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(shì)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(shí)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(duì)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?！敖恿惚Ｗo(hù)”通過(guò)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(huì)直接通過(guò)零線流入大地而不通過(guò)身體，從而避免發(fā)生觸電事故。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(jiǎn)單，熱交換效果好，加熱速度快，熱效率高，幾乎不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)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(shí)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(wú)水干燒時(shí)帶來(lái)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(lái)的漏電隱患。總體來(lái)說(shuō)，裸絲加熱技術(shù)帶來(lái)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(cè)量線路圖

圖3 單相連接的非Ⅱ類(lèi)器具在工作穩(wěn)定下泄漏電流的測(cè)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(zhǎng)的水路起到防電墻的作用，相當(dāng)于是一個(gè)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(zhǎng)就可以到一個(gè)數(shù)值很大的電阻，合理設(shè)計(jì)水路通徑和水路長(zhǎng)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(duì)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(wú)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(lái)水或其他原因?qū)е滤|(zhì)發(fā)生變化時(shí)，供水電阻率可能會(huì)低于熱水器的要求，可能導(dǎo)致電氣安全危險(xiǎn)。因此當(dāng)供水電阻率降低時(shí)，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(xiǎn)發(fā)生。

圖4 單相熱水器非正常情況時(shí)的泄漏電流測(cè)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(shuō)明了防漏電的三重保護(hù)的指示說(shuō)明。

裸絲加熱熱水器，有防漏電三重保護(hù)和一個(gè)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(cuò)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(lái)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(zhǎng)的水路到一個(gè)比較大的電阻，合理設(shè)計(jì)水路通徑和水路長(zhǎng)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(shí)，接零柱（11）到接零柱（13）形成一個(gè)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(gè)零線罩之中。在我國(guó)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(duì)稱，則零線上的電壓為零；如果負(fù)荷不對(duì)稱，在零線不斷線的前提下，在零線上的電壓分布也不會(huì)超過(guò)人體的安全電壓。在這個(gè)條件下，不難得到裸絲加熱熱水器中出水口出來(lái)的水泄漏電流是一個(gè)較小的值，不會(huì)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(guò)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(guò)機(jī)器的指示燈來(lái)準(zhǔn)確地判斷出用戶電源線的極性。

4.2 不易接錯(cuò)的電源線連接方法

下面我們用不易接錯(cuò)的電源線連接方法和措施來(lái)準(zhǔn)確判斷電源線的極性（仍見(jiàn)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(kāi)熱水閥，水壓開(kāi)關(guān)閉合，電流沿火線（L）—水壓力開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，加熱絲無(wú)電壓，不加熱；指示燈無(wú)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(wú)接地或接地不良），打開(kāi)熱水閥，水壓開(kāi)關(guān)閉合，電流沿火線（L）—水壓力開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，加熱絲無(wú)電壓，不加熱；指示燈無(wú)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(kāi)熱水閥，水壓開(kāi)關(guān)閉合，電流沿零線（N）—電熱絲（7）—水壓力開(kāi)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，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(shí)可以正確判斷出電源線的極性（提示零火線接反），及時(shí)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(wú)接地或接地不良），打開(kāi)熱水閥，水壓開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流沿零線（N）—電熱絲（7）—水壓力開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，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(shì)形成回路，指示燈點(diǎn)亮，指示燈非正常工作，此時(shí)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(shí)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(wàn)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(cè)試結(jié)果

表3 測(cè)試記錄（電網(wǎng)有接地情況）

表4 測(cè)試記錄（電網(wǎng)無(wú)接地情況）

可以認(rèn)為簡(jiǎn)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(lái)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(huì)出現(xiàn)繼電器、漏電保護(hù)器失效，會(huì)讓電器出現(xiàn)安全隱患，甚至?xí)斐晌ｋU(xiǎn)。所以簡(jiǎn)單的幾根可靠的導(dǎo)線來(lái)連接的安全保護(hù)方案最可靠，不容易出現(xiàn)問(wèn)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(shì)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(cè)試的方式來(lái)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(duì)比試驗(yàn)。

5.1 基本絕緣正常情況下測(cè)試

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

測(cè)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(cè)量元件，D表示金屬篩網(wǎng)，E表示測(cè)試用接地端子，F(xiàn)表示熱水器主體，G表示選擇開(kāi)關(guān)。

測(cè)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(shí)）測(cè)試

5.2.1 自來(lái)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(shí)

按圖4所示測(cè)試，圖中A表示進(jìn)水口，B表示出水口、C表示泄漏電流測(cè)量元件，D表示金屬篩網(wǎng)，E表示測(cè)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(shí)的泄漏電流測(cè)量線路圖。

測(cè)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(lái)水的電阻率為50Ω·cm）,電網(wǎng)無(wú)接地線，加熱管基本絕緣破壞時(shí)

按圖4所示測(cè)試，測(cè)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(guò)以上的試驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)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(wú)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(guò)實(shí)際試驗(yàn)得出結(jié)論如下：(1)通過(guò)延長(zhǎng)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(guò)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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