裸丝加热热水器的安全性分析及接零保护的实现

饶志 陈非 艾欣 齐郑

（1.华北电力大学电气与电子工程学院 北京市 102206；2.宁波索顿飞羽电器有限公司 宁波市 315040）

1 引言

裸丝加热热水器相较于传统的加热管加热在加热效率上的优势非常突出，是热水器的发展方向。由于裸丝加热热水器的带电体直接与水接触，因此在使用热水器时必须做好安全保障。

本文提出了提高裸丝加热热水器安全性的设计方法，并提出了利用低压配电网中的零线，实现裸丝加热热水器的“接零保护”新方法。“接零保护”的基本原理是将裸丝加热热水器的零线、零线柱和接零柱做可靠的电气联接，使零线成为地线的备用，防止出现因泄露电流对人体造成的伤害。在低压配电网中，零线不断线

的前提下，零线上电压偏移远远小于人体临界安全电压。“接零保护”通过裸丝加热热水器的零线、零线柱和接零柱的可靠连接，在漏电的情况下，电流会直接通过零线流入大地而不通过身体，从而避免发生触电事故。经过现场试验和实际运行，充分验证了本文方法的正确性。

2 裸丝加热热水器原理

裸丝加热热水器采用电阻丝作为加热体，电阻丝封装于内胆中，热水器工作时，水流从进水口进入内胆，流经封装于内胆中的电阻丝而被加热。热水器内部的水路设计有很多的弯折，由于水本身是不良导体，采用合理的水路设计可以增加水管内水的电阻值，减小泄漏电流，从而实现出水电压达到安全标准，保证使用的安全性。

采用裸丝加热技术的热水器与比其他加热技术相比能够实现更精确温度控制，水温控制可以精到0.5℃。因电阻丝非常细，与水的接触面积小，表面工作温度低，水垢附着在电阻丝上的机率非常低，因此水质硬的地区也可以使用。此种技术结构简单，热交换效果好，加热速度快，热效率高，几乎不会出现任何问题。和传统的加热管加热相较而言，裸丝加热的加热速度大大提升：裸丝加热速度提升时间是（按62%计算）是1.4秒，而加热管则是13.8秒；杜绝了加热管有水干烧和无水干烧时带来的潜在火灾隐患；还能避免了由于加热元件的损坏（老化、到寿）而带来的漏电隐患。总体来说，裸丝加热技术带来的是更优秀的加热效果、更安全的加热性能和更良好加热体验。

图1 裸丝加热热水器“接零保护”的技术原理图

图2 单相裸露元件式热水器泄漏电流测量线路图

图3 单相连接的非Ⅱ类器具在工作稳定下泄漏电流的测量电路图

3 裸丝加热热水器的安全性分析

与传统的加热管绝缘方式不同，裸丝加热热水器的绝缘物质为热水器入口到出口之间的水。延长的水路起到防电墙的作用，相当于是一个基本的绝缘。根据欧姆定律，水电阻越大则泄漏电流越小，即泄漏电流与水电阻的值成反比关系，只要电阻达到一定程度的话，电流就很小。将热水器内的水路延长就可以到一个数值很大的电阻，合理设计水路通径和水路长度，可以保证出水口的泄漏电流远低于人体承受的程度。

另外，供水的电阻率对裸丝加热热水器的电气安全起到关键作用。但在实际使用中，使用者无法判断供水的电阻率是否符合热水器的要求。当发生咸潮、停水再来水或其他原因导致水质发生变化时，供水电阻率可能会低于热水器的要求，可能导致电气安全危险。因此当供水电阻率降低时，热水器必须能够提供相应的措施防止可能由此导致的危险发生。

图4 单相热水器非正常情况时的泄漏电流测量线路图

4 接零线保护的原理

4.1 接零线保护的技术原理

裸丝加热热水器“接零保护”的技术原理如图1所示，在图1中清晰地说明了防漏电的三重保护的指示说明。

裸丝加热热水器，有防漏电三重保护和一个保证：进出水接地保护、进出水防电墙保护、接零罩保护和不易接错的电源线连接方法保证。

在图1中：

第一重保护（进出水接地保护）：自来水进入机体的入水口有入水接地柱（6），出水口（10）有出水接地柱（9）。

第二重保护（进出水防电保护墙）：根据欧姆定律，水电阻越大则泄漏电流越小，即泄漏电流与水电阻的值成反比关系，所以只要电阻达到一定程度的话，电流就很小，延长的水路到一个比较大的电阻，合理设计水路通径和水路长度，保证出水口的泄漏电流应远低于人体承受的程度。

第三重保护（接零罩保护）：在零火线正确连接保证的前提下，确保机器的电源线和用户电源线的正确连接时，接零柱（11）到接零柱（13）形成一个保护罩，即进、出接零罩（1）的水都接在零线上，将火线柱（12）罩在这个零线罩之中。在我国的低压配电网中，零线上的电压分布有如下的特点：如果负荷对称，则零线上的电压为零；如果负荷不对称，在零线不断线的前提下，在零线上的电压分布也不会超过人体的安全电压。在这个条件下，不难得到裸丝加热热水器中出水口出来的水泄漏电流是一个较小的值，不会危及使用者的人身安全。

在“接零保护”中，我们提到了零火线正确连接的保证，这是“接零保护”正常工作的前提条件。实际上，通过图1，我们也能够很容易地辨别我们的零火线是否正确地连接。下面我们将通过机器的指示灯来准确地判断出用户电源线的极性。

4.2 不易接错的电源线连接方法

下面我们用不易接错的电源线连接方法和措施来准确判断电源线的极性（仍见图1）：

(1)当机器零火地线与电源零火地线相连接零火线正确连接，打开热水阀，水压开关闭合，电流沿火线（L）—水压力开关（4）—电热丝（7）—零线（N）形成回路，机器工作加热，另一路电流沿火线（L）—水压力开关（4）—指示灯（5）—接地线（E）形成回路，指示灯点亮；关闭热水阀，水压开关断开，加热丝无电压，不加热；指示灯无电压，不点亮。

(2)当机器零火地线与电源零火地线相连接零火线正确连接（无接地或接地不良），打开热水阀，水压开关闭合，电流沿火线（L）—水压力开关（4）—电热丝（7）—零线（N）形成回路，机器工作加热，另一路电流沿火线（L）—水压力开关（4）—指示灯（5）—接地线（E）形成回路，指示灯点亮；关闭热水阀，水压开关断开，加热丝无电压，不加热；指示灯无电压，不点亮。

表1 数字控制系统与模拟控制系统性能比较表

(3)当机器零火地线与电源火零地线相连接零火线反相连接，打开热水阀，水压开关闭合，电流沿零线（N）—电热丝（7）—水压力开关（4）—火线（L）形成回路，机器工作加热，指示灯两端（地线与零线）电压为零，指示灯不亮；关闭热水阀，水压开关断开，电流沿零线（N）—电热丝（7）—指示灯（5）—接地线（E）形成回路，指示灯点亮，指示灯非正常工作，此时可以正确判断出电源线的极性（提示零火线接反），及时正确连接电源线。

（4）当机器零火地线与电源火零地线相连接零火线反相连接（无接地或接地不良），打开热水阀，水压开关闭合时，电流沿零线（N）—电热丝（7）—水压力开关（4）—火线（L）形成回路，机器工作加热，另一路电流沿零线（N）—出水防电墙（3）—指示灯（5）—水压力开关（4）—火线（L）形成回路，指示灯点亮；关闭热水阀，水压开关断开，电流沿零线（N）—电热丝（7）—指示灯（5）—接地线（E）—入水接地柱（6）零电势形成回路，指示灯点亮，指示灯非正常工作，此时可以正确判断出电源线的极性（提示零火线接反及未安装接地线），及时正确连接电源线。

总结上述各种情况如表1所示。

据统计，电子元件故障率5年内不小于10%；电网零线非零电位故障率5年内万分之一以内；电气（线）连接故障率5年内1‰以内；所以，5年内上述 “接零罩”保护电路故障率比电子线路可靠性大于100倍以上。

表2 测试结果

表3 测试记录（电网有接地情况）

表4 测试记录（电网无接地情况）

可以认为简单的电气连接保护方案比复杂的电子线路控制方案更可靠，电热水龙头如选用复杂的电子线路控制如继电器、漏电保护器等控制器来控制线路，并不安全，这些复杂电子件可靠性并不高。日常生活中经常会出现继电器、漏电保护器失效，会让电器出现安全隐患，甚至会造成危险。所以简单的几根可靠的导线来连接的安全保护方案最可靠，不容易出现问题。

如上所述，“接零罩”使得加热丝的零线柱和接零柱与零线相连形成保护罩。在理想情况下，由于零线电势为零，接零罩将火线罩于其中形成了接零保护，是热水器的裸丝加热中的一种最为安全可靠的保护措施。

5 试验分析

本文以试验测试的方式来证明接零保护的正确性和可靠性，为了增加试验结果的可信性，本文将裸丝加热热水器与传统热水器进行了对比试验。

5.1 基本绝缘正常情况下测试

自来水水电阻≧1300Ω·cm，电网有接地线，加热管有基本绝缘时：

测试依据：GB 4706.1-2005，GB 4706.11-2008

图2为裸丝加热热水器的试验原理图，图3为传统热水器的试验原理图。图2中A表示进水口，B表示出水口、C表示泄漏电流测量元件，D表示金属筛网，E表示测试用接地端子，F表示热水器主体，G表示选择开关。

测试结果如表2所示，证明两种热水器性能都是合格的。

5.2 非正常（基本绝缘破坏时）测试

5.2.1 自来水的电阻率为50Ω·cm、电网有接地线的情况，加热管基本绝缘破坏时

按图4所示测试，图中A表示进水口，B表示出水口、C表示泄漏电流测量元件，D表示金属筛网，E表示测试用接地端子，F表示热水器主体。

图4为单相热水器非正常情况（基本绝缘破坏有接地）时的泄漏电流测量线路图。

测试结果如表3所示，证明裸丝加热热水器的性能优于传统加热管热水器。

5.2.2 有咸潮（自来水的电阻率为50Ω·cm）,电网无接地线，加热管基本绝缘破坏时

按图4所示测试，测试结果如表4所示，证明裸丝加热热水器的性能优于传统加热管热水器。

通过以上的试验测试，我们可以得到如下的结论：

(1)裸丝加热热水器在采用延长水路（即基本绝缘防电墙）和接零保护方案后，在水电阻正常、偏小（咸潮）和无接地线情况下都是安全的。

(2)裸丝加热热水器的安全性能优于传统加热管热水器。

6 结论

本文提出了提高裸丝加热热水器安全性的设计方法，并提出了利用低压配电网中的零线，实现裸丝加热热水器的“接零保护”新方法。通过实际试验得出结论如下：(1)通过延长水路（即基本绝缘防电墙）的设计可以提高水电阻数值，有效减小泄漏电流；(2)采用“接零保护”能够有效提高热水器的安全性；(3)经过安全性设计的裸丝加热热水器性能优于传统加热管热水器。

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