應(yīng)用在可燃冷媒空調(diào)產(chǎn)品中的繼電器安全研究

于麗

YU Li

珠海格力電器股份有限公司檢測中心 廣東珠海 519070

Test center of Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

在空調(diào)產(chǎn)品的控制電路中，電磁繼電器的應(yīng)用非常廣泛，一般涉及弱電控制強電的電路，如壓縮機、風機風擋、四通閥等的通斷，都會使用電磁繼電器（下文繼電器均指電磁繼電器）作為開關(guān)元器件。R32/R290冷媒作為目前最適用的環(huán)保冷媒，各大空調(diào)廠家已經(jīng)在逐步切換使用。性能方面，環(huán)保冷媒的切換，不需對空調(diào)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)做太大改動即可明顯提高能效，節(jié)能減排效益顯著；安全方面，針對環(huán)保冷媒R32/R290易燃易爆特性，安全標準對于繼電器這類開關(guān)元器件（易發(fā)生拉弧，打火等現(xiàn)象）提出了更高的要求。本文以繼電器為對象，結(jié)合繼電器的工作原理及結(jié)構(gòu)特性，從空調(diào)標準以及爆炸性氣體防護標準兩個角度分析繼電器的防護要求，可采用的防爆方式，測試要點及實際應(yīng)用問題解析。本文的相關(guān)分析說明也可應(yīng)用于其他類似的點火源元器件，對空調(diào)廠家，繼電器及其他空調(diào)用點火源元器件廠家有指導意義。

2 空調(diào)標準要求分析

在IEC 60335-2-40:2013+A1:2016版本的空調(diào)特標中，涉及繼電器這類開關(guān)元器件(點火源)的安全要求為22.116章節(jié)，標準要求可歸納為兩方面：

（1）點火源安裝在殼體內(nèi)，標準要求該殼體應(yīng)：

a. 符合IEC 60079-15:2010中對限制呼吸外殼的要求（測試使用IIA類氣體或空調(diào)所用冷媒）；

b. 安裝在安全區(qū)域（安全區(qū)域指經(jīng)IEC 60035-2-40附錄FF驗證，不會成為可燃冷媒混合氣體聚集的區(qū)域）。

（2）元器件本身如符合以下要求，則不認為是點火源：

a. 符合IEC 60079-15:2010中第8～19章中對IIA類氣體或空調(diào)所用冷媒的要求；

b. 通過適用標準證明，元器件適用于IEC 60079-14中定義的2,1,0區(qū)使用。

安裝在殼體內(nèi)——這種方式的優(yōu)點是覆蓋面廣，不用考慮點火源工作原理，一個盒子可以解決所有問題，大部分點火源都可以采取這種方式。缺點是對殼體的材料，結(jié)構(gòu)要求高，生產(chǎn)工藝復雜耗時長，同時，盒子占用空間較大，現(xiàn)有空調(diào)結(jié)構(gòu)難以滿足要求，所以空調(diào)產(chǎn)品較少使用這種方式。而對于除濕機來說，由于其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，可以考慮該方式。

元器件本身滿足防爆標準要求——這種方式的優(yōu)點是通用性非常強，尤其是家用空調(diào)，使用的繼電器規(guī)格基本都是固定的，繼電器廠家只要將這幾種規(guī)格的產(chǎn)品按照上述要求做防爆實驗后，基本可以滿足各大空調(diào)廠家的需求。缺點是將爆炸性氣體用設(shè)備防護標準IEC 60079系列應(yīng)用在繼電器上，對繼電器提出了更多的安全要求，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不滿足時，如何整改將是廠家面對的一大難題。同時標準中可選擇的防爆方式過多也會對廠家造成不小的困擾。下面將結(jié)合繼電器的工作原理及結(jié)構(gòu)，分析適用于繼電器的防爆方式。

3 空調(diào)用繼電器防爆方式解析

繼電器如自身滿足安規(guī)要求，有兩個標準可以選擇：

（1）IEC 60079-14：爆炸性氣體環(huán)境第14部分：電氣裝置涉及、選擇和安裝

（2）IEC 60079-15：爆炸性氣體環(huán)境第15部分：“n”型電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、試驗和標志

IEC 60079-14 針對的是整個電氣系統(tǒng)的設(shè)計和安裝，不僅僅是針對元器件本身，對于家用用途電器來說沒有必要，本文不再概述。

IEC 60079-15 適用于無火花電氣設(shè)備，或產(chǎn)生電弧火花或熱表面的部件或電路。該標準的防爆類型是“n”型防爆，指電氣設(shè)備在正?；蛞恍┊惓Ｇ闆r下，不能點燃周圍爆炸性氣體環(huán)境。

“n”型防爆包括多種防爆方式，首先要了解繼電器的結(jié)構(gòu)以及工作原理，從而選擇適用于繼電器的防爆方式。

由圖1、圖2、圖3可知：繼電器的工作原理是線圈通電，電磁驅(qū)動彈片閉合或斷開。結(jié)合IEC 60079系列爆炸性氣體防護標準，繼電器可從兩個方面進行防護：

（1）彈片處為觸點動作，可能會產(chǎn)生電火花，電弧，高溫，此處為危險源；

（2）觸點在殼體內(nèi)。

基于上述兩點，同時考慮對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)更改最少，生產(chǎn)工藝可操作性等實際情況，建議采用封閉式斷路裝置、非點燃元器件、密封裝置三種防爆測試方式。

下面將從這三種防爆方式的定義、測試要求等方面，以繼電器為實例，分析防護方向及防護要點，詳細的標準要求見IEC 60079-15:2010，本文不詳細列舉。

3.1 封閉式斷路器

（1）定義

有通斷電觸頭的裝置，它在進入其內(nèi)部的可燃性氣體或蒸氣爆炸時不會損壞，并且也不會將內(nèi)部爆炸傳播到外部可燃性氣體或蒸氣。

該定義應(yīng)用到繼電器上可以理解為：當繼電器殼體進入可燃性氣體，繼電器的彈片吸合或斷開時雖然引爆該可燃氣體，但該爆炸不會傳播到繼電器外部。這對內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外殼的強度都有較高要求。

（2）測試簡析

民營企業(yè)從銀行獲得貸款也不容易?！般y行能給我們的貸款額度在收緊?！蹦澄穆闷髽I(yè)負責人周珊彤說，“我們找銀行貸款，額度上就會打折扣，放款也不能一次到位，而是要分幾批發(fā)放，銀行的解釋是上級行對規(guī)模管理得較嚴?！?/p>

a. 預處理：因為空調(diào)用繼電器都是非金屬外殼，考慮使用環(huán)境溫度對非金屬的老化和變形影響，外殼需要經(jīng)受耐熱和耐冷實驗（章節(jié)22.3.1）的預處理。

圖1 空調(diào)常用電磁繼電器工作原理圖

圖2帶插片和引腳的繼電器

圖3 僅帶引腳的繼電器

b. 型式試驗——模擬點燃：繼電器內(nèi)部及所在容器內(nèi)充注標準氣體（ⅡA，ⅡB或ⅡC，空調(diào)滿足ⅡA即可），或者充注空調(diào)使用的冷媒，讓繼電器以最大負載通斷電10次，通過內(nèi)部觸點點燃繼電器內(nèi)部氣體，觀察爆炸是否傳至繼電器外部來判定符合性。

（3）小結(jié)

要滿足封閉式斷路器的要求，可以通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)配合，以及增強外殼的承壓能力來阻止爆炸傳播。由于家用空調(diào)繼電器額定電流小，且考慮實際應(yīng)用中功率因數(shù)cosφ的影響，繼電器內(nèi)部的混合氣體很難被點燃（適用于非點燃方式），所以封閉式短路裝置的防爆方式很少廠家采用，但對于不滿足非點燃方式的產(chǎn)品，可以考慮封閉式斷路器的測試。

3.2 非點燃元器件

（1）定義

元器件具有通斷規(guī)定的點燃電路的觸頭，其觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計成能使元器件在該電路中不會引起點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境。

該定義應(yīng)用在繼電器上，可以理解為：繼電器的觸點按照最大負載動作，也不能點燃或引爆爆炸性氣體環(huán)境。

（2）測試簡析

b. 型式試驗——模擬點燃：繼電器內(nèi)部及所在容器內(nèi)充注標準氣體（ⅡA，ⅡB或ⅡC，空調(diào)滿足ⅡA即可），或者充注空調(diào)使用的冷媒，讓繼電器以額定負載動作50次，并重復3次通斷電，周圍的試驗氣體不能被點燃。

（3）小結(jié)

要滿足非點燃的要求，主要是觸頭的排列來抑制初期火焰，從而防止點燃。對于額定電流較小的繼電器產(chǎn)品（10A以下），不做產(chǎn)品更改基本都可以滿足該實驗，對于較大電流的繼電器，可以考慮限定功率因數(shù)cosφ，更改觸點材料或結(jié)構(gòu)的方式來滿足該實驗。

非點燃裝置和封閉式斷路裝置實驗原理是很相似的，都是通過觸點的頻繁動作來觀察是否點燃標準氣體，或點燃后的爆炸傳播。結(jié)合目前空調(diào)使用的可燃冷媒特性，用R32冷媒來測試通過率會大大高于標準氣體，用R290冷媒來測試則與標準氣體ⅡA相差不大。廠家可根據(jù)空調(diào)廠家的需求情況針對性的選擇測試氣體。

3.3 密封裝置

（1）定義

其結(jié)構(gòu)在正常運行時不能打開，并且有效密封，阻止外部大氣進入。

該定義應(yīng)用在繼電器上可以理解為繼電器的外殼有效密封。這種方式僅僅是針對繼電器外殼，不用考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題。

（2）測試簡析

a. 預處理：因為空調(diào)用繼電器都是非金屬外殼，考慮使用環(huán)境溫度對非金屬的老化和變形影響，外殼需要經(jīng)受耐熱和耐冷實驗（章節(jié)22.5.1）的預處理以及耐壓測試（22.5.2）。

b. 型式試驗——泄露實驗

方法一：將繼電器由（25±2）℃的環(huán)境立即浸入（65±2）℃的水中，浸入深度至少25mm, 1min，試驗中沒有氣泡產(chǎn)生，即認為符合要求。

方法二：繼電器內(nèi)部的空氣壓力減至120mm，Hg（16k Pa），然后浸入76mm的水深中，沒有明顯泄露既合格。

方法三：如果有其他方式可以證明，在1個大氣壓（101,325 Pa）的壓差下，繼電器以每秒不超過10～5毫升空氣的速率泄漏，則認為符合要求。

（3）小結(jié)

要滿足密封裝置的要求，僅要做好外殼的防漏即可。目前空調(diào)實際使用的繼電器基本有兩種結(jié)構(gòu)，見圖2、圖3。圖3繼電器僅在引腳處存在泄漏風險，但引腳處通常已有密封劑，所以僅有引腳的繼電器基本都滿足密封裝置的實驗要求。圖2為帶插片及引腳的繼電器（一般10A及以上繼電器會帶插片），常用繼電器的插片與殼體的結(jié)合都會有縫隙，如要滿足密封裝置的防爆試驗，則需要在縫隙處通過密封墊圈方式密封，或使用密封劑（灌膠等）密封，需注意密封劑的溫度特性。

4 總結(jié)

繼電器作為空調(diào)控制器中必不可少的開關(guān)元件，也應(yīng)大力配合解決可燃冷媒（環(huán)保冷媒）推廣中的安全屏障，廠家除了了解要元器件本身安規(guī)標準外，還必須及時了解其應(yīng)用產(chǎn)品的相關(guān)標準信息。在設(shè)計產(chǎn)品時結(jié)合標準，合理規(guī)劃，與空調(diào)廠家協(xié)作，與有資質(zhì)的防爆實驗室探討，共同解決安全難題。