多加熱元件電熱水器熱斷路器的設(shè)置案例分析及改進措施

陳常山 呂惠政 段華

(山東省計量科學(xué)研究院電器安全檢測部 山東濟南 250014)

1 引言

大功率電熱水器在家用和商用中占有一定的份額，常見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荷的限制，單只電加熱元件的認證功率常在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元件——熱斷路器的安裝位置、數(shù)量以及對電熱元件的控制方式都會影響電熱水器的安全性能，不合理的設(shè)計會產(chǎn)生安全隱患且無法通過安全測試。

2 多加熱元件儲水式電熱水器熱斷路器的設(shè)置案例

一多電加熱元件的儲水式熱水器及電氣控制原理圖簡化如圖1所示，6個電加熱元件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同時工作。

熱斷路器的設(shè)置有以下幾種方案：

（1）僅選擇一個電加熱元件（例如R1）在其上設(shè)置一個熱斷路器。在非正常工作狀態(tài)熱斷路器動作時，切斷所有電加熱元件的電源，從而起到保護作用。這樣類似單電加熱元件的熱水器設(shè)置熱斷路器的方法，但對于圖1所示的多電加熱元件的熱水器來說，當電加熱工作方式為“僅R4、R5、R6”時，按GB 4706.1-1998，GB 4706.12-2006標準第19.2條、19.3條試驗時，因R4、R5、R6元件上及其附近無熱斷路器保護，不能及時切斷電源，在干燒狀態(tài)下，同時工作的R4、R5、R6元件周圍在短時間內(nèi)累積大量熱量，極易導(dǎo)致危險發(fā)生，這些危險情況包括：熱水器外殼加強絕緣變形失去防護作用、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中，當三極管P2短路時，電加熱工作方式為“僅R4、R5、R6”時，也會因為R4、R5、R6元件上及其附近無熱斷路器保護，不能及時切斷電源導(dǎo)致上述危險。

（2）在R1~R6每只電加熱元件安裝位置上各設(shè)置一個熱斷路器，任何一個熱斷路器動作時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動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)，動作溫度92℃等。

但當電加熱元件較多時這種方案在現(xiàn)實中就很少采用，主要原因為：熱斷路器數(shù)量較多時，會占用較多的安裝空間，難以實現(xiàn)；電氣控制線路上增加了較多的接點，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；成本原因。

（3）在實際測試中，R2、R5處于中心位置且周圍溫度較高，在R2、R5處各設(shè)置一個熱斷路器，是一種可行而安全的方案。如圖2所示。2個熱斷路器HT1、HT2串聯(lián)接入控制電路中，在非正常工作狀態(tài)任一個熱斷路器動作時，都切斷所有電加熱元件的電源，從而起到保護作用。避免了本例方案（1）中所述危險情況的發(fā)生。

3 多加熱元件快熱式電熱水器熱斷路器的設(shè)置案例

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化如圖3所示，電加熱元件使用水平并列安裝的6個金屬膜石英玻璃管R1~R6，在每個電加熱元件上各安裝一個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，每個電加熱元件都具有非正常工作的保護元件，但按GB 4706.1-2005、GB 4706.11-2008標準進行第19.4條測試時發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)及控制電路往往無法快速切斷所有電加熱元件的工作電源，延長了非正常工作的時間，并最終導(dǎo)致超溫、容器破損等危險情況的發(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間并導(dǎo)致危險發(fā)生。

改進方案如圖4所示，改進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情況的發(fā)生。

在圖4的方案中，可根據(jù)熱水器的實際結(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，在充分保證安全的同時，提高整機的工作穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

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所有較多應(yīng)用，其工作強度大、工作負荷重，在設(shè)計和安全檢測過程中，要充分考慮實際應(yīng)用中可能預(yù)計到的非正常情況，并結(jié)合產(chǎn)品實際結(jié)構(gòu)合理設(shè)計，提高熱斷路器的保護速度及整機工作的穩(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》