陳常山 呂惠政 段華
(山東省計(jì)量科學(xué)研究院電器安全檢測(cè)部 山東濟(jì)南 250014)
大功率電熱水器在家用和商用中占有一定的份額,常見(jiàn)此類電熱水器的功率小則5000W,大則在15kW至30kW以上。普通電加熱元件以管狀加熱元件為例,受元件的尺寸和表面負(fù)荷的限制,單只電加熱元件的認(rèn)證功率常在4000W至6000W之間。因此,目前大功率電熱水器的電加熱部分一般由多只電加熱元件構(gòu)成,如果電熱水器的整機(jī)功率是30kW,需要使用6只功率為5kW的電加熱元件,并以一定的間距分布安裝在水箱上。在這種情況下,作為非正常工作的重要保護(hù)元件——熱斷路器的安裝位置、數(shù)量以及對(duì)電熱元件的控制方式都會(huì)影響電熱水器的安全性能,不合理的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生安全隱患且無(wú)法通過(guò)安全測(cè)試。
一多電加熱元件的儲(chǔ)水式熱水器及電氣控制原理圖簡(jiǎn)化如圖1所示,6個(gè)電加熱元件R1~R6分別安裝在圖1中所示位置上,圖1所示的電氣控制原理圖可實(shí)現(xiàn)三種電加熱工作方式:僅R1、R2、R3工作;僅R4、R5、R6工作;以及R1~R6同時(shí)工作。
熱斷路器的設(shè)置有以下幾種方案:
(1)僅選擇一個(gè)電加熱元件(例如R1)在其上設(shè)置一個(gè)熱斷路器。在非正常工作狀態(tài)熱斷路器動(dòng)作時(shí),切斷所有電加熱元件的電源,從而起到保護(hù)作用。這樣類似單電加熱元件的熱水器設(shè)置熱斷路器的方法,但對(duì)于圖1所示的多電加熱元件的熱水器來(lái)說(shuō),當(dāng)電加熱工作方式為“僅R4、R5、R6”時(shí),按GB 4706.1-1998,GB 4706.12-2006標(biāo)準(zhǔn)第19.2條、19.3條試驗(yàn)時(shí),因R4、R5、R6元件上及其附近無(wú)熱斷路器保護(hù),不能及時(shí)切斷電源,在干燒狀態(tài)下,同時(shí)工作的R4、R5、R6元件周圍在短時(shí)間內(nèi)累積大量熱量,極易導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生,這些危險(xiǎn)情況包括:熱水器外殼加強(qiáng)絕緣變形失去防護(hù)作用、電熱元件外殼燒壞使基本絕緣失效導(dǎo)致電加熱元件漏電等。
除此之外,在19.11條電子線路故障試驗(yàn)中,當(dāng)三極管P2短路時(shí),電加熱工作方式為“僅R4、R5、R6”時(shí),也會(huì)因?yàn)镽4、R5、R6元件上及其附近無(wú)熱斷路器保護(hù),不能及時(shí)切斷電源導(dǎo)致上述危險(xiǎn)。
(2)在R1~R6每只電加熱元件安裝位置上各設(shè)置一個(gè)熱斷路器,任何一個(gè)熱斷路器動(dòng)作時(shí)都切斷所有電加熱元件的電源。這是一種理想方案,熱斷路器的安全保護(hù)動(dòng)作性能不受任何一只電加熱元件安裝位置的影響,只要合理選擇熱斷路器的動(dòng)作參數(shù)和安裝結(jié)構(gòu)即可,例如可選擇壓力式熱斷路器,感溫探頭插入焊接在電加熱元件或水箱壁上的盲管內(nèi),動(dòng)作溫度92℃等。
但當(dāng)電加熱元件較多時(shí)這種方案在現(xiàn)實(shí)中就很少采用,主要原因?yàn)椋簾釘嗦菲鲾?shù)量較多時(shí),會(huì)占用較多的安裝空間,難以實(shí)現(xiàn);電氣控制線路上增加了較多的接點(diǎn),降低了可靠性和穩(wěn)定性;內(nèi)膽壁上需要較多的插入盲管,增加了加工難度和因盲管故障導(dǎo)致內(nèi)膽水泄漏的風(fēng)險(xiǎn);成本原因。
(3)在實(shí)際測(cè)試中,R2、R5處于中心位置且周圍溫度較高,在R2、R5處各設(shè)置一個(gè)熱斷路器,是一種可行而安全的方案。如圖2所示。2個(gè)熱斷路器HT1、HT2串聯(lián)接入控制電路中,在非正常工作狀態(tài)任一個(gè)熱斷路器動(dòng)作時(shí),都切斷所有電加熱元件的電源,從而起到保護(hù)作用。避免了本例方案(1)中所述危險(xiǎn)情況的發(fā)生。
一例多電加熱元件的快熱式熱水器結(jié)構(gòu)及電氣控制原理圖簡(jiǎn)化如圖3所示,電加熱元件使用水平并列安裝的6個(gè)金屬膜石英玻璃管R1~R6,在每個(gè)電加熱元件上各安裝一個(gè)熱熔斷體作為熱斷路器,熱熔體FT1~FT6分別串聯(lián)在R1~R6的供電線路上。
從表面上看,每個(gè)電加熱元件都具有非正常工作的保護(hù)元件,但按GB 4706.1-2005、GB 4706.11-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行第19.4條測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)及控制電路往往無(wú)法快速切斷所有電加熱元件的工作電源,延長(zhǎng)了非正常工作的時(shí)間,并最終導(dǎo)致超溫、容器破損等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。這是由于某些位置溫度較其它位置要高(例如處在中心位置的電加熱元件),這些位置的熱熔斷體首先達(dá)到熔斷條件而熔斷后,切斷了部分電加熱元件的電源,降低了其它熱熔斷體周圍的溫度,從而延緩了其它的熱熔斷體的熔斷時(shí)間并導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生。
改進(jìn)方案如圖4所示,改進(jìn)的電氣控制原理圖中,熱熔斷體FT1~FT6串連在控制電路中,任何一個(gè)熱熔斷體熔斷后,都能夠瞬間切斷所有電加熱元件的電源電路從而避免上述危險(xiǎn)情況的發(fā)生。
在圖4的方案中,可根據(jù)熱水器的實(shí)際結(jié)構(gòu),僅選擇處于中心位置且周圍溫度較高的R3、R4元件附近安裝熱斷路器,這樣可以減少熱斷路器的數(shù)量,減少電路接點(diǎn),在充分保證安全的同時(shí),提高整機(jī)的工作穩(wěn)定性。
具有多加熱元件的電熱水器常常是大功率電熱水器,這類電熱水器往往在商用等公用場(chǎng)所有較多應(yīng)用,其工作強(qiáng)度大、工作負(fù)荷重,在設(shè)計(jì)和安全檢測(cè)過(guò)程中,要充分考慮實(shí)際應(yīng)用中可能預(yù)計(jì)到的非正常情況,并結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì),提高熱斷路器的保護(hù)速度及整機(jī)工作的穩(wěn)定性。
[1]GB4706.1-1998《家用和類似用途電器的安全 第一部分:通用要求》
[2]GB4706.12-2006《家用和類似用途電器的安全 儲(chǔ)水式熱水器的特殊要求》
[3]GB4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全第1部分:通用要求》
[4]GB4706.11-2008《家用和類似用途電器的安全 快熱式熱水器的特殊要求》