儲水式電熱水器防漏電新方案的應(yīng)用研究

王 瑩，梁添杰，姜穎波

（中山華帝燃具股份有限公司，廣東中山 528415）

0 前言

隨著人們生活水平的不斷提高，居民對生活熱水的日常需求與日俱增，從而帶動了熱水器市場的快速發(fā)展。但是，在各種熱水器中，燃?xì)鉄崴鞔嬖诎踩[患，據(jù)統(tǒng)計(jì)，因燃?xì)庑孤?dǎo)致的傷亡事故人數(shù)已上升至非正常傷亡人數(shù)排名的第3位[1]；壓縮式熱泵熱水器系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)上仍不成熟，初投資費(fèi)用較高[2]；太陽能熱水器受地域、氣候、建筑層次等因素制約較大[3]，同時(shí)經(jīng)常會造成水資源的極大浪費(fèi)[4]。受電網(wǎng)供電能力的加強(qiáng)以及管道煤氣、液化石油氣漲價(jià)等諸多因素的影響，越來越多的家庭選用電熱水器作為家庭衛(wèi)浴器具[5]。而電熱水器又分為儲水式電熱水器和即熱式電熱水器兩大類。據(jù)北京中怡康時(shí)代市場研究有限公司（CMM）市場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：截至2010年11月電熱水器市場容量已達(dá)1 297萬臺。2010年1-11月累計(jì)，儲水式電熱水器占整體熱水器市場的零售量比重為56.88%，仍處主導(dǎo)地位；即熱式電熱水器占整體熱水器市場的零售量比重為5.28%，同前兩年相差無幾[6]。據(jù)專業(yè)的市場分析預(yù)計(jì)，今后幾年內(nèi)電熱水器的市場需求將以每年近20%的速度增長?？梢?，電熱水器的防電安全顯得異常重要，特別是由于安全政策的調(diào)整和個(gè)人安全防護(hù)意識的日益提高，防漏電已經(jīng)成為電熱水器技術(shù)發(fā)展的永恒主題。而由于儲水式電熱水器的行業(yè)主導(dǎo)地位，因此，儲水式電熱水器防漏電技術(shù)方案的發(fā)展尤為重要。

1 行業(yè)內(nèi)防漏電技術(shù)方案的發(fā)展現(xiàn)狀

在我國，隨著電熱水器的日益普及，與電有關(guān)的大小事故也日益增多，甚至出現(xiàn)不少觸電傷亡事故。究其原因，這些事故均為電熱水器帶電造成的。而導(dǎo)致電熱水器帶電的原因主要有以下兩種：

（1）電熱水器自身漏電。由于電熱水器的發(fā)熱部件電熱管安裝在內(nèi)膽里面，直接與水接觸，當(dāng)電熱管的焊接部位或者管壁被腐蝕穿孔時(shí)，將導(dǎo)致電熱管發(fā)生漏電，從而使內(nèi)膽中的水帶電。如果出現(xiàn)接地不良或者假地線的情況，洗浴時(shí)便會引起觸電事故。

（2）環(huán)境漏電，即由地線或水管產(chǎn)生的從外向內(nèi)的逆向漏電。由于歷史原因，我國很多建筑物接地系統(tǒng)是不良的，甚至是缺乏的，如出現(xiàn)裝修接錯(cuò)線、線路老化、私拉電線、使用劣質(zhì)的開關(guān)插座、用水管當(dāng)接地線等，都有可能出現(xiàn)地線帶電、水管帶電。而電熱水器屬于I類電器，人體易接觸的金屬導(dǎo)電部件必須與接地線相連構(gòu)成接地保護(hù)[7]，但如果接地線不能可靠接地時(shí)，地線帶電、水管帶電便會使電熱水器帶電，從而直接引起人體觸電事故的發(fā)生，因此電熱水器的防環(huán)境漏電引起了行業(yè)內(nèi)的極大關(guān)注。為此，2007年7月開始實(shí)施的電熱水器安全標(biāo)準(zhǔn)中增加了防環(huán)境漏電的安全要求，提出了“在正常使用中，一旦發(fā)生器具以外的接地系統(tǒng)的異常情況，應(yīng)提供應(yīng)急防護(hù)措施[8]”等相關(guān)要求。

針對電熱水器自身漏電和環(huán)境漏電的情況，目前行業(yè)內(nèi)主要采用以下兩種防漏電技術(shù)方案。

第一種方案是采用“防電墻”技術(shù)并配置地線帶電警示燈?！胺离妷Α奔夹g(shù)就是水電阻法，即在進(jìn)出水管處形成較長的水道，以得到較大的水流電阻，當(dāng)發(fā)生漏電時(shí)，經(jīng)過“防電墻”組件后的出水電壓將降至人體安全電壓范圍以內(nèi)，避免發(fā)生人體觸電事故。而地線帶電警示燈主要起警示作用，當(dāng)出現(xiàn)地線帶電的情況時(shí)，警示燈將亮起，此時(shí)用戶應(yīng)停止使用電熱水器，并通知相關(guān)技術(shù)人員上門維修。

第二種方案是采用三極斷漏電保護(hù)插頭。當(dāng)發(fā)生漏電時(shí)，漏電保護(hù)插頭將于0.1 s內(nèi)把零線、火線、地線三極同時(shí)斷開，從而切斷各種原因?qū)е碌穆╇姟?/p>

目前，上述兩種防漏電技術(shù)方案均在行業(yè)內(nèi)大量使用，但從設(shè)計(jì)原理及實(shí)際使用環(huán)境出發(fā)，兩種防漏電技術(shù)方案均存在一定的安全隱患。第一種方案采用水電阻將泄漏電壓降到安全范圍，從設(shè)計(jì)原理上屬于被動防電，并不能主動切斷電源，對于一些直接使用地下水的地區(qū)，如果水質(zhì)較差，即水中含有較多的離子，此時(shí)水電阻將明顯降低，漏電時(shí)通過“防電墻”后的出水電壓也會引起人體觸電事故的發(fā)生。另外，電熱水器帶電時(shí)，機(jī)身金屬外殼也將同時(shí)帶電，如果用戶沒有留意到亮起的警示燈，觸碰到金屬外殼也將引發(fā)人體觸電事故。而第二種方案從設(shè)計(jì)原理上屬于主動防電，發(fā)生漏電時(shí)能夠主動切斷電源，但三極斷漏電保護(hù)插頭畢竟屬于電子器件，存在因元器件損壞造成的功能失效可能，如果出現(xiàn)功能失效，發(fā)生漏電時(shí)將引發(fā)人體觸電事故。另外，大多數(shù)家庭浴室的插座均帶有開關(guān)功能，如果把插座開關(guān)關(guān)閉，此時(shí)三極斷漏電保護(hù)插頭將失效，但關(guān)閉開關(guān)后的插座地線依然連通，當(dāng)發(fā)生地線帶電時(shí)同樣會引發(fā)人體觸電事故。其次，在插座無地線的情況下，發(fā)生漏電時(shí)三極斷漏電保護(hù)插頭可能會在人體受到電擊后0.1 s內(nèi)才動作切斷電源。

2 儲水式電熱水器防漏電新技術(shù)方案

2.1 新方案的設(shè)計(jì)原理

由于目前電熱水器行業(yè)內(nèi)被廣泛使用的兩種防漏電技術(shù)方案均存在一定的安全隱患，為了提高儲水式電熱水器防漏電的安全性能，可以采用一種新的防漏電技術(shù)方案。該方案的設(shè)計(jì)原理是采用一種全新的“防電閘”技術(shù)，并與三極斷漏電保護(hù)插頭共同搭配使用，從而形成對儲水式電熱水器防漏電的雙重安全保護(hù)。此方案的使用將可以杜絕人體觸電事故的發(fā)生。

“防電閘”技術(shù)的原理是在儲水式電熱水器的進(jìn)出水管上外接一個(gè)結(jié)構(gòu)組件，其與電熱水器產(chǎn)品形成絕緣連接，通過水電阻將泄漏電流衰減到安全范圍，以確保使用者在三極斷漏電保護(hù)插頭失效且漏電情況下的用水安全。本技術(shù)涉及管路中水電阻的研究、試驗(yàn)和水路優(yōu)化選擇，以及進(jìn)出水管外接組件的結(jié)構(gòu)等，其重點(diǎn)在于對國內(nèi)同行業(yè)采用水電阻法防漏電保護(hù)結(jié)構(gòu)的同類組件進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，能保證在三極斷漏電保護(hù)插頭失效時(shí)泄漏電流遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，與國內(nèi)同類組件相比結(jié)構(gòu)上更加緊湊，制造成本更低并且安裝更加方便。正是由于“防電閘”技術(shù)組件安裝的簡易性，因此可以輕易地對用戶家里已安裝使用的非防電墻儲水式電熱水器進(jìn)行防漏電安全性能升級，以確保洗浴用水安全。

2.2 “防電閘”技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

本技術(shù)與海爾“防電墻”技術(shù)相比較大的差異在于海爾“防電墻”采用塑料管彎曲成多種形狀以增加水路電阻，而本技術(shù)巧妙地通過多個(gè)部件的裝配，以較短的外形尺寸實(shí)現(xiàn)較大的水路電阻，因此成本更低。

2.2.1 性能指標(biāo)的選定

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，電熱水器需要達(dá)到的技術(shù)性能指標(biāo)與采用“防電閘”技術(shù)的產(chǎn)品性能指標(biāo)對比見表1所示。

表1 “防電閘”技術(shù)與國標(biāo)要求的性能指標(biāo)對比

為滿足表1中額定電壓下泄漏電流不超過2.5 mA的要求，當(dāng)儲水式電熱水器漏電電壓為220 V時(shí)，通過“防電閘”組件的進(jìn)出水管路泄漏的電流必須有足夠大的水電阻將其衰減至人體安全電流以下，此時(shí)的水電阻必須大于或等于88 kΩ。

2.2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求以及實(shí)際使用環(huán)境的影響，現(xiàn)對設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)選取如下：

（1）取水的電阻率ρ=1 250 Ω·cm （為了保證水質(zhì)差地域的水電阻也能足夠大，國家標(biāo)準(zhǔn)要求使用向自來水中加入磷酸銨配置而成的電阻率為1 250±50 Ω·cm的試驗(yàn)用水[8]）；

（2）取電壓U=250 V（國內(nèi)儲水式電熱水器的額定電壓為220 V，但考慮到實(shí)際用電環(huán)境中電壓值會在一定范圍內(nèi)波動，可能出現(xiàn)短暫較高電壓的現(xiàn)象）；

（3）取電流I=2.5 mA（根據(jù)表1中的“防電閘”技術(shù)指標(biāo)）。

2.2.3 流道截面積的選擇

為了滿足洗浴舒適性的要求，經(jīng)“防電閘”組件后的出水流量需滿足在0.2 MPa動態(tài)水壓條件下不小于5 L/min的流量要求。由于“防電閘”組件內(nèi)部的水流通道多為非規(guī)則截面，且彎道較多，流道內(nèi)水流在彎道的阻力損失和紊流產(chǎn)生的阻力損失利用理論公式難以計(jì)算，因此只能采用理論推算然后試驗(yàn)驗(yàn)證的方法確認(rèn)。

假設(shè)流道內(nèi)阻力損失為50%，則可按直徑d=6 mm來選擇流道截面積（該通徑流道在0.2 MPa動態(tài)水壓條件下水流量不小于10 L/min），具體截面積S計(jì)算如下：

2.2.4 流道總長度的計(jì)算

通過電壓、電流計(jì)算水電阻R的公式為：通過電阻率計(jì)算水電阻R的公式為：

公式（1）、（2）中，水電阻R的單位為Ω；電壓U的單位為V；電流I的單位為A；流道長度L的單位為cm；電阻率ρ的單位為Ω·cm；截面積S的單位為cm2。

通過公式（1）和（2），流道長度L計(jì)算如下：

L=U × S/（I×ρ） =250 × 0.283/（2.5×10-3×1 250）=22.6 cm

由上面的計(jì)算可知，當(dāng)流道長度L大于22.6 cm時(shí)能夠滿足泄漏電流不大于2.5 mA的要求。為了達(dá)到更好的防電效果，特意把流道長度提高為25 cm，此時(shí)儲水式電熱水器便能滿足水質(zhì)更差條件下的用水安全。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

采用防漏電新技術(shù)方案的儲水式電熱水器產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，把一對“防電閘”組件分別安裝在儲水式電熱水器的外露進(jìn)出水管上，便與三極斷漏電保護(hù)插頭共同形成對電熱水器防漏電的雙重安全保護(hù)。三極斷漏電保護(hù)插頭為第一重保護(hù)，而“防電閘”組件為第二重保護(hù)。

圖1 防漏電新方案產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 “防電閘”組件結(jié)構(gòu)方案圖

“防電閘”組件結(jié)構(gòu)方案如圖2所示，該結(jié)構(gòu)由7個(gè)部件組裝而成。絕緣上蓋、下蓋和中間絕緣體通過螺栓固定在一起，三者之間采用硅膠墊進(jìn)行密封，而墊片上設(shè)有流道過孔。為了提高螺紋連接強(qiáng)度，絕緣上蓋和下蓋的螺紋部分均為黃銅電鍍件，并采用整體注塑的成形方法。另外為方便使用扳手進(jìn)行“防電閘”組件的安裝和拆卸，特意把絕緣上蓋外表面設(shè)計(jì)成六方體結(jié)構(gòu)。而中間絕緣體上設(shè)計(jì)有7條流道，并通過將7條流道設(shè)計(jì)成首尾相通串聯(lián)從而形成一條250 mm長度的折疊往返式水路，從而保證水電阻足夠大。由于“防電閘”各部件均可直接注塑成形，然后通過螺栓緊固連接，裝配簡單，生產(chǎn)加工容易，因此制造成本較低。

2.4 新方案與現(xiàn)有技術(shù)方案的比較

為驗(yàn)證“防電閘”組件的各項(xiàng)性能，特意按照圖2的結(jié)構(gòu)方案制作手板進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，“防電閘”組件的性能指標(biāo)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，防漏電保護(hù)效果與目前市場上使用的“防電墻”技術(shù)基本相同。因此由“防電閘”組件和三極斷漏電保護(hù)插頭組成的防漏電新技術(shù)方案在安全性能方面將明顯優(yōu)于現(xiàn)有的兩種技術(shù)方案，三者之間的比較見表3所示。

表2 “防電閘”組件性能的試驗(yàn)結(jié)果

表3 防漏電新方案與現(xiàn)有技術(shù)方案的對比

3 結(jié)語

（1）從以上的對比分析可知，由“防電閘”組件和三極斷漏電保護(hù)插頭組成的防漏電新方案跟現(xiàn)有技術(shù)方案相比成本相當(dāng)，但卻有更加可靠的防漏電安全性能，因此具有顯著的市場推廣價(jià)值。

（2）由于“防電閘”組件具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單和成本低廉的特點(diǎn)，可以非常容易地對市場上已安裝使用的非防電墻儲水式電熱水器進(jìn)行防漏電安全性能升級，因此具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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