由光伏電源與市電源雙電源供電的熱水器電氣安全結(jié)構(gòu)分析

陳常山 岳洪霞 金寧 單青

CHEN Changshan1 YUE Hongxia1 JIN Ning1 SHAN Qing2

1.山東省計量科學(xué)研究院 山東濟南 250014；2.山東力諾瑞特新能源有限公司 山東濟南 250103

1. Shandong Institute of Metrology Jinan 250014; 2. Shandong Linuo Paradigma Co., Ltd. Jinan 250103

1 引言

隨著光伏等清潔能源技術(shù)的發(fā)展和普及，市場上開始研發(fā)一些能同時使用光伏電源和市電源供電的電熱水器及太陽能電熱水器（以下簡稱為雙電源熱水器），以實現(xiàn)節(jié)能增效。本文依據(jù)儲水式熱水器的安全標準GB 4706.12-2006《家用和類似用途電器的安全 儲水式熱水器的特殊要求》；GB 4706.1-1998《家用和類似用途電器的安全第1部分：通用要求》，結(jié)合小型光伏電源供電設(shè)施的實際情況，對這類雙電源熱水器的安全結(jié)構(gòu)進行分析和探討。

2 雙電源電熱水器的結(jié)構(gòu)

圖1中描述了一種可由市電源和光伏電源雙路電源供電的雙電熱管熱水器結(jié)構(gòu)，市電源為220V～，使用電源插頭連接，光伏電源是直流36V小功率發(fā)電系統(tǒng)，使用接線端子連接。對于雙電源連接，安全標準第7.2條要求：用多種電源的駐立式器具，其標志應(yīng)有下述內(nèi)容：“警告：在接近接線端子前，必須切斷所有的供電電路。”此警告語應(yīng)位于接線端子罩蓋的附近。所以，圖1中的光伏電源連接端子及市電源接線端子附近均須有上述警告語。

安全標準第25.2條要求：“用于多種電源的駐立式器具可以裝有一個以上的電源連接裝置，只要各連接裝置間的電氣強度試驗（基本為正弦波，頻率為50Hz或60Hz，1250V的電壓，施加在各電源連接裝置之間，持續(xù)1分鐘）不出現(xiàn)擊穿”；圖1結(jié)構(gòu)的雙電源熱水器須滿足本條要求，即在光伏電源電路與220V～市電源電路之間須通過1250V/1min的電氣強試驗，需要注意的是要確保電氣強度試驗電壓施加到光伏電源電路與220V～電路的所有絕緣上（例如各繼電器、開關(guān)控制電路及其控制的電熱元件等）。

但雙電源熱水器除了滿足第25.2條的要求外，還應(yīng)考慮當光伏發(fā)電系統(tǒng)是安全特低電壓電路（導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與地之間電壓不超過42V，空載電壓不超過50V）的情況下與市電源之間的安全隔離，在這種光伏發(fā)電系統(tǒng)中往往存在易觸及導(dǎo)電部件，并給同單元的照明、通信等其他設(shè)施和電路供電，因此，為保證安全，圖1所示的雙電源熱水器結(jié)構(gòu)中，雙電源連接裝置及其電路之間還需要達到雙重絕緣或加強絕的要求，才能滿足安全標準第8.2條的要求：“…只允許觸及到那些由雙重絕緣或加強絕緣與帶電部件隔開的部件”。

圖1所示結(jié)構(gòu)的雙電源熱水器使用兩個獨立的管狀電熱元件，通過相應(yīng)的控制電路分別與市電源及光伏電源連接，兩管狀電熱元件及其連接的電路之間應(yīng)達到雙重絕緣或加強絕緣的要求。該雙電源熱水器的控制電路如圖2。

3 雙電源熱水器的控制電路

圖2所示的雙電源熱水器控制電路中，“控制器電路”接收水溫傳感器信號、進水口水流量傳感器信號等，通過繼電器和功率調(diào)節(jié)電路分別控制市電加熱管和光伏加熱管的工作。

市電源與光伏電源以互為備用的方式同時輸入“VC電源電路”，以保證無論在僅有光伏供電或僅有市電源供電的情況下，“VC電源電路”仍能為“控制器電路”和“功率調(diào)節(jié)電路”提供正常工作的電源電壓。需要注意的是電源電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計上，市電源通過安全隔離變壓器與光伏電源及其電路實現(xiàn)安全隔離。

內(nèi)部連接：雙電源熱水器內(nèi)部電氣部件較多，電氣連接復(fù)雜，內(nèi)部線連接方式多樣：壓接、錫焊連接、快插端子連接、螺釘連接等方式會同時存在。壓接或錫焊連接的導(dǎo)線應(yīng)在連接點附近提供附加的固定措施以夾緊多芯絞線的絕緣層和導(dǎo)線，螺釘連接的導(dǎo)線應(yīng)有鎖緊墊圈，必要時在內(nèi)部線和易觸及金屬部件之間增加附加絕緣，保證雙電源熱水器的內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)上，從電源輸入端子、內(nèi)部布線、內(nèi)部線端子的固定、安全關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)（例如繼電器結(jié)構(gòu)，熱斷路器結(jié)構(gòu)等）及元件的安裝固定等方面，滿足光伏電源及其相關(guān)元件與市電源及其相關(guān)元件之間的隔離符合安全標準要求，達到雙重絕緣或加強絕緣的要求，同時符合安全標準第22.31條要求：“…，如果任何的電線、螺釘、螺母或彈簧變松或從原位置上脫落，帶電部件和易觸及金屬部件之間的爬電距離和電氣間隙都不應(yīng)減小到低于第29章中對附加絕緣的規(guī)定值”。

功率調(diào)節(jié)電路的作用是調(diào)節(jié)光伏電加熱的加熱功率、電流，以適應(yīng)和匹配小功率光伏電源不太穩(wěn)定的負載能力，提高光伏電源的利用效率，并防止小功率光伏電源因過載而導(dǎo)致無法正常工作或損壞。其基本原理是，當檢測到光伏電源負載能力及輸出電壓正常時，則器具的光伏電加熱管以較大功率工作；當檢測到光伏電源負載能力較小，輸出電壓過低時，則降低光伏電加熱功率和加熱電流，直至光伏電源負載能力恢復(fù)正常。

浪涌保護電路：受雷電影響，接觸戶外的光伏電源系統(tǒng)中容易產(chǎn)生浪涌電壓，所以圖2所示的控制電路中，光伏電源輸入端增加浪涌護電路，抑制浪涌電壓對控制電路的干擾。

雙電源熱水器的工作模式：圖1所示結(jié)構(gòu)的雙電源熱水器可以實現(xiàn)多種加熱模式：市電源與光伏電源同時加熱；用水狀態(tài)時市電源加熱，保溫狀態(tài)時光伏電源加熱（通過進水口處的水流量傳感器判斷用水狀態(tài)）；市電源單獨加熱或光伏電源單獨加熱（雙路電源互為備用）。

圖1一例雙電源熱水器結(jié)構(gòu)

圖2雙電源熱水器控制電路

圖3雙電源熱水器控制電路

4 非正常工作的保護

當非正常工作時（例如溫控器失效），圖2電路中的熱斷路器HT1、HT2動作保護，需要注意的是：在非正常工作保護元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，要保證熱斷路器HT1、HT2聯(lián)動斷開保護，即無論雙電源熱水器工作在哪種模式，當發(fā)生非正常工作故障時，熱斷路器HT1、HT2都必須同時斷開，以保證同時切斷市電加熱管電源和光伏加熱管電源，防止危險的發(fā)生。

例如：如果圖2電路中的熱斷路器HT1、HT2不是聯(lián)動斷開的，而是相互獨立的，當器具在市電源加熱模式下非正常工作時（例如溫控器失效），導(dǎo)致圖2電路中熱斷路器HT1斷開，切斷市電加熱管電源，器具停止加熱；此時如果HT2沒有斷開（例如因熱斷路器HT1、HT2感溫位置的差異，感溫元件的容差、某一時刻工作電流差異等因素導(dǎo)致），當用戶切換到光伏電源加熱模式時，光伏電加熱管可能會繼續(xù)工作，從而延長非正常工作的時間，導(dǎo)致器具內(nèi)溫度進一步升高而產(chǎn)生危險；同理，器具以光伏電源加熱模式非常工作時的情況也是這樣。因此圖2中使用能聯(lián)動斷開的雙路熱斷路器。

聯(lián)動斷開的雙路熱斷路器結(jié)構(gòu)：除了圖2中所示專門設(shè)計的雙路熱斷路器外，還可以使用1個小型非自復(fù)位熱斷路器來控制2個全極斷開的繼電器的方法，具體電路見圖3。

圖3中使用1個小型自復(fù)位熱斷路器HT來控制2個雙觸點繼電器JJ1、JJ2的動作，實現(xiàn)熱水器非正常工作時市電源與光伏電源的聯(lián)動切斷。根據(jù)安全標準第22.105條，對于設(shè)計與固定布線的連接的器具，其中性線不要求斷開，所以對于單相供電的熱水器，當電源是連接到固定布線時，繼電器JJ1、JJ2可以使用單觸點的。

5 單電熱管的雙電源供電電路結(jié)構(gòu)

以上分析了雙電熱管熱水器的雙電源供電電路結(jié)構(gòu)。當采用單電熱管結(jié)構(gòu)時，為了實現(xiàn)市電源與光伏電源之間的安全隔離，而又不對市電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，筆者認為在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計上，需要首先對市電源電壓進行安全隔離變換后再給電熱管供電，這時需要設(shè)計一個有安全隔離結(jié)構(gòu)的大功率開關(guān)電源，而不僅僅使用半導(dǎo)體整流電路。相較于雙電熱管結(jié)構(gòu)，盡管熱斷路器結(jié)構(gòu)簡單一些（僅使用單路熱斷路器），但單電熱管結(jié)構(gòu)需要增加大功率變換電路，這會增大電路損耗；大功率隔離變換電路安裝在熱水器殼體內(nèi)時，還需要重點考慮元件的散熱問題。

對于單電熱管熱水器的雙電源供電電路結(jié)構(gòu)，在本文中不再進一步分析。

6 小結(jié)

同時使用光伏電源和市電源供電的熱水器，在安全結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)把光伏電源作為安全特低電壓對待，光伏電源與市電源之間應(yīng)達到雙重絕緣或加強絕緣的要求，從電路變換，內(nèi)部線連接、固定，元件的結(jié)構(gòu)、布置等方面充分考慮；雙電源熱水器發(fā)生非正常工作時，其雙路熱斷路器應(yīng)聯(lián)動斷開；雙電源熱水器使用雙電熱管結(jié)構(gòu)時較易實現(xiàn)；雙電源熱水器控制電路的設(shè)計應(yīng)考慮多種工作模式，并考慮自動適應(yīng)和匹配光伏電源的負載能力。