II類電熱水器結構設計探討

陳常山 王 悅 趙慧云 金 寧 王 奎 許 鵬

（山東省計量科學研究院 濟南 250014）

引言

家用電熱水器的防觸電類別，可為I類、II類、III類。區別于I類器具，II類器具的安全不依賴于接地，而是由加強絕緣或雙重絕緣來保證，因而II類熱水器的安裝與使用可以不必考慮用電環境接地系統問題，當相關環境中的其它用電設備漏電時，漏電流也不會通過共用接地線路傳到II類熱水器的金屬外殼或金屬內膽上等金屬部件上，從而避免了因用電環境接地系統異常、其它用電設備漏電、自身基本絕緣失效引起的觸電危險。

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》第6.1條要求：熱水器應是I類、II類或III類器具[3]，GB 4706.11-2008《家用和類似用途電器的安全 快熱式熱水器的特殊要求》第6.1條要求：裸露元件式熱水器應為I類或III類，其它熱水器應為I類、II類或III類器具[4]。

但目前市場上的熱水器的防觸電類別大部分是I類，其主要原因是受制于電加熱元件的結構。本文從電加熱方式及其加熱元件的結構方面進行分析，探討II類電熱水器的結構設計。

1 使用管狀電熱元件的II類熱水器結構

在圖1所示的I類儲水式電熱水器結構中，使用的管狀電熱元件直接對水進行加熱。因為普通的管狀電熱元件的絕緣僅能達到基本絕緣的要求，所以圖1所示結構的電熱水器的防觸電類別僅可以設計成I類器具，防觸電依賴接地系統，其安裝和使用必須可靠接地。

圖1 I類儲水式電熱水器結構

為了使管狀電熱元件滿足II類結構，在其基本絕緣外殼上再增加一層附加絕緣，并使用金屬殼保護，詳見圖2。

圖2 II類結構的電熱管

相應地熱水器的結構改為圖3所示結構，熱水器使用II類結構的電熱管，通過改變設計，使帶電部件與金屬內膽及電熱管金屬外殼之間達到雙重絕緣或加強絕緣的要求，從而使熱水器的防觸電類別達到II類器具的要求，防觸電不再依賴接地系統，其安裝和使用無須接地。

那么圖3所示II類熱水器結構的標準符合性怎樣？其關鍵件II類結構的管狀電熱元件的絕緣還應達到什么要求？

圖3 使用管狀電熱元件的II類熱水器結構

我們不妨先來看一下CTL決議DSH-610，見圖4。

圖4 CTL決議DSH-610

（問題: II類充油室內加熱器具有II類結構的加熱元件。該結構包括兩層獨立的氧化鎂絕緣層，用作基本和附加絕緣。根據第22.21條注釋2，氧化鎂不被視為吸濕材料。氧化鎂應緊密燒結，并符合第22.32條的試驗要求。加熱元件的端部（接頭）由防潮密封件保護。該結構符合第22.21條和22.32條，是否因此可接受該結構？決議：是的，可以接受該結構，因為符合標準。）

參照這個決議，圖2所示的II類結構的管狀電熱元件氧化鎂絕緣層應包含兩個獨立層，并且電熱元件的未端有防潮密封保護。

另外需要值得關注的是，目前僅滿足JB/T 4088標準的管狀電熱元件，還需增加一層獨立的氧化鎂絕緣層才能滿足圖2所示II類結構的要求，圖2所示的管狀電熱元件，在二個獨立的氧化鎂絕緣層之間有金屬殼隔離，增加一層氧化鎂絕緣層后，管狀電熱元件內電熱絲的散熱會受到不利影響，當功率設計得較大時，應考慮到高溫和散熱對電熱元件的絕緣層、殼體以及加熱效率的不利影響。

2 使用陶瓷支架電熱絲加熱體的II類熱水器結構

圖5為陶瓷支架電熱絲加熱體結構。

圖5 陶瓷支架電熱絲加熱體結構

電熱絲嵌裝在陶瓷支架上的開孔內，并通過開孔散熱。嵌入電熱絲的陶瓷支架裝入一個金屬套筒內，金屬套筒探入熱水器內膽并內膽壁密封連接，見圖6的示意圖。如果要達到II類結構，電熱絲與金屬套筒之間必須滿足雙重絕緣或加強絕緣的要求。

圖6 使用陶瓷支架電熱絲加熱體的II類熱水器

根據GB 4706.1第22.32條 注1：內埋有電熱導線的絕緣材料，被認為是基本絕緣，而不是加強絕緣[1,2]，在這種情況下，圖5所示加熱體表面與電熱絲之間僅能滿足基本絕緣的要求，所以還需要一層附加絕緣，才能滿足II類結構的要求。

圖6中，為了增加附加絕緣層，措施之一是在金屬套筒的內壁上施加一層耐熱固體絕緣層，此絕緣層須滿足：達到附加絕緣的要求，有一定導熱特性，能夠耐受加熱體工作時產生的高溫，并采取必要的措施以防止在內膽機加工過程中及加熱體安裝過程中造成此附加絕緣層的損壞；

措施之二是增大加熱體與金屬套筒之間的間隙，并在金屬套筒這加熱體之間施加絕緣支撐件，使加熱體上的帶電部件與金屬套筒之間的爬電距離和電氣間隙滿足雙重或加強絕緣的要求，但此時應特別注意圖5所示陶瓷支架加熱體中電熱絲的支撐措施，以滿足標準GB 4706.1第22.24條的要求：“對裸露的電熱元件應這樣支撐，以使得即使其電熱元件斷裂，電熱導線也不可能與易觸及的金屬部件接觸。通過在最不利位置上將電熱導線切斷，然后視檢確定其是否合格”[1,2]。

3 使用電磁加熱體的II類熱水器結構

相比較于電熱類加熱元件來說，電磁加熱線圈的II類結構較易實現，圖7所示的電磁加熱體結構中，由電磁線圈產生的磁能對金屬管路中的水進行加熱，可以在電磁線圈與金屬管路之間施加雙重絕緣構成II類結構，正常工作時電磁加熱體內的絕緣承受的溫度通常低于電熱類元件內絕緣所承受的溫度。

圖7 II類結構電磁加熱體

使用圖7所示的II類結構電磁加熱體可構成圖8所示的II類快熱式熱水器結構。

圖8 使用電磁加熱體的II類快熱式熱水器結構

圖8所示的II類熱水器結構中，驅動電磁加熱線圈的大功率半導體元件工作時的散熱通常依賴于進水管路，一般將其散熱片固定在進水管路的金屬件表面上，利用工作水流進行散熱，這時需要額外采取措施，使大功率半導體元件帶電部位與金屬管路之間滿足標準要求的雙重或加強絕緣。另外，與水直接接觸的水溫傳感器表面、水流量傳感器表面與帶電部件之間也要滿足標準要求的雙重或加強絕緣，或者水溫傳感器、水流量傳感器及與其連接的電路皆為安全特低電壓電路。

4 小結

II類熱水器的加熱元件通常需要側重考慮附加絕緣的設計，加熱方式不同，附加絕緣結構及耐熱要求也有差異。電熱類元件附加絕緣的設計還需考慮散熱和耐熱性能，電磁類加熱體II類結構的設計可能還需要考慮依賴水流散熱的大功率半導體元件散熱面的絕緣是否滿足要求。