淺析絕緣結(jié)構(gòu)對阻斷電熱水器漏電傳輸路徑的應(yīng)用

黃本可 聶 輝 伍家雄

（1.廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305； 2.廣東萬和電氣有限公司 佛山 528513）

引言

電熱水器的用電安全一直是使用者關(guān)注的核心之一，而在使用電熱水器的過程中，觸電事故也一直時有發(fā)生。通常情況下，在使用電熱水器的過程中，一旦發(fā)生觸電事故，大家第一時間想到的都是電熱水器本身出現(xiàn)了漏電情況，但有研究表明，熱水器漏電或者加熱管基本絕緣損壞分別僅占到造成事故發(fā)生的32 %及6 %[1]，有超過6 成的事故均與熱水器本身無關(guān)。因此，對于電熱水器有效的絕緣防護(hù)措施的研究就顯得十分必要。

1 電熱水器常規(guī)結(jié)構(gòu)說明

如圖1 所示，為儲水式電熱水器常見結(jié)構(gòu)。通常情況下，電熱水器的基本結(jié)構(gòu)由外殼、內(nèi)膽組件、控制器以及保溫層組成。在內(nèi)膽組件上設(shè)置有金屬支架，以便于固定用于產(chǎn)品安裝使用的掛架；電熱管安裝在內(nèi)膽組件內(nèi)部，通過電熱管本身的基本絕緣與洗浴用水隔離；顯示控制系統(tǒng)安裝在機身上；保溫層充斥在內(nèi)膽與外殼之間空隙內(nèi)。作為I 類器具產(chǎn)品，電熱水器金屬外殼及電熱管外殼還通過連續(xù)接地線進(jìn)行接地。

2 電熱水器觸電事故原因分析

本文通過現(xiàn)有研究[1]數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、匯總，并剔除非造成觸電事故的直接原因，得到導(dǎo)致觸電事故的根本原因，如表1 所示。

導(dǎo)致觸電事故發(fā)生的根本原因頻數(shù)(次)百分比熱水器內(nèi)部漏電4061 %線路漏電2030 %插座漏電46 %零火反接23 %總計66100 %

3 導(dǎo)致事故發(fā)生的導(dǎo)電路徑分析

根據(jù)引起電熱水器觸電事故的原因，并根據(jù)電熱水器的結(jié)構(gòu)和安裝狀態(tài)，對在這些觸電事故中可能存在的導(dǎo)電路徑進(jìn)行分析：

3.1 熱水器內(nèi)部漏電

當(dāng)熱水器內(nèi)部出現(xiàn)漏電后，則有兩種傳輸路徑可能導(dǎo)致用戶觸電：

1）沐浴用水帶電：由于熱水器內(nèi)部出現(xiàn)漏電，那么將使得熱水器內(nèi)膽及內(nèi)膽中的水體帶電，而水是電的導(dǎo)體，因此，當(dāng)用戶在使用熱水器的時候，將導(dǎo)致花灑沐浴用水帶電，該電壓將直接作用在使用者身上，從而導(dǎo)致觸電事故發(fā)生，其具體導(dǎo)電傳輸路徑如圖2 路徑1 所示。

2）機身外殼帶電：由于熱水器內(nèi)部出現(xiàn)漏電，將使得熱水器內(nèi)膽帶電，而由于連續(xù)接地線或者內(nèi)膽支撐架的存在，將進(jìn)一步使得熱水器金屬外殼帶電，此時，如果用戶對熱水器進(jìn)行操作或者不小心觸摸到了熱水器外殼，該漏電電壓同樣將直接作用在使用者身上，從而導(dǎo)致觸電事故的發(fā)生，其具體導(dǎo)電傳輸路徑如圖3 路徑2所示。

3.2 線路漏電

當(dāng)用戶家庭線路漏電或插座之后，則因使用熱水器而導(dǎo)致觸電事故發(fā)生的可能性有以下幾種可能：

1）地線帶電：由于用戶家庭線路出現(xiàn)漏電情況，從而導(dǎo)致整個地線系統(tǒng)帶電，此時，由于地線接觸不良或者未定期檢修而接觸失效，導(dǎo)致不能將線路中的漏電情況導(dǎo)出，而方向經(jīng)過電熱水器電源線傳導(dǎo)至熱水器內(nèi)膽中，并通過沐浴用水或者熱水器金屬外殼進(jìn)一步施加在用戶身上，從而導(dǎo)致觸電事故的發(fā)生，其具體導(dǎo)電傳輸路徑如圖4 路徑3 所示。

圖4 觸電事故導(dǎo)電路徑3

2）安裝墻面帶電：當(dāng)用戶家庭的線路采用安裝埋在墻體內(nèi)的時候，一旦出現(xiàn)線路漏電情況，則有可能導(dǎo)致墻體內(nèi)的承重鋼筋帶電，然后經(jīng)過用于安裝熱水器的膨脹螺栓掛鉤引出而導(dǎo)致墻面帶電，并進(jìn)一步將改漏電現(xiàn)象傳輸?shù)浇饘偻鈿ぃ谟脩舨僮骰蛴|碰到熱水器的時候引發(fā)觸電事故；同時，還有可能經(jīng)內(nèi)膽支撐架或連續(xù)接地線導(dǎo)致內(nèi)膽帶電，并引發(fā)沐浴用水帶電而觸發(fā)觸電事故，其具體導(dǎo)電傳輸路徑如圖5 路徑4 所示。

圖5 觸電事故導(dǎo)電路徑4

3.3 插座漏電

由于插座漏電導(dǎo)致的觸電事故的發(fā)生，一般而言，與線路漏電導(dǎo)致的地線帶電是相同的路徑，插座在長期的使用中，其絕緣層損壞或者短路，將同樣導(dǎo)致地線帶電，其導(dǎo)電傳輸路徑與路徑3 一致。

3.4 零火線反接

在正常情況下，零火線反接并不會直接導(dǎo)致觸電事故的發(fā)生，其主要是在某些產(chǎn)品中，控制系統(tǒng)僅對產(chǎn)品的火線進(jìn)行通斷控制，而零線則處于接通狀態(tài)，此時即使零火線反接，也不會出現(xiàn)直接導(dǎo)致觸電事故發(fā)生，但是如果此時產(chǎn)品的基本絕緣損壞，由于零火線反接，控制系統(tǒng)并不能有效斷開火線，因此其電壓將直接作用在產(chǎn)品上，并進(jìn)一步施加在使用者身上，從而引發(fā)觸電，其導(dǎo)電傳輸路徑與路徑1 或路徑2 一致。

通過對3.1 ～ 3.4 所述導(dǎo)電傳輸路徑進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，所有的無論是熱水器內(nèi)部漏電，還有外部環(huán)境帶電，其最終的傳輸路徑可歸類為3 條，分別是：①內(nèi)膽帶電導(dǎo)致沐浴用水帶電；②內(nèi)膽帶電導(dǎo)致金屬外殼帶電；③安裝墻面帶電導(dǎo)致金屬外殼帶電。因此，只需要阻斷這3 條漏電傳輸路徑，即可在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)對熱水器的電擊安全防護(hù)。

4 絕緣結(jié)構(gòu)防護(hù)措施說明

4.1 內(nèi)膽帶電導(dǎo)致沐浴用水帶電

為有效規(guī)避熱水器所供應(yīng)的水帶電而導(dǎo)致的觸電事故的發(fā)生，“防電墻”[2]技術(shù)便應(yīng)運而生，其技術(shù)原理是水具有一定的電阻率，當(dāng)水路長度足夠長的時候，其形成的電阻值也將達(dá)到足夠大，此時當(dāng)熱水器內(nèi)水體帶電時，直接作用到人體的電流將足夠小，不足以對人體造成觸電風(fēng)險，從而達(dá)到其實熱水器漏電也不會導(dǎo)致觸電的風(fēng)險。因此，在某一確定的通徑截面積的基礎(chǔ)上，通過將電熱水器的供水管路由直管設(shè)置為迂回式結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)水路長度的增加，而通過足夠的迂回次數(shù)，就可以實現(xiàn)對水路中的電壓進(jìn)行限流。

4.2 內(nèi)膽帶電導(dǎo)致金屬外殼帶電

由于連續(xù)接地線以及設(shè)置在內(nèi)膽組件上的支持掛架通過螺栓與金屬外殼之間的導(dǎo)通，從而導(dǎo)致內(nèi)膽與金屬外殼在導(dǎo)電情況下連接為一體，如果內(nèi)膽帶電，則金屬外殼將同步帶電。因此，金屬外殼與內(nèi)膽之間采用有效的絕緣連接結(jié)構(gòu)[3]則是有效處理其導(dǎo)電性的方案，其設(shè)計方案主要是，通過在金屬外殼內(nèi)部增加一塊局部加強鋼板增強外殼的受力能力，然后金屬掛架直接通過螺栓鎖緊在外殼上，金屬外殼與內(nèi)膽之間完全填充發(fā)泡保溫層，并在此基礎(chǔ)上取消連續(xù)接地線，從而將內(nèi)膽與金屬外殼之間完全隔絕開。

圖6 迂回式防電墻結(jié)構(gòu)

4.3 安裝墻面帶電導(dǎo)致金屬外殼帶電

由于電熱水器是直接懸掛在嵌入墻體內(nèi)的金屬掛鉤中的，當(dāng)安裝墻面帶電的時候，墻體表面的電壓將直接沿著熱水器金屬掛架傳輸?shù)綗崴魍鈿ぃ瑥亩纬晌ｋU，因此，產(chǎn)品與安裝墻面之間有效的絕緣連接結(jié)構(gòu)[3]將能夠有效起到隔絕電流傳輸路徑的效果。通過在熱水器掛架與安裝墻面之間增加絕緣材質(zhì)的墊塊，并且在掛鉤的表面包裹一層絕緣套管，即可以完全切斷外殼與安裝墻面之間的導(dǎo)電路徑。

5 絕緣結(jié)構(gòu)防護(hù)能力測試

根據(jù)在地線系統(tǒng)異常時提供應(yīng)急防護(hù)措施[4]的要求，向待測試樣機中充滿（1 250±50）Ω·cm 的實驗用水，并在樣機外部導(dǎo)線端子處斷開接地線，將待測試樣機的發(fā)熱元件的基本絕緣完全失效，調(diào)整至額定電壓，測試樣機出水口防電墻的泄露電流；根據(jù)對電器耐電氣強度[5]的要求，對待測試樣機外殼-內(nèi)膽之間絕緣、外殼-安裝墻面之間絕緣分別施加頻率為50 Hz 或60 Hz 基本為正弦波的電壓1 min 進(jìn)行耐電氣強度能力測試。測試結(jié)果如表2 所述。

表2 不同位置絕緣防護(hù)能力測試

從表2 中可以看出，該結(jié)構(gòu)防電墻可以有效將供水管路中的泄漏電流限制在5 mA 的安全電流以內(nèi)，從而防止使用者在用水時因水體異常帶電產(chǎn)生的觸電風(fēng)險；而內(nèi)膽-外殼絕緣結(jié)構(gòu)和內(nèi)膽-墻面絕緣結(jié)構(gòu)能夠有效對外殼與熱水器內(nèi)膽之間、外殼與安裝墻面之間起到足夠的絕緣保護(hù)，從而防止被擊穿而導(dǎo)致的外殼帶電而引發(fā)的觸電危險。

6 總結(jié)

本文針對電熱水器在使用中存在的觸電風(fēng)險，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)防護(hù)上，提出了可行的絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行防觸電保護(hù)，對熱水器本身的漏電以及家庭用電環(huán)境進(jìn)行了有效的解決方案，可在不改變用戶家庭布局及用電環(huán)境的情況下，進(jìn)一步確保電熱水器產(chǎn)品的安全使用。

圖7 外殼-內(nèi)膽絕緣結(jié)構(gòu)

圖8 外殼-墻面絕緣結(jié)構(gòu)