應用在可燃冷媒空調產品中的繼電器安全研究

于麗

YU Li

珠海格力電器股份有限公司檢測中心 廣東珠海 519070

Test center of Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

在空調產品的控制電路中，電磁繼電器的應用非常廣泛，一般涉及弱電控制強電的電路，如壓縮機、風機風擋、四通閥等的通斷，都會使用電磁繼電器（下文繼電器均指電磁繼電器）作為開關元器件。R32/R290冷媒作為目前最適用的環(huán)保冷媒，各大空調廠家已經(jīng)在逐步切換使用。性能方面，環(huán)保冷媒的切換，不需對空調系統(tǒng)和結構做太大改動即可明顯提高能效，節(jié)能減排效益顯著；安全方面，針對環(huán)保冷媒R32/R290易燃易爆特性，安全標準對于繼電器這類開關元器件（易發(fā)生拉弧，打火等現(xiàn)象）提出了更高的要求。本文以繼電器為對象，結合繼電器的工作原理及結構特性，從空調標準以及爆炸性氣體防護標準兩個角度分析繼電器的防護要求，可采用的防爆方式，測試要點及實際應用問題解析。本文的相關分析說明也可應用于其他類似的點火源元器件，對空調廠家，繼電器及其他空調用點火源元器件廠家有指導意義。

2 空調標準要求分析

在IEC 60335-2-40:2013+A1:2016版本的空調特標中，涉及繼電器這類開關元器件(點火源)的安全要求為22.116章節(jié)，標準要求可歸納為兩方面：

（1）點火源安裝在殼體內，標準要求該殼體應：

a. 符合IEC 60079-15:2010中對限制呼吸外殼的要求（測試使用IIA類氣體或空調所用冷媒）；

b. 安裝在安全區(qū)域（安全區(qū)域指經(jīng)IEC 60035-2-40附錄FF驗證，不會成為可燃冷媒混合氣體聚集的區(qū)域）。

（2）元器件本身如符合以下要求，則不認為是點火源：

a. 符合IEC 60079-15:2010中第8～19章中對IIA類氣體或空調所用冷媒的要求；

b. 通過適用標準證明，元器件適用于IEC 60079-14中定義的2,1,0區(qū)使用。

安裝在殼體內——這種方式的優(yōu)點是覆蓋面廣，不用考慮點火源工作原理，一個盒子可以解決所有問題，大部分點火源都可以采取這種方式。缺點是對殼體的材料，結構要求高，生產工藝復雜耗時長，同時，盒子占用空間較大，現(xiàn)有空調結構難以滿足要求，所以空調產品較少使用這種方式。而對于除濕機來說，由于其產品結構單一，可以考慮該方式。

元器件本身滿足防爆標準要求——這種方式的優(yōu)點是通用性非常強，尤其是家用空調，使用的繼電器規(guī)格基本都是固定的，繼電器廠家只要將這幾種規(guī)格的產品按照上述要求做防爆實驗后，基本可以滿足各大空調廠家的需求。缺點是將爆炸性氣體用設備防護標準IEC 60079系列應用在繼電器上，對繼電器提出了更多的安全要求，在現(xiàn)有結構不滿足時，如何整改將是廠家面對的一大難題。同時標準中可選擇的防爆方式過多也會對廠家造成不小的困擾。下面將結合繼電器的工作原理及結構，分析適用于繼電器的防爆方式。

3 空調用繼電器防爆方式解析

繼電器如自身滿足安規(guī)要求，有兩個標準可以選擇：

（1）IEC 60079-14：爆炸性氣體環(huán)境第14部分：電氣裝置涉及、選擇和安裝

（2）IEC 60079-15：爆炸性氣體環(huán)境第15部分：“n”型電氣設備的結構、試驗和標志

IEC 60079-14 針對的是整個電氣系統(tǒng)的設計和安裝，不僅僅是針對元器件本身，對于家用用途電器來說沒有必要，本文不再概述。

IEC 60079-15 適用于無火花電氣設備，或產生電弧火花或熱表面的部件或電路。該標準的防爆類型是“n”型防爆，指電氣設備在正常或一些異常情況下，不能點燃周圍爆炸性氣體環(huán)境。

“n”型防爆包括多種防爆方式，首先要了解繼電器的結構以及工作原理，從而選擇適用于繼電器的防爆方式。

由圖1、圖2、圖3可知：繼電器的工作原理是線圈通電，電磁驅動彈片閉合或斷開。結合IEC 60079系列爆炸性氣體防護標準，繼電器可從兩個方面進行防護：

（1）彈片處為觸點動作，可能會產生電火花，電弧，高溫，此處為危險源；

（2）觸點在殼體內。

基于上述兩點，同時考慮對現(xiàn)有結構更改最少，生產工藝可操作性等實際情況，建議采用封閉式斷路裝置、非點燃元器件、密封裝置三種防爆測試方式。

下面將從這三種防爆方式的定義、測試要求等方面，以繼電器為實例，分析防護方向及防護要點，詳細的標準要求見IEC 60079-15:2010，本文不詳細列舉。

3.1 封閉式斷路器

（1）定義

有通斷電觸頭的裝置，它在進入其內部的可燃性氣體或蒸氣爆炸時不會損壞，并且也不會將內部爆炸傳播到外部可燃性氣體或蒸氣。

該定義應用到繼電器上可以理解為：當繼電器殼體進入可燃性氣體，繼電器的彈片吸合或斷開時雖然引爆該可燃氣體，但該爆炸不會傳播到繼電器外部。這對內部結構以及外殼的強度都有較高要求。

（2）測試簡析

民營企業(yè)從銀行獲得貸款也不容易。“銀行能給我們的貸款額度在收緊。”某文旅企業(yè)負責人周珊彤說，“我們找銀行貸款，額度上就會打折扣，放款也不能一次到位，而是要分幾批發(fā)放，銀行的解釋是上級行對規(guī)模管理得較嚴。”

a. 預處理：因為空調用繼電器都是非金屬外殼，考慮使用環(huán)境溫度對非金屬的老化和變形影響，外殼需要經(jīng)受耐熱和耐冷實驗（章節(jié)22.3.1）的預處理。

圖1 空調常用電磁繼電器工作原理圖

圖2帶插片和引腳的繼電器

圖3 僅帶引腳的繼電器

b. 型式試驗——模擬點燃：繼電器內部及所在容器內充注標準氣體（ⅡA，ⅡB或ⅡC，空調滿足ⅡA即可），或者充注空調使用的冷媒，讓繼電器以最大負載通斷電10次，通過內部觸點點燃繼電器內部氣體，觀察爆炸是否傳至繼電器外部來判定符合性。

（3）小結

要滿足封閉式斷路器的要求，可以通過內部結構配合，以及增強外殼的承壓能力來阻止爆炸傳播。由于家用空調繼電器額定電流小，且考慮實際應用中功率因數(shù)cosφ的影響，繼電器內部的混合氣體很難被點燃（適用于非點燃方式），所以封閉式短路裝置的防爆方式很少廠家采用，但對于不滿足非點燃方式的產品，可以考慮封閉式斷路器的測試。

3.2 非點燃元器件

（1）定義

元器件具有通斷規(guī)定的點燃電路的觸頭，其觸頭結構設計成能使元器件在該電路中不會引起點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境。

該定義應用在繼電器上，可以理解為：繼電器的觸點按照最大負載動作，也不能點燃或引爆爆炸性氣體環(huán)境。

（2）測試簡析

b. 型式試驗——模擬點燃：繼電器內部及所在容器內充注標準氣體（ⅡA，ⅡB或ⅡC，空調滿足ⅡA即可），或者充注空調使用的冷媒，讓繼電器以額定負載動作50次，并重復3次通斷電，周圍的試驗氣體不能被點燃。

（3）小結

要滿足非點燃的要求，主要是觸頭的排列來抑制初期火焰，從而防止點燃。對于額定電流較小的繼電器產品（10A以下），不做產品更改基本都可以滿足該實驗，對于較大電流的繼電器，可以考慮限定功率因數(shù)cosφ，更改觸點材料或結構的方式來滿足該實驗。

非點燃裝置和封閉式斷路裝置實驗原理是很相似的，都是通過觸點的頻繁動作來觀察是否點燃標準氣體，或點燃后的爆炸傳播。結合目前空調使用的可燃冷媒特性，用R32冷媒來測試通過率會大大高于標準氣體，用R290冷媒來測試則與標準氣體ⅡA相差不大。廠家可根據(jù)空調廠家的需求情況針對性的選擇測試氣體。

3.3 密封裝置

（1）定義

其結構在正常運行時不能打開，并且有效密封，阻止外部大氣進入。

該定義應用在繼電器上可以理解為繼電器的外殼有效密封。這種方式僅僅是針對繼電器外殼，不用考慮內部結構問題。

（2）測試簡析

a. 預處理：因為空調用繼電器都是非金屬外殼，考慮使用環(huán)境溫度對非金屬的老化和變形影響，外殼需要經(jīng)受耐熱和耐冷實驗（章節(jié)22.5.1）的預處理以及耐壓測試（22.5.2）。

b. 型式試驗——泄露實驗

方法一：將繼電器由（25±2）℃的環(huán)境立即浸入（65±2）℃的水中，浸入深度至少25mm, 1min，試驗中沒有氣泡產生，即認為符合要求。

方法二：繼電器內部的空氣壓力減至120mm，Hg（16k Pa），然后浸入76mm的水深中，沒有明顯泄露既合格。

方法三：如果有其他方式可以證明，在1個大氣壓（101,325 Pa）的壓差下，繼電器以每秒不超過10～5毫升空氣的速率泄漏，則認為符合要求。

（3）小結

要滿足密封裝置的要求，僅要做好外殼的防漏即可。目前空調實際使用的繼電器基本有兩種結構，見圖2、圖3。圖3繼電器僅在引腳處存在泄漏風險，但引腳處通常已有密封劑，所以僅有引腳的繼電器基本都滿足密封裝置的實驗要求。圖2為帶插片及引腳的繼電器（一般10A及以上繼電器會帶插片），常用繼電器的插片與殼體的結合都會有縫隙，如要滿足密封裝置的防爆試驗，則需要在縫隙處通過密封墊圈方式密封，或使用密封劑（灌膠等）密封，需注意密封劑的溫度特性。

4 總結

繼電器作為空調控制器中必不可少的開關元件，也應大力配合解決可燃冷媒（環(huán)保冷媒）推廣中的安全屏障，廠家除了了解要元器件本身安規(guī)標準外，還必須及時了解其應用產品的相關標準信息。在設計產品時結合標準，合理規(guī)劃，與空調廠家協(xié)作，與有資質的防爆實驗室探討，共同解決安全難題。