饒志 陳非 艾欣 齊鄭

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京市 102206；2.寧波索頓飛羽電器有限公司 寧波市 315040）

1 引言

裸絲加熱熱水器相較于傳統(tǒng)的加熱管加熱在加熱效率上的優(yōu)勢非常突出，是熱水器的發(fā)展方向。由于裸絲加熱熱水器的帶電體直接與水接觸，因此在使用熱水器時必須做好安全保障。

本文提出了提高裸絲加熱熱水器安全性的設(shè)計(jì)方法，并提出了利用低壓配電網(wǎng)中的零線，實(shí)現(xiàn)裸絲加熱熱水器的“接零保護(hù)”新方法?！敖恿惚Ｗo(hù)”的基本原理是將裸絲加熱熱水器的零線、零線柱和接零柱做可靠的電氣聯(lián)接，使零線成為地線的備用，防止出現(xiàn)因泄露電流對人體造成的傷害。在低壓配電網(wǎng)中，零線不斷線

的前提下，零線上電壓偏移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人體臨界安全電壓。“接零保護(hù)”通過裸絲加熱熱水器的零線、零線柱和接零柱的可靠連接，在漏電的情況下，電流會直接通過零線流入大地而不通過身體，從而避免發(fā)生觸電事故。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行，充分驗(yàn)證了本文方法的正確性。

2 裸絲加熱熱水器原理

裸絲加熱熱水器采用電阻絲作為加熱體，電阻絲封裝于內(nèi)膽中，熱水器工作時，水流從進(jìn)水口進(jìn)入內(nèi)膽，流經(jīng)封裝于內(nèi)膽中的電阻絲而被加熱。熱水器內(nèi)部的水路設(shè)計(jì)有很多的彎折，由于水本身是不良導(dǎo)體，采用合理的水路設(shè)計(jì)可以增加水管內(nèi)水的電阻值，減小泄漏電流，從而實(shí)現(xiàn)出水電壓達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，保證使用的安全性。

采用裸絲加熱技術(shù)的熱水器與比其他加熱技術(shù)相比能夠?qū)崿F(xiàn)更精確溫度控制，水溫控制可以精到0.5℃。因電阻絲非常細(xì)，與水的接觸面積小，表面工作溫度低，水垢附著在電阻絲上的機(jī)率非常低，因此水質(zhì)硬的地區(qū)也可以使用。此種技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，熱交換效果好，加熱速度快，熱效率高，幾乎不會出現(xiàn)任何問題。和傳統(tǒng)的加熱管加熱相較而言，裸絲加熱的加熱速度大大提升：裸絲加熱速度提升時間是（按62%計(jì)算）是1.4秒，而加熱管則是13.8秒；杜絕了加熱管有水干燒和無水干燒時帶來的潛在火災(zāi)隱患；還能避免了由于加熱元件的損壞（老化、到壽）而帶來的漏電隱患?？傮w來說，裸絲加熱技術(shù)帶來的是更優(yōu)秀的加熱效果、更安全的加熱性能和更良好加熱體驗(yàn)。

圖1 裸絲加熱熱水器“接零保護(hù)”的技術(shù)原理圖

圖2 單相裸露元件式熱水器泄漏電流測量線路圖

圖3 單相連接的非Ⅱ類器具在工作穩(wěn)定下泄漏電流的測量電路圖

3 裸絲加熱熱水器的安全性分析

與傳統(tǒng)的加熱管絕緣方式不同，裸絲加熱熱水器的絕緣物質(zhì)為熱水器入口到出口之間的水。延長的水路起到防電墻的作用，相當(dāng)于是一個基本的絕緣。根據(jù)歐姆定律，水電阻越大則泄漏電流越小，即泄漏電流與水電阻的值成反比關(guān)系，只要電阻達(dá)到一定程度的話，電流就很小。將熱水器內(nèi)的水路延長就可以到一個數(shù)值很大的電阻，合理設(shè)計(jì)水路通徑和水路長度，可以保證出水口的泄漏電流遠(yuǎn)低于人體承受的程度。

另外，供水的電阻率對裸絲加熱熱水器的電氣安全起到關(guān)鍵作用。但在實(shí)際使用中，使用者無法判斷供水的電阻率是否符合熱水器的要求。當(dāng)發(fā)生咸潮、停水再來水或其他原因?qū)е滤|(zhì)發(fā)生變化時，供水電阻率可能會低于熱水器的要求，可能導(dǎo)致電氣安全危險。因此當(dāng)供水電阻率降低時，熱水器必須能夠提供相應(yīng)的措施防止可能由此導(dǎo)致的危險發(fā)生。

圖4 單相熱水器非正常情況時的泄漏電流測量線路圖

4 接零線保護(hù)的原理

4.1 接零線保護(hù)的技術(shù)原理

裸絲加熱熱水器“接零保護(hù)”的技術(shù)原理如圖1所示，在圖1中清晰地說明了防漏電的三重保護(hù)的指示說明。

裸絲加熱熱水器，有防漏電三重保護(hù)和一個保證：進(jìn)出水接地保護(hù)、進(jìn)出水防電墻保護(hù)、接零罩保護(hù)和不易接錯的電源線連接方法保證。

在圖1中：

第一重保護(hù)（進(jìn)出水接地保護(hù)）：自來水進(jìn)入機(jī)體的入水口有入水接地柱（6），出水口（10）有出水接地柱（9）。

第二重保護(hù)（進(jìn)出水防電保護(hù)墻）：根據(jù)歐姆定律，水電阻越大則泄漏電流越小，即泄漏電流與水電阻的值成反比關(guān)系，所以只要電阻達(dá)到一定程度的話，電流就很小，延長的水路到一個比較大的電阻，合理設(shè)計(jì)水路通徑和水路長度，保證出水口的泄漏電流應(yīng)遠(yuǎn)低于人體承受的程度。

第三重保護(hù)（接零罩保護(hù)）：在零火線正確連接保證的前提下，確保機(jī)器的電源線和用戶電源線的正確連接時，接零柱（11）到接零柱（13）形成一個保護(hù)罩，即進(jìn)、出接零罩（1）的水都接在零線上，將火線柱（12）罩在這個零線罩之中。在我國的低壓配電網(wǎng)中，零線上的電壓分布有如下的特點(diǎn)：如果負(fù)荷對稱，則零線上的電壓為零；如果負(fù)荷不對稱，在零線不斷線的前提下，在零線上的電壓分布也不會超過人體的安全電壓。在這個條件下，不難得到裸絲加熱熱水器中出水口出來的水泄漏電流是一個較小的值，不會危及使用者的人身安全。

在“接零保護(hù)”中，我們提到了零火線正確連接的保證，這是“接零保護(hù)”正常工作的前提條件。實(shí)際上，通過圖1，我們也能夠很容易地辨別我們的零火線是否正確地連接。下面我們將通過機(jī)器的指示燈來準(zhǔn)確地判斷出用戶電源線的極性。

4.2 不易接錯的電源線連接方法

下面我們用不易接錯的電源線連接方法和措施來準(zhǔn)確判斷電源線的極性（仍見圖1）：

(1)當(dāng)機(jī)器零火地線與電源零火地線相連接零火線正確連接，打開熱水閥，水壓開關(guān)閉合，電流沿火線（L）—水壓力開關(guān)（4）—電熱絲（7）—零線（N）形成回路，機(jī)器工作加熱，另一路電流沿火線（L）—水壓力開關(guān)（4）—指示燈（5）—接地線（E）形成回路，指示燈點(diǎn)亮；關(guān)閉熱水閥，水壓開關(guān)斷開，加熱絲無電壓，不加熱；指示燈無電壓，不點(diǎn)亮。

(2)當(dāng)機(jī)器零火地線與電源零火地線相連接零火線正確連接（無接地或接地不良），打開熱水閥，水壓開關(guān)閉合，電流沿火線（L）—水壓力開關(guān)（4）—電熱絲（7）—零線（N）形成回路，機(jī)器工作加熱，另一路電流沿火線（L）—水壓力開關(guān)（4）—指示燈（5）—接地線（E）形成回路，指示燈點(diǎn)亮；關(guān)閉熱水閥，水壓開關(guān)斷開，加熱絲無電壓，不加熱；指示燈無電壓，不點(diǎn)亮。

表1 數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)性能比較表

(3)當(dāng)機(jī)器零火地線與電源火零地線相連接零火線反相連接，打開熱水閥，水壓開關(guān)閉合，電流沿零線（N）—電熱絲（7）—水壓力開關(guān)（4）—火線（L）形成回路，機(jī)器工作加熱，指示燈兩端（地線與零線）電壓為零，指示燈不亮；關(guān)閉熱水閥，水壓開關(guān)斷開，電流沿零線（N）—電熱絲（7）—指示燈（5）—接地線（E）形成回路，指示燈點(diǎn)亮，指示燈非正常工作，此時可以正確判斷出電源線的極性（提示零火線接反），及時正確連接電源線。

（4）當(dāng)機(jī)器零火地線與電源火零地線相連接零火線反相連接（無接地或接地不良），打開熱水閥，水壓開關(guān)閉合時，電流沿零線（N）—電熱絲（7）—水壓力開關(guān)（4）—火線（L）形成回路，機(jī)器工作加熱，另一路電流沿零線（N）—出水防電墻（3）—指示燈（5）—水壓力開關(guān)（4）—火線（L）形成回路，指示燈點(diǎn)亮；關(guān)閉熱水閥，水壓開關(guān)斷開，電流沿零線（N）—電熱絲（7）—指示燈（5）—接地線（E）—入水接地柱（6）零電勢形成回路，指示燈點(diǎn)亮，指示燈非正常工作，此時可以正確判斷出電源線的極性（提示零火線接反及未安裝接地線），及時正確連接電源線。

總結(jié)上述各種情況如表1所示。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子元件故障率5年內(nèi)不小于10%；電網(wǎng)零線非零電位故障率5年內(nèi)萬分之一以內(nèi)；電氣（線）連接故障率5年內(nèi)1‰以內(nèi)；所以，5年內(nèi)上述 “接零罩”保護(hù)電路故障率比電子線路可靠性大于100倍以上。

表2 測試結(jié)果

表3 測試記錄（電網(wǎng)有接地情況）

表4 測試記錄（電網(wǎng)無接地情況）

可以認(rèn)為簡單的電氣連接保護(hù)方案比復(fù)雜的電子線路控制方案更可靠，電熱水龍頭如選用復(fù)雜的電子線路控制如繼電器、漏電保護(hù)器等控制器來控制線路，并不安全，這些復(fù)雜電子件可靠性并不高。日常生活中經(jīng)常會出現(xiàn)繼電器、漏電保護(hù)器失效，會讓電器出現(xiàn)安全隱患，甚至?xí)斐晌ｋU。所以簡單的幾根可靠的導(dǎo)線來連接的安全保護(hù)方案最可靠，不容易出現(xiàn)問題。

如上所述，“接零罩”使得加熱絲的零線柱和接零柱與零線相連形成保護(hù)罩。在理想情況下，由于零線電勢為零，接零罩將火線罩于其中形成了接零保護(hù)，是熱水器的裸絲加熱中的一種最為安全可靠的保護(hù)措施。

5 試驗(yàn)分析

本文以試驗(yàn)測試的方式來證明接零保護(hù)的正確性和可靠性，為了增加試驗(yàn)結(jié)果的可信性，本文將裸絲加熱熱水器與傳統(tǒng)熱水器進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

5.1 基本絕緣正常情況下測試

自來水水電阻≧1300Ω·cm，電網(wǎng)有接地線，加熱管有基本絕緣時：

測試依據(jù)：GB 4706.1-2005，GB 4706.11-2008

圖2為裸絲加熱熱水器的試驗(yàn)原理圖，圖3為傳統(tǒng)熱水器的試驗(yàn)原理圖。圖2中A表示進(jìn)水口，B表示出水口、C表示泄漏電流測量元件，D表示金屬篩網(wǎng)，E表示測試用接地端子，F(xiàn)表示熱水器主體，G表示選擇開關(guān)。

測試結(jié)果如表2所示，證明兩種熱水器性能都是合格的。

5.2 非正常（基本絕緣破壞時）測試

5.2.1 自來水的電阻率為50Ω·cm、電網(wǎng)有接地線的情況，加熱管基本絕緣破壞時

按圖4所示測試，圖中A表示進(jìn)水口，B表示出水口、C表示泄漏電流測量元件，D表示金屬篩網(wǎng)，E表示測試用接地端子，F(xiàn)表示熱水器主體。

圖4為單相熱水器非正常情況（基本絕緣破壞有接地）時的泄漏電流測量線路圖。

測試結(jié)果如表3所示，證明裸絲加熱熱水器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)加熱管熱水器。

5.2.2 有咸潮（自來水的電阻率為50Ω·cm）,電網(wǎng)無接地線，加熱管基本絕緣破壞時

按圖4所示測試，測試結(jié)果如表4所示，證明裸絲加熱熱水器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)加熱管熱水器。

通過以上的試驗(yàn)測試，我們可以得到如下的結(jié)論：

(1)裸絲加熱熱水器在采用延長水路（即基本絕緣防電墻）和接零保護(hù)方案后，在水電阻正常、偏?。ㄏ坛保┖蜔o接地線情況下都是安全的。

(2)裸絲加熱熱水器的安全性能優(yōu)于傳統(tǒng)加熱管熱水器。

6 結(jié)論

本文提出了提高裸絲加熱熱水器安全性的設(shè)計(jì)方法，并提出了利用低壓配電網(wǎng)中的零線，實(shí)現(xiàn)裸絲加熱熱水器的“接零保護(hù)”新方法。通過實(shí)際試驗(yàn)得出結(jié)論如下：(1)通過延長水路（即基本絕緣防電墻）的設(shè)計(jì)可以提高水電阻數(shù)值，有效減小泄漏電流；(2)采用“接零保護(hù)”能夠有效提高熱水器的安全性；(3)經(jīng)過安全性設(shè)計(jì)的裸絲加熱熱水器性能優(yōu)于傳統(tǒng)加熱管熱水器。

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