景：

站內 → 站外：站內水管接地、外延至 100 m 外給隔壁住宅 → 故障時隔壁住宅水龍頭瞬間帶 GPR 全電位（住戶站在自家地板上，零防備）
站外 → 站內：遠端外部接地的通訊電纜外皮帶入「外部 GPR」進站 → 站內人員觸碰該電纜端子 = 摸到外部站故障電位

關鍵性質（依 §8 + Clause 17 補充）：

轉移電壓「可能超過站內 GPR 全值」——當外部金屬物本身連到另一個帶電源的接地點時
不可單純「設計站內接地網」處理 → 必須用**隔離設備（isolation transformer / spark gap）**或在邊界加 bonding bar 隔離

IEEE 81-2025 §9.5.4 量測程序

設計算出三個 V 的容許值是一回事；變電所實際量到的三個 V 是另一回事——需依 IEEE 81-2025 §9.5.4 標準程序量測。

Prospective vs Loaded 量測（最常被誤解）

Prospective voltage (§9.5.4.2.4)：高阻抗電壓計量得「開路電壓」——代表理論上人未接觸時的純地表電位差。

Loaded voltage (§9.5.4.2.5)：在量測點並聯 1 kΩ 電阻模擬「人體並聯」——代表實際故障時人承受的電壓。

兩者差異關鍵情境：柵欄電壓（fence touch voltage）。柵欄表面有腐蝕產物（高阻抗薄膜），prospective 量測時電壓高得嚇人；接 1 kΩ loaded 量測時電壓「崩潰」到很低。這時不可斷言「fence 安全」——故障時實際電壓會擊穿腐蝕薄膜，loaded 值瞬間升回 prospective 值。

⚠ §9.5.4.2.5 原文警告：

「At the test voltage corrosion products can be a high resistance and cause a large reduction in touch voltage. During a fault, the higher voltage applied will break down many of these and result in a higher loaded voltage.」

實務 SOP：對腐蝕嚴重之金屬物（柵欄、外露鐵管），以 prospective 為設計判準，loaded 僅作對照不取其低值偷工。Mesh 電壓一律用 prospective。

1 m / 1 kΩ 試驗探針（§9.5.4.2.3 + §9.5.4.3.1）

1 m 距離：模擬人體手臂長度（接觸電壓）或步距（步間電壓）。所有測點布置須遵守 1 m 規則。
1 kΩ 並聯電阻：模擬人體阻抗（IEEE 80 §6 建議值），與金屬探針板灑水（模擬潮濕鞋底接觸）共同還原 worst-case。

6 類接觸電壓量測位置（§9.5.4.2.6）

IEEE 81-2025 列 6 類接觸電壓量測場景：

Fence touch voltage：柵欄與柵欄外 1 m 內地表
Gate touch voltage：金屬大門（任意開合位置）與 1 m 內地表
Structure touch voltage：站內接地鐵架與 1 m 內地表
Station transferred touch voltage：接地網與站外 1 m 內鎖定接地網之金屬物
Remote transferred touch voltage：遠端 bonded 金屬物（如鄰戶水龍頭）與 1 m 內地表
Metal-to-metal touch voltage（§3.21）：兩金屬物之間電位差（實務上同 grid bonded 物件視為 0）

每個位置都要量、每個位置都對應不同人員危險情境——少測一類就是漏掉一個風險。

步間電壓量測（§9.5.4.3）

兩支金屬探針 1 m 間距。常用測點布置：

接地網邊緣 1 m 內（最大值最常出現處）
遠離接地網外部作為對照
柵欄外 1 m

⚠ 與接觸電壓相同，步間電壓 loaded 量測也要 1 kΩ 並聯 + 灑水保守處理。

轉移電壓量測（§9.5.4.4）

針對所有可能跨 grid / non-grid 邊界的金屬路徑（管線、電纜、軌道、通訊線）測量「該物件 vs 1 m 內地表」。轉移電壓可能達到 GPR 全值或更高，必須逐條金屬物路徑檢查 bonding 狀態（§9.5.4.4.3）。

完整性測試（Integrity Test, §10）

三個 V 的計算與量測，全部前提是接地網本身完整 bonded——若 grid 內部某段斷裂、或某金屬物應 bond 卻沒 bond、或多餘 bond 導致 split factor 異常，前面所有計算全失效。

依 §10.1：

「The purpose of integrity testing is to validate the proper interconnection of the grounding system.」

§10.5.6 pass/fail 目標：

單點對 grid 電阻：2 ~ 5 mΩ
整網平均：< 20 mΩ
任一點 > 1 Ω：視為未 bonded

⚠ 1 Ω 看似很小，但對 grid bonding 而言是「斷線」級別的徹底失效。實務上偶見因施工焊接不良（exothermic weld 未焊透）導致關鍵連接點 50 ~ 200 mΩ——grid 表面看起來連通，實際故障電流分流嚴重失衡，計算的 GPR 全部失準。

量測方法（§10.6.3 + §10.6.4）

DC 四線法（§10.6.3）：排除引線電阻 + 系統感應誤差
極性反轉 DC 四線法（§10.6.4）：進一步消除 standing DC（如電解產生之直流偏壓）

兩者皆以低電流（mA 級）注入，避免破壞被測接地點。

三個 V 的設計取捨表

V 類型	物理情境	設計手段	量測重點
接觸電壓 U_T	手摸鐵架 + 腳站地表	加密 mesh、表面層碎石	6 類量測位置全測、prospective 為主
步間電壓 U_S	雙腳 1 m 跨距、無接觸	邊緣加 perimeter conductor + 外圍 mesh 加密	接地網邊緣 1 m 內必測
轉移電壓 U_Transf	跨 grid 邊界金屬物	隔離變壓器、spark gap、bonding bar	逐條外延金屬物量測

業界踩雷四盲點

盲點 1：只看 GPR 不看三個 V

錯誤想法：「GPR 算出來只 800 V 很低，安全」。

真實情況：800 V GPR 仍可能在 mesh 中央產生 200 V 接觸電壓——對 0.5 s 故障時間 + 體重 50 kg 已超過 IEEE 80 §8.3 容許值。設計報告必須有完整三個 V 計算，不可只報 GPR。

盲點 2：fence loaded 值低就放行

錯誤想法：「Fence 量測 loaded 只 30 V 很安全」。

真實情況：腐蝕產物造成假性低值（IEEE 81 §9.5.4.2.5 警告）。故障時擊穿腐蝕薄膜後實際電壓會升回 prospective 值（可能 500 V+）。柵欄判讀必須以 prospective 為準。

盲點 3：忽略遠端轉移電壓

錯誤想法：「站外金屬路徑不是我們的責任」。

真實情況：依 §3.30 + §8 例示，站內接地網的故障電位會傳到站外。曾有變電所建設後鄰近民宅水龍頭電擊事故——責任歸屬問題之外，原始設計就應做轉移電壓評估 + 隔離措施。

盲點 4：完整性試驗單點達標就交工

錯誤想法：「主接地端子試出 3 mΩ，pass」。

真實情況：依 §10.5.6，單點 2~5 mΩ 是「最低門檻」，整網所有 accessible 連接點都要驗。實務上焊接不良點集中在運轉後新加的 retrofit 接點（如後增 CT 殼接地、新加避雷器接地）——竣工驗收時應全網掃，運轉幾年後也應定期重驗（§10.1）。

想看更多

參考標準

IEEE Std 80-2000, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. §3.14, §3.16, §3.20, §3.21, §3.24, §3.29, §3.30, §6（人體電阻 1 kΩ 假設）, §8.3（接觸/步間電壓容許準則）, §8.4（50 kg/70 kg 體重容許公式）。
IEEE Std 81-2025, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System. §9.5.4.2（接觸電壓量測 §9.5.4.2.1~~2.6）, §9.5.4.3（步間電壓量測 §9.5.4.3.1~~3.3）, §9.5.4.4（轉移電壓量測 §9.5.4.4.1~4.3）, §10（完整性試驗 §10.1/§10.5.6/§10.5.7/§10.6.3/§10.6.4）。
註：IEEE 80-2000 已被 IEEE 80-2015 取代，本文引用 IEEE 80-2000 版條文編號（§3.x、§8.x），最新版部分章節編號可能調整，核心定義條款內容相同。