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，燃氣熱水器存在安全隱患，據(jù)統(tǒng)計，因燃氣泄漏導致的傷亡事故人數(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)復雜，技術上仍不成熟，初投資費用較高[2]；太陽能熱水器受地域、氣候、建筑層次等因素制約較大[3]，同時經(jīng)常會造成水資源的極大浪費[4]。受電網(wǎng)供電能力的加強以及管道煤氣、液化石油氣漲價等諸多因素的影響，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1 297萬臺。2010年1-11月累計，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)的市場分析預計，今后幾年內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整和個人安全防護意識的日益提高，防漏電已經(jīng)成為電熱水器技術發(fā)展的永恒主題。而由于儲水式電熱水器的行業(yè)主導地位，因此，儲水式電熱水器防漏電技術方案的發(fā)展尤為重要。

1 行業(yè)內防漏電技術方案的發(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膽里面，直接與水接觸，當電熱管的焊接部位或者管壁被腐蝕穿孔時，將導致電熱管發(fā)生漏電，從而使內膽中的水帶電。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)裝修接錯線、線路老化、私拉電線、使用劣質的開關插座、用水管當接地線等，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電部件必須與接地線相連構成接地保護[7]，但如果接地線不能可靠接地時，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)內的極大關注。為此，2007年7月開始實施的電熱水器安全標準中增加了防環(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，應提供應急防護措施[8]”等相關要求。

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

第一種方案是采用“防電墻”技術并配置地線帶電警示燈?！胺离妷Α奔夹g就是水電阻法，即在進出水管處形成較長的水道，以得到較大的水流電阻，當發(fā)生漏電時，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，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，當出現(xiàn)地線帶電的情況時，警示燈將亮起，此時用戶應停止使用電熱水器，并通知相關技術人員上門維修。

第二種方案是采用三極斷漏電保護插頭。當發(fā)生漏電時，漏電保護插頭將于0.1 s內把零線、火線、地線三極同時斷開，從而切斷各種原因導致的漏電。

目前，上述兩種防漏電技術方案均在行業(yè)內大量使用，但從設計原理及實際使用環(huán)境出發(fā)，兩種防漏電技術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，從設計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)，如果水質較差，即水中含有較多的離子，此時水電阻將明顯降低，漏電時通過“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，機身金屬外殼也將同時帶電，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。而第二種方案從設計原理上屬于主動防電，發(fā)生漏電時能夠主動切斷電源，但三極斷漏電保護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功能，如果把插座開關關閉，此時三極斷漏電保護插頭將失效，但關閉開關后的插座地線依然連通，當發(fā)生地線帶電時同樣會引發(fā)人體觸電事故。其次，在插座無地線的情況下，發(fā)生漏電時三極斷漏電保護插頭可能會在人體受到電擊后0.1 s內才動作切斷電源。

2 儲水式電熱水器防漏電新技術方案

2.1 新方案的設計原理

由于目前電熱水器行業(yè)內被廣泛使用的兩種防漏電技術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方案。該方案的設計原理是采用一種全新的“防電閘”技術，并與三極斷漏電保護插頭共同搭配使用，從而形成對儲水式電熱水器防漏電的雙重安全保護。此方案的使用將可以杜絕人體觸電事故的發(fā)生。

“防電閘”技術的原理是在儲水式電熱水器的進出水管上外接一個結構組件，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插頭失效且漏電情況下的用水安全。本技術涉及管路中水電阻的研究、試驗和水路優(yōu)化選擇，以及進出水管外接組件的結構等，其重點在于對國內同行業(yè)采用水電阻法防漏電保護結構的同類組件進行創(chuàng)新和改進，能保證在三極斷漏電保護插頭失效時泄漏電流遠低于標準要求，與國內同類組件相比結構上更加緊湊，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”技術設計參數(shù)的確定

本技術與海爾“防電墻”技術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，而本技術巧妙地通過多個部件的裝配，以較短的外形尺寸實現(xiàn)較大的水路電阻，因此成本更低。

2.2.1 性能指標的選定

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

表1 “防電閘”技術與國標要求的性能指標對比

為滿足表1中額定電壓下泄漏電流不超過2.5 mA的要求，當儲水式電熱水器漏電電壓為220 V時，通過“防電閘”組件的進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，此時的水電阻必須大于或等于88 kΩ。

2.2.2 設計計算參數(shù)的選取

根據(jù)國家標準的要求以及實際使用環(huán)境的影響，現(xiàn)對設計計算參數(shù)選取如下：

（1）取水的電阻率ρ=1 250 Ω·cm （為了保證水質差地域的水電阻也能足夠大，國家標準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的試驗用水[8]）；

（2）取電壓U=250 V（國內儲水式電熱水器的額定電壓為220 V，但考慮到實際用電環(huán)境中電壓值會在一定范圍內波動，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”技術指標）。

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”組件內部的水流通道多為非規(guī)則截面，且彎道較多，流道內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算，因此只能采用理論推算然后試驗驗證的方法確認。

假設流道內阻力損失為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計算如下：

2.2.4 流道總長度的計算

通過電壓、電流計算水電阻R的公式為：通過電阻率計算水電阻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

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

2.3 結構設計方案

采用防漏電新技術方案的儲水式電熱水器產(chǎn)品總體結構方案如圖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出水管上，便與三極斷漏電保護插頭共同形成對電熱水器防漏電的雙重安全保護。三極斷漏電保護插頭為第一重保護，而“防電閘”組件為第二重保護。

圖1 防漏電新方案產(chǎn)品總體結構圖

圖2 “防電閘”組件結構方案圖

“防電閘”組件結構方案如圖2所示，該結構由7個部件組裝而成。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行密封，而墊片上設有流道過孔。為了提高螺紋連接強度，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行“防電閘”組件的安裝和拆卸，特意把絕緣上蓋外表面設計成六方體結構。而中間絕緣體上設計有7條流道，并通過將7條流道設計成首尾相通串聯(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)有技術方案的比較

為驗證“防電閘”組件的各項性能，特意按照圖2的結構方案制作手板進行試驗，試驗結果見表2所示。從試驗結果可以看出，“防電閘”組件的性能指標遠低于國家標準的要求，防漏電保護效果與目前市場上使用的“防電墻”技術基本相同。因此由“防電閘”組件和三極斷漏電保護插頭組成的防漏電新技術方案在安全性能方面將明顯優(yōu)于現(xiàn)有的兩種技術方案，三者之間的比較見表3所示。

表2 “防電閘”組件性能的試驗結果

表3 防漏電新方案與現(xiàn)有技術方案的對比

3 結語

（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插頭組成的防漏電新方案跟現(xiàn)有技術方案相比成本相當，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值。

（2）由于“防電閘”組件具有結構緊湊、安裝簡單和成本低廉的特點，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行防漏電安全性能升級，因此具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

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［7］GB 4706.1-2005.家用和類似用途電器的安全：第1部分：通用要求［S］.

［8］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［S］.