電熱水器整機(jī)防火性能試驗(yàn)研究

師寧寧 隋超＊ 蔡想周 劉洋 張麗華 陳中祥

（1.青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司，山東青島 266101；2.青島市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，山東青島 266101）

隨著人民消費(fèi)水平的提高，家用電器也越來(lái)越普及，據(jù)2013—2016 年《中國(guó)消防年鑒》[1-4]統(tǒng)計(jì)，我國(guó)年均發(fā)生火災(zāi)事故36 萬(wàn)起，其中由電器引發(fā)的火災(zāi)平均占比為29.4%，已經(jīng)是第一制火原因。因此家電制造商在電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到如何防止產(chǎn)品內(nèi)部起火蔓延到外部，減小電器自身起火的比重。電熱水器的工作電流一般不小于10 A，屬于大功率電器，內(nèi)部線束多為快接端子連接，快接端子可能因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷或者安裝人員不規(guī)范操作導(dǎo)致產(chǎn)生局部高溫引發(fā)起火。電熱水器的電氣室一般與機(jī)身右側(cè)的端蓋一體設(shè)計(jì)，其中比較理想的一種設(shè)計(jì)方式是采用外收口設(shè)計(jì)，即金屬端蓋采用多齒扣咬在金屬外殼上，這種金屬殼體既能有效隔絕氧氣進(jìn)入電氣室燃燒又能防止火勢(shì)外延[5]，然而由于材料成本限制導(dǎo)致這類電熱水器市場(chǎng)占比較小。目前市面上電熱水器端蓋大多采用塑料材質(zhì)，電氣室也大多采用具有一定阻燃性能的EPS、PS、ABS、聚氨酯等材質(zhì)，這些種類的電熱水器的整機(jī)防火性能就值得商榷。目前IEC 正在制定關(guān)于整機(jī)燃燒試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)以判定設(shè)備內(nèi)部起火或過(guò)熱是否會(huì)導(dǎo)致設(shè)備外部的附著物著火，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后將會(huì)被IEC TC61 系列標(biāo)準(zhǔn)引用到安全標(biāo)準(zhǔn)中，成為產(chǎn)品在相關(guān)地區(qū)上市的強(qiáng)制性要求。具體做法是在整機(jī)內(nèi)部潛在燃燒源上實(shí)施鎳鉻絲試驗(yàn)，整機(jī)外包裹包裝絹紙，看絹紙是否被引燃或烤焦。本文采用我司產(chǎn)品出口某海外地區(qū)當(dāng)?shù)鼗踩珯z驗(yàn)規(guī)范中的測(cè)試方法，對(duì)采用EPS、PS 和ABS 材質(zhì)用做電氣室的三類電熱水器進(jìn)行測(cè)試，為電熱水器生產(chǎn)廠家提供部分測(cè)試參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器和設(shè)備

試驗(yàn)所需相關(guān)的儀器和設(shè)備：直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、功率表、數(shù)據(jù)記錄器、萬(wàn)用表、秒表、尺子、顯示器、熱絲、絹布、熱電偶、錄像機(jī)、手電筒等。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

首先用尺子測(cè)量出要與端子接觸的熱絲長(zhǎng)度，根據(jù)熱絲的電阻性質(zhì)，計(jì)算與端子接觸的熱絲的電阻值，并計(jì)算出功率達(dá)到210 W 時(shí)的電流，將熱絲按照?qǐng)D1 所示的方式插接到端子最不利的位置。

圖1 熱絲布線的參考方式

將整理好的端子如圖2 所示插接回PCB 板，并將熱電偶固定在距離端子起火點(diǎn)附近位置上。注意熱絲不得與整機(jī)內(nèi)部其他帶電部件接觸，以防止形成另外的電流回路，影響測(cè)試。

圖2 熱電偶的固定方式

為方便觀察產(chǎn)品內(nèi)部的燃燒情況，需要準(zhǔn)備攝像機(jī)將其固定在容易觀測(cè)的位置記錄整個(gè)測(cè)試過(guò)程。在安裝過(guò)程中為避讓走線而破損維修蓋的部位應(yīng)該用鋁箔膠帶密封，防止因?yàn)槊荛]性不一致而影響測(cè)試結(jié)果。最后將電熱水器復(fù)原歸位，在可能蔓延出火焰的地方或溫度較高的位置表面鋪放絹布，如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品表面鋪放絹布

1.3 測(cè)試方法

為確保安全，整個(gè)試驗(yàn)必須在特殊燃燒實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。給熱絲施加2 A 電流持續(xù)2 min，然后以每2 min 電流增加1 A的速度增加電流，直到火焰產(chǎn)生或達(dá)到210 W 功率時(shí)的最大電流。如果樣件沒(méi)有起燃，則持續(xù)施加最大電流30 min 或到熱絲燒斷。如果在樣件起燃前熱絲電阻下降較大，說(shuō)明有短路產(chǎn)生，需停止測(cè)試，待整理好后重新測(cè)試。如果樣件起燃，持續(xù)施加該電流30 min，除非熱絲燒斷或火焰蔓延出產(chǎn)品。如果火焰蔓延出產(chǎn)品則立即停止測(cè)試，測(cè)試不合格，燃燒曲線參考圖4，測(cè)試過(guò)程應(yīng)記錄下煙霧和火焰產(chǎn)生時(shí)對(duì)應(yīng)的電流和時(shí)間。

圖4 強(qiáng)制燃燒測(cè)試曲線圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同連接元件端子的燃燒現(xiàn)象分析

分別對(duì)電源線端子、熱斷路器端子、繼電器端子和加熱管導(dǎo)線端子實(shí)施鎳鉻絲試驗(yàn)，并記錄下對(duì)應(yīng)的燃燒現(xiàn)象以及電流、電壓和時(shí)間等參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)表1 可以將端子的燃燒情況歸納為兩類，一類是端子在熱絲加熱過(guò)程中始終沒(méi)有被引燃，如熱斷路器端子和電源線端子，通過(guò)圖5 可以看出熱電偶感測(cè)的溫度曲線上升較為平緩,在持續(xù)施加最大電流后最高溫度為122℃。試驗(yàn)后打開(kāi)電氣室發(fā)現(xiàn)僅端子護(hù)套被熱絲烤化，其他部件未受影響。

表1 不同連接元件端子的燃燒現(xiàn)象

表1 不同連接元件端子的燃燒現(xiàn)象

圖5 熱斷路器端子燃燒曲線

通過(guò)圖6 得出在給電源線端子加熱過(guò)程中，熱電偶的感測(cè)溫度曲線上升也較為平緩，但在加熱前后出現(xiàn)大幅升溫現(xiàn)象，施加最大電流后溫度最高為495℃。結(jié)合攝像頭觀測(cè)在加熱10 min42 s 時(shí)出現(xiàn)的煙霧現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)此時(shí)對(duì)應(yīng)曲線的上升速率也最為明顯。試驗(yàn)后打開(kāi)電氣室觀測(cè)到端子護(hù)套被熱絲烤化，也將旁邊的熱斷路器殼體烤的明顯變形。

圖6 電源線端子燃燒曲線

另一類是端子在加熱過(guò)程中被引燃，如繼電器端子和加熱管導(dǎo)線端子，通過(guò)攝像頭觀測(cè)到在加熱過(guò)程中有明顯的煙霧和火焰產(chǎn)生，通過(guò)圖7 和圖8 可以看出熱電偶感測(cè)的溫度曲線在起燃的瞬間陡然上升，而后隨著火焰的熄滅而瞬間下降。試驗(yàn)后打開(kāi)電氣室發(fā)現(xiàn)雖然端子護(hù)套被引燃，但在護(hù)套燒完后殘留物緊密的裹附在端子上，沒(méi)有繼續(xù)引燃其他部件。

圖7 繼電器端子燃燒曲線

圖8 加熱管導(dǎo)線端子燃燒曲線

2.2 不同材質(zhì)電氣室的燃燒分析

從市場(chǎng)上選取各采用EPS、PS 和ABS 三種材質(zhì)用做電氣室的電熱水器，對(duì)同樣部位的端子進(jìn)行熱絲試驗(yàn)，觀測(cè)端子起火后對(duì)不同材質(zhì)電氣室周圍的燃燒情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖9 四類端子的燒損狀況

EPS 泡沫電氣室在通電加熱8 min47 s 時(shí)便有白色煙霧產(chǎn)生，隨后煙霧變渾濁并大量釋放。攝像頭觀測(cè)到此時(shí)并沒(méi)有火焰產(chǎn)生，但熱絲周圍呈現(xiàn)紅色光暈如圖10 所示。在加熱24 min12 s 時(shí)，有火焰產(chǎn)生，如圖11 所示，火焰持續(xù)40 s后熄滅，鋪放在電熱水器表面的棉紗未被引燃。試驗(yàn)后打開(kāi)電氣室發(fā)現(xiàn)EPS 泡沫已被嚴(yán)重?zé)龘p，連同PS 端蓋也被燒損，由此可見(jiàn)產(chǎn)生大量煙霧的原因是EPS 泡沫電氣室被燒灼，但沒(méi)有產(chǎn)生火焰。

圖10 EPS 電氣室產(chǎn)生煙霧攝像頭拍攝圖

圖11 EPS 電氣室產(chǎn)生火焰攝像頭拍攝圖

PS 和ABS 兩種材質(zhì)的電氣室在燃燒試驗(yàn)中表現(xiàn)相似，前期有灰白色煙霧產(chǎn)生，在增大電流到一定程度后端子產(chǎn)生火焰，火焰持續(xù)時(shí)間一般不超過(guò)1 min，試驗(yàn)后打開(kāi)電氣室觀測(cè)，繼電器端子的護(hù)套都已燒盡，PS 電氣室僅最靠近熱絲的部位有輕微燒損，ABS 電氣室則無(wú)燒損現(xiàn)象，鋪放在電熱水器表面的棉紗未被引燃。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明采用硬塑殼護(hù)套的繼電器端子和采用硅膠殼護(hù)套的加熱管導(dǎo)線端子比采用熱縮管護(hù)套的電源線端子和熱斷路器端子更容易被引燃，阻燃性好的護(hù)套可以在起燃后短時(shí)間內(nèi)自熄并且燃燒殘留裹附在金屬插片端子上不會(huì)有滴落引燃其他部件。采用EPS 材質(zhì)的電氣室相比于采用ABS 和PS 材質(zhì)的電氣室在端子起火時(shí)更容易被燒灼，煙霧的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，釋放量也更大。另外試驗(yàn)中距離起燃端子越近部件被燒灼的程度也越嚴(yán)重，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該避免端子離可燃部件距離過(guò)近。本文采用EPS、PS 和ABS 三類材質(zhì)用做電氣室的電熱水器，在上述的強(qiáng)制燃燒測(cè)試中火焰都在短時(shí)間內(nèi)自熄，產(chǎn)品表面鋪放的絹布沒(méi)有被引燃，有效阻止了火焰蔓延到機(jī)器外部，可見(jiàn)設(shè)計(jì)合理的電熱水器應(yīng)具有一定的整機(jī)防火性能。目前電熱水器行業(yè)還沒(méi)有統(tǒng)一的整機(jī)強(qiáng)制燃燒測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，廠家可采用類似本文的強(qiáng)制燃燒測(cè)試方法進(jìn)行檢驗(yàn)。如果火焰蔓延出機(jī)器外部應(yīng)考慮換用更高阻燃等級(jí)的材料，甚至是采用金屬包裹的方式，以有效減少火災(zāi)發(fā)生的幾率，提升消費(fèi)者對(duì)電熱水器產(chǎn)品的信心。