储水式电热水器防漏电新方案的应用研究

2014-02-07梁添杰姜颖波

机电工程技术 2014年6期

王莹，梁添杰，姜颖波

（中山华帝燃具股份有限公司，广东中山 528415）

0 前言

随着人们生活水平的不断提高，居民对生活热水的日常需求与日俱增，从而带动了热水器市场的快速发展。但是，在各种热水器中，燃气热水器存在安全隐患，据统计，因燃气泄漏导致的伤亡事故人数已上升至非正常伤亡人数排名的第3位[1]；压缩式热泵热水器系统复杂，技术上仍不成熟，初投资费用较高[2]；太阳能热水器受地域、气候、建筑层次等因素制约较大[3]，同时经常会造成水资源的极大浪费[4]。受电网供电能力的加强以及管道煤气、液化石油气涨价等诸多因素的影响，越来越多的家庭选用电热水器作为家庭卫浴器具[5]。而电热水器又分为储水式电热水器和即热式电热水器两大类。据北京中怡康时代市场研究有限公司（CMM）市场监测数据显示：截至2010年11月电热水器市场容量已达1 297万台。2010年1-11月累计，储水式电热水器占整体热水器市场的零售量比重为56.88%，仍处主导地位；即热式电热水器占整体热水器市场的零售量比重为5.28%，同前两年相差无几[6]。据专业的市场分析预计，今后几年内电热水器的市场需求将以每年近20%的速度增长。可见，电热水器的防电安全显得异常重要，特别是由于安全政策的调整和个人安全防护意识的日益提高，防漏电已经成为电热水器技术发展的永恒主题。而由于储水式电热水器的行业主导地位，因此，储水式电热水器防漏电技术方案的发展尤为重要。

1 行业内防漏电技术方案的发展现状

在我国，随着电热水器的日益普及，与电有关的大小事故也日益增多，甚至出现不少触电伤亡事故。究其原因，这些事故均为电热水器带电造成的。而导致电热水器带电的原因主要有以下两种：

（1）电热水器自身漏电。由于电热水器的发热部件电热管安装在内胆里面，直接与水接触，当电热管的焊接部位或者管壁被腐蚀穿孔时，将导致电热管发生漏电，从而使内胆中的水带电。如果出现接地不良或者假地线的情况，洗浴时便会引起触电事故。

（2）环境漏电，即由地线或水管产生的从外向内的逆向漏电。由于历史原因，我国很多建筑物接地系统是不良的，甚至是缺乏的，如出现装修接错线、线路老化、私拉电线、使用劣质的开关插座、用水管当接地线等，都有可能出现地线带电、水管带电。而电热水器属于I类电器，人体易接触的金属导电部件必须与接地线相连构成接地保护[7]，但如果接地线不能可靠接地时，地线带电、水管带电便会使电热水器带电，从而直接引起人体触电事故的发生，因此电热水器的防环境漏电引起了行业内的极大关注。为此，2007年7月开始实施的电热水器安全标准中增加了防环境漏电的安全要求，提出了“在正常使用中，一旦发生器具以外的接地系统的异常情况，应提供应急防护措施[8]”等相关要求。

针对电热水器自身漏电和环境漏电的情况，目前行业内主要采用以下两种防漏电技术方案。

第一种方案是采用“防电墙”技术并配置地线带电警示灯。“防电墙”技术就是水电阻法，即在进出水管处形成较长的水道，以得到较大的水流电阻，当发生漏电时，经过“防电墙”组件后的出水电压将降至人体安全电压范围以内，避免发生人体触电事故。而地线带电警示灯主要起警示作用，当出现地线带电的情况时，警示灯将亮起，此时用户应停止使用电热水器，并通知相关技术人员上门维修。

第二种方案是采用三极断漏电保护插头。当发生漏电时，漏电保护插头将于0.1 s内把零线、火线、地线三极同时断开，从而切断各种原因导致的漏电。

目前，上述两种防漏电技术方案均在行业内大量使用，但从设计原理及实际使用环境出发，两种防漏电技术方案均存在一定的安全隐患。第一种方案采用水电阻将泄漏电压降到安全范围，从设计原理上属于被动防电，并不能主动切断电源，对于一些直接使用地下水的地区，如果水质较差，即水中含有较多的离子，此时水电阻将明显降低，漏电时通过“防电墙”后的出水电压也会引起人体触电事故的发生。另外，电热水器带电时，机身金属外壳也将同时带电，如果用户没有留意到亮起的警示灯，触碰到金属外壳也将引发人体触电事故。而第二种方案从设计原理上属于主动防电，发生漏电时能够主动切断电源，但三极断漏电保护插头毕竟属于电子器件，存在因元器件损坏造成的功能失效可能，如果出现功能失效，发生漏电时将引发人体触电事故。另外，大多数家庭浴室的插座均带有开关功能，如果把插座开关关闭，此时三极断漏电保护插头将失效，但关闭开关后的插座地线依然连通，当发生地线带电时同样会引发人体触电事故。其次，在插座无地线的情况下，发生漏电时三极断漏电保护插头可能会在人体受到电击后0.1 s内才动作切断电源。

2 储水式电热水器防漏电新技术方案

2.1 新方案的设计原理

由于目前电热水器行业内被广泛使用的两种防漏电技术方案均存在一定的安全隐患，为了提高储水式电热水器防漏电的安全性能，可以采用一种新的防漏电技术方案。该方案的设计原理是采用一种全新的“防电闸”技术，并与三极断漏电保护插头共同搭配使用，从而形成对储水式电热水器防漏电的双重安全保护。此方案的使用将可以杜绝人体触电事故的发生。

“防电闸”技术的原理是在储水式电热水器的进出水管上外接一个结构组件，其与电热水器产品形成绝缘连接，通过水电阻将泄漏电流衰减到安全范围，以确保使用者在三极断漏电保护插头失效且漏电情况下的用水安全。本技术涉及管路中水电阻的研究、试验和水路优化选择，以及进出水管外接组件的结构等，其重点在于对国内同行业采用水电阻法防漏电保护结构的同类组件进行创新和改进，能保证在三极断漏电保护插头失效时泄漏电流远低于标准要求，与国内同类组件相比结构上更加紧凑，制造成本更低并且安装更加方便。正是由于“防电闸”技术组件安装的简易性，因此可以轻易地对用户家里已安装使用的非防电墙储水式电热水器进行防漏电安全性能升级，以确保洗浴用水安全。

2.2 “防电闸”技术设计参数的确定

本技术与海尔“防电墙”技术相比较大的差异在于海尔“防电墙”采用塑料管弯曲成多种形状以增加水路电阻，而本技术巧妙地通过多个部件的装配，以较短的外形尺寸实现较大的水路电阻，因此成本更低。

2.2.1 性能指标的选定

根据参考文献[8]，电热水器需要达到的技术性能指标与采用“防电闸”技术的产品性能指标对比见表1所示。

表1 “防电闸”技术与国标要求的性能指标对比

为满足表1中额定电压下泄漏电流不超过2.5 mA的要求，当储水式电热水器漏电电压为220 V时，通过“防电闸”组件的进出水管路泄漏的电流必须有足够大的水电阻将其衰减至人体安全电流以下，此时的水电阻必须大于或等于88 kΩ。

2.2.2 设计计算参数的选取

根据国家标准的要求以及实际使用环境的影响，现对设计计算参数选取如下：

（1）取水的电阻率ρ=1 250 Ω·cm （为了保证水质差地域的水电阻也能足够大，国家标准要求使用向自来水中加入磷酸铵配置而成的电阻率为1 250±50 Ω·cm的试验用水[8]）；

（2）取电压U=250 V（国内储水式电热水器的额定电压为220 V，但考虑到实际用电环境中电压值会在一定范围内波动，可能出现短暂较高电压的现象）；

（3）取电流I=2.5 mA（根据表1中的“防电闸”技术指标）。

2.2.3 流道截面积的选择

为了满足洗浴舒适性的要求，经“防电闸”组件后的出水流量需满足在0.2 MPa动态水压条件下不小于5 L/min的流量要求。由于“防电闸”组件内部的水流通道多为非规则截面，且弯道较多，流道内水流在弯道的阻力损失和紊流产生的阻力损失利用理论公式难以计算，因此只能采用理论推算然后试验验证的方法确认。

假设流道内阻力损失为50%，则可按直径d=6 mm来选择流道截面积（该通径流道在0.2 MPa动态水压条件下水流量不小于10 L/min），具体截面积S计算如下：

2.2.4 流道总长度的计算

通过电压、电流计算水电阻R的公式为：通过电阻率计算水电阻R的公式为：

公式（1）、（2）中，水电阻R的单位为Ω；电压U的单位为V；电流I的单位为A；流道长度L的单位为cm；电阻率ρ的单位为Ω·cm；截面积S的单位为cm2。

通过公式（1）和（2），流道长度L计算如下：

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

由上面的计算可知，当流道长度L大于22.6 cm时能够满足泄漏电流不大于2.5 mA的要求。为了达到更好的防电效果，特意把流道长度提高为25 cm，此时储水式电热水器便能满足水质更差条件下的用水安全。

2.3 结构设计方案

采用防漏电新技术方案的储水式电热水器产品总体结构方案如图1所示，把一对“防电闸”组件分别安装在储水式电热水器的外露进出水管上，便与三极断漏电保护插头共同形成对电热水器防漏电的双重安全保护。三极断漏电保护插头为第一重保护，而“防电闸”组件为第二重保护。

图1 防漏电新方案产品总体结构图

图2 “防电闸”组件结构方案图

“防电闸”组件结构方案如图2所示，该结构由7个部件组装而成。绝缘上盖、下盖和中间绝缘体通过螺栓固定在一起，三者之间采用硅胶垫进行密封，而垫片上设有流道过孔。为了提高螺纹连接强度，绝缘上盖和下盖的螺纹部分均为黄铜电镀件，并采用整体注塑的成形方法。另外为方便使用扳手进行“防电闸”组件的安装和拆卸，特意把绝缘上盖外表面设计成六方体结构。而中间绝缘体上设计有7条流道，并通过将7条流道设计成首尾相通串联从而形成一条250 mm长度的折叠往返式水路，从而保证水电阻足够大。由于“防电闸”各部件均可直接注塑成形，然后通过螺栓紧固连接，装配简单，生产加工容易，因此制造成本较低。

2.4 新方案与现有技术方案的比较

为验证“防电闸”组件的各项性能，特意按照图2的结构方案制作手板进行试验，试验结果见表2所示。从试验结果可以看出，“防电闸”组件的性能指标远低于国家标准的要求，防漏电保护效果与目前市场上使用的“防电墙”技术基本相同。因此由“防电闸”组件和三极断漏电保护插头组成的防漏电新技术方案在安全性能方面将明显优于现有的两种技术方案，三者之间的比较见表3所示。