II類電熱水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

陳常山 王 悅 趙慧云 金 寧 王 奎 許 鵬

（山東省計(jì)量科學(xué)研究院 濟(jì)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(qū)別于I類器具，II類器具的安全不依賴于接地，而是由加強(qiáng)絕緣或雙重絕緣來(lái)保證，因而II類熱水器的安裝與使用可以不必考慮用電環(huán)境接地系統(tǒng)問(wèn)題，當(dāng)相關(guān)環(huán)境中的其它用電設(shè)備漏電時(shí)，漏電流也不會(huì)通過(guò)共用接地線路傳到II類熱水器的金屬外殼或金屬內(nèi)膽上等金屬部件上，從而避免了因用電環(huán)境接地系統(tǒng)異常、其它用電設(shè)備漏電、自身基本絕緣失效引起的觸電危險(xiǎn)。

GB 4706.12-2006《家用和類似用途電器的安全 儲(chǔ)水式熱水器的特殊要求》第6.1條要求：熱水器應(yīng)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(yīng)為I類或III類，其它熱水器應(yīng)為I類、II類或III類器具[4]。

但目前市場(chǎng)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(jié)構(gòu)。本文從電加熱方式及其加熱元件的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析，探討II類電熱水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 使用管狀電熱元件的II類熱水器結(jié)構(gòu)

在圖1所示的I類儲(chǔ)水式電熱水器結(jié)構(gòu)中，使用的管狀電熱元件直接對(duì)水進(jìn)行加熱。因?yàn)槠胀ǖ墓軤铍姛嵩慕^緣僅能達(dá)到基本絕緣的要求，所以圖1所示結(jié)構(gòu)的電熱水器的防觸電類別僅可以設(shè)計(jì)成I類器具，防觸電依賴接地系統(tǒng)，其安裝和使用必須可靠接地。

圖1 I類儲(chǔ)水式電熱水器結(jié)構(gòu)

為了使管狀電熱元件滿足II類結(jié)構(gòu)，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(hù)，詳見圖2。

圖2 II類結(jié)構(gòu)的電熱管

相應(yīng)地?zé)崴鞯慕Y(jié)構(gòu)改為圖3所示結(jié)構(gòu)，熱水器使用II類結(jié)構(gòu)的電熱管，通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)，使帶電部件與金屬內(nèi)膽及電熱管金屬外殼之間達(dá)到雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣的要求，從而使熱水器的防觸電類別達(dá)到II類器具的要求，防觸電不再依賴接地系統(tǒng)，其安裝和使用無(wú)須接地。

那么圖3所示II類熱水器結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)符合性怎樣？其關(guān)鍵件II類結(jié)構(gòu)的管狀電熱元件的絕緣還應(yīng)達(dá)到什么要求？

圖3 使用管狀電熱元件的II類熱水器結(jié)構(gòu)

我們不妨先來(lái)看一下CTL決議DSH-610，見圖4。

圖4 CTL決議DSH-610

（問(wèn)題: II類充油室內(nèi)加熱器具有II類結(jié)構(gòu)的加熱元件。該結(jié)構(gòu)包括兩層獨(dú)立的氧化鎂絕緣層，用作基本和附加絕緣。根據(jù)第22.21條注釋2，氧化鎂不被視為吸濕材料。氧化鎂應(yīng)緊密燒結(jié)，并符合第22.32條的試驗(yàn)要求。加熱元件的端部（接頭）由防潮密封件保護(hù)。該結(jié)構(gòu)符合第22.21條和22.32條，是否因此可接受該結(jié)構(gòu)？決議：是的，可以接受該結(jié)構(gòu)，因?yàn)榉蠘?biāo)準(zhǔn)。）

參照這個(gè)決議，圖2所示的II類結(jié)構(gòu)的管狀電熱元件氧化鎂絕緣層應(yīng)包含兩個(gè)獨(dú)立層，并且電熱元件的未端有防潮密封保護(hù)。

另外需要值得關(guān)注的是，目前僅滿足JB/T 4088標(biāo)準(zhǔn)的管狀電熱元件，還需增加一層獨(dú)立的氧化鎂絕緣層才能滿足圖2所示II類結(jié)構(gòu)的要求，圖2所示的管狀電熱元件，在二個(gè)獨(dú)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(nèi)電熱絲的散熱會(huì)受到不利影響，當(dāng)功率設(shè)計(jì)得較大時(shí)，應(yīng)考慮到高溫和散熱對(duì)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(jié)構(gòu)

圖5為陶瓷支架電熱絲加熱體結(jié)構(gòu)。

圖5 陶瓷支架電熱絲加熱體結(jié)構(gòu)

電熱絲嵌裝在陶瓷支架上的開孔內(nèi)，并通過(guò)開孔散熱。嵌入電熱絲的陶瓷支架裝入一個(gè)金屬套筒內(nèi)，金屬套筒探入熱水器內(nèi)膽并內(nèi)膽壁密封連接，見圖6的示意圖。如果要達(dá)到II類結(jié)構(gòu)，電熱絲與金屬套筒之間必須滿足雙重絕緣或加強(qiáng)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(jù)GB 4706.1第22.32條 注1：內(nèi)埋有電熱導(dǎo)線的絕緣材料，被認(rèn)為是基本絕緣，而不是加強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(nèi)壁上施加一層耐熱固體絕緣層，此絕緣層須滿足：達(dá)到附加絕緣的要求，有一定導(dǎo)熱特性，能夠耐受加熱體工作時(shí)產(chǎn)生的高溫，并采取必要的措施以防止在內(nèi)膽機(jī)加工過(guò)程中及加熱體安裝過(guò)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(qiáng)絕緣的要求，但此時(shí)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1第22.24條的要求：“對(duì)裸露的電熱元件應(yīng)這樣支撐，以使得即使其電熱元件斷裂，電熱導(dǎo)線也不可能與易觸及的金屬部件接觸。通過(guò)在最不利位置上將電熱導(dǎo)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(jié)構(gòu)

相比較于電熱類加熱元件來(lái)說(shuō)，電磁加熱線圈的II類結(jié)構(gòu)較易實(shí)現(xiàn)，圖7所示的電磁加熱體結(jié)構(gòu)中，由電磁線圈產(chǎn)生的磁能對(duì)金屬管路中的水進(jìn)行加熱，可以在電磁線圈與金屬管路之間施加雙重絕緣構(gòu)成II類結(jié)構(gòu)，正常工作時(shí)電磁加熱體內(nèi)的絕緣承受的溫度通常低于電熱類元件內(nèi)絕緣所承受的溫度。

圖7 II類結(jié)構(gòu)電磁加熱體

使用圖7所示的II類結(jié)構(gòu)電磁加熱體可構(gòu)成圖8所示的II類快熱式熱水器結(jié)構(gòu)。

圖8 使用電磁加熱體的II類快熱式熱水器結(jié)構(gòu)

圖8所示的II類熱水器結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)電磁加熱線圈的大功率半導(dǎo)體元件工作時(shí)的散熱通常依賴于進(jìn)水管路，一般將其散熱片固定在進(jìn)水管路的金屬件表面上，利用工作水流進(jìn)行散熱，這時(shí)需要額外采取措施，使大功率半導(dǎo)體元件帶電部位與金屬管路之間滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的雙重或加強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)要求的雙重或加強(qiáng)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(jié)

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