裸丝电热水器“二次接地”保护技术

徐豪 陈非

（宁波索顿飞羽电器有限公司 浙江宁波 315040）

1 “裸丝加热+防电墙”是成熟技术

1.1 裸丝加热技术在世界上广泛应用

自即热式电热水器进入国内市场发展到现阶段，裸丝加热技术在行业中快速跟进。从国际市场对大功率加热产品技术的应用情况来看，裸丝加热是被众多企业认可的一个方向。但国内即热式电热水器行业真正开始关注裸丝加热技术，则是最近几年的事情。

目前国内市场仅有少数几个品牌采用裸丝加热方式，在欧洲、东南亚等用水环境较好的国家和地区，大多数产品都采用裸丝加热技术 。

裸丝加热技术是采用Ni80电阻丝作为即热式热水器的加热体，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。产品内部的水路设计有很多的弯折，利用水本身是不良导体的特性，通过合理的水路设计增加了水管内水的电阻值使电阻分解电压，使得出水电压达到安全标准，保证使用的安全性。即使在地线处于失效状态时，通电运行的加热系统也可以同时获得超高安全性和长期稳定的高热效率（永不衰减） 。

图1 水的不良导体特性

图2 TN-C-S系统

图3 TN-S系统

1.2 水是不良导体

根据对全国各地区165个城市的水电阻率取样统计表：水电阻率最小的是山西运城，水电阻率约为600Ω·cm。

以飞羽牌新KDR-7F-3电热水器为例，防电墙长度L为870mm，孔径ød为7.8mm，国内最小的水电阻率为600Ω·cm，其等效电阻如图1所示。

根据电阻计算公式R=L·ρ/S，截面积S=π·r =47.8mm，则水电阻R=87(cm)·600(Ω·cm)/0.48(cm)=108.8kΩ，此时若在防电墙两端加载220V电压，其电流I=2.02mA，飞羽牌新KDR-7F-3电热水器的功率为8kW，此时的泄漏电流远远小于标准要求的5mA，能保证使用安全。由此可知：只要有800多毫米的延长水路的水电阻就可以将国内最低水电阻率的自来水的泄漏电流限制在安全电流范围内，充分证明了水具有不良导体的特性。

2 “零线用于保护接地”源于国标

图4 TT系统

本文所述的裸丝电热水器“二次接地”保护技术，是在我国特定的用电环境和用水环境下，即使发生接地失效、防电墙保护失效的情况时，依然能够保护用户人身安全的防漏电保护技术。“二次接地”采用零线用于“保护接地”的技术思想源于国家标准GB 50052-2009《供配电系统设计规范》和GB/T 16895.1-2008《低压电气装置 第1部分 基本原则、一般特性评估和定义》。（注：GB/T 16895.1-2008《低压电气装置第1部分 基本原则、一般特性评估和定义》为GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第1部分：通用要求》的用电基础。）

2.1 工作接地线（零线）是国标中的规定接地型式之一

对于民用建筑的低压配电系统应采用TT、TN-S或TN-C-S接地型式，并进行等电位连接 。TN电源系统在电源处有一点直接接地，而装置的外露可导电部分是利用保护导体连接到那个接地点上的 。

(1)TN-C-S系统。在系统中的一部分，中性导体的功能和保护导体的功能，合并在一根导体中，如图2所示。

(2)TN-S系统。在其中，整个系统全部采用单独的保护导体，如图3所示。

(3)TT系统。TT系统只有一点直接接地，而装置的外露可导电部分则是被接到在电气上独立于电源系统接地的接地极上，如图4所示。

由此可知：所有国标认可的供电系统统均有工作接地。

图5 KDR-8D三重保护原理图

2.2 保护接零——可靠的防触电保护措施

如图2所示，将电器外壳与电源零线相连接，称为保护接零。当电器的绝缘损坏时，相线与零线之间呈短路状态，电流很大，将使保险丝迅速熔断，从而消除了危险。另一方面，外壳与零线相接，外壳与零线是同电位，即外壳与大地呈同电位，人触摸到外壳也不会触电。保护接零只能在中线接地的电网中使用，是公认的最可靠的防触电保护措施 。

我国用电环境恶劣，七成以上的家庭用电环境不合格，其中54.2%的家庭无地线或接地不可靠 。无电源接地线是造成电热水器触电的主要原因 。而相对的，《居民用户家用电器损坏处理办法》规定零线断线为电力事故。供电系统中零线断线或连接不可靠的可能性几乎为零。

供电规范中规定，不允许在中线上加装熔断器或开关，并力求提高中线的强度及架设质量：“用于接零保护的零线上不应装设熔断器” 。且中性线断开，电压将升高到约300V，烧坏用电设备，或者使负载中的电压降低而不能正常工作 。

由此可知：根据国家标准对供配电系统的要求及保护接零的方法，证明“用零线作为保护接地”在国家标准认可的范围之内，并且不易断开，确实可行，因此零线的可靠性也远大于用户端接地线。

图6 “二次接地”技术等效电路

3 工作接地（零线）与保护接地的双重应用——“二次接地”技术

3.1 同一系统中零线和地线不能直接连接在一起

如果零线和地线连接，由于地线的接地电阻小于零线的电阻（导线电阻），在正常情况下漏电保护器的电流就会产生不平衡并出现误动作。案例：当打印机电源线插头插到电源插座上时,家中的漏电保护开关就动作,无法使用。起初估计是打印机故障,经检测打印机并不漏电(该台打印机在单位里可正常使用)。然后,检查发现电源线插头(三芯)的地(E)、零(N)线内部短接 。

3.2 “二次接地”技术等效电路分析

以飞羽牌新KDR-8D电热水器为例，“二次接地”与零线连接的接线柱位于出水防电墙的水路中，并且与电源零线相连，如图5所示，其等效电路如图6所示。

3.4 千瓦的加热丝电阻约等于14Ω，案例中采用的加热丝相当于两个7Ω的电阻串联，B点电压约为110V，出入水防电墙根据设计，当水电阻率为1300Ω·cm时，相当于220K的电阻，经过实验测得流经“二次接地”前的最后一道水柱的电流小于5mA，即其电阻约为22K。

由上述等效电路可知：

(1)“二次接地”技术中地线和零线并没有直接相连。

(2)当出现水电阻率突然变化，出入水防电墙失效，且接地线不可靠的情况下，“二次接地”起到保护作用，A点电压约等于0，远远小于人体临界安全电压。

(3)推荐接地保护+防电墙保护+接零保护（“二次接地”）的三重保护的结构设计，此时三重保护同时失效的概率几乎为0。

3.3 零火识别和正确连接

零线火线正确连接能够完全发挥“二次接地”保护技术的防漏电功能。

以飞羽牌新KDR-8D电热水器为例，其运用氖管流经极其微弱的电流用来识别零线火线的特性，在初次安装时，能够通过光、声报警，警示用户火线与零线反接。

以飞羽牌新KDR-7F-3电热水器为例，在初次安装时，若接线时零火反接，蜂鸣器将持续鸣叫，显示面板显示提示代码，机器不能工作。

通过声光报警和使机器不能工作的方式，确保在初次安装时零火线能正确安装。飞羽牌所有电热水器根据标准外接电源线采用固定布线连接方式，故在初次安装正确后，能永久确保零火正确可靠连接。

4 结论

根据国家标准GB 50052-2009《供配电系统设计规范》和GB/T 16895.1-2008《低压电气装置 第1部分 基本原则、一般特性评估和定义》提出的运用零线作为工作接地的“二次接地”防漏电保护技术，依据零线在远距离与电力系统接地点相连的特点，巧妙利用零线的安全性、可靠性（远大于用户端接地），能够在接地失效、防电墙保护失效的情况下，依然防止漏电，保护用户人身安全。而采用接地保护+防电墙保护+接零保护（“二次接地”）三重保护的裸丝加热电热水器，三重保护同时失效的概率几乎为0。

[1]即热式电热水器加热技术之一 裸丝加热技术[J].现代家电.2007(04)

[2]谭文胜.丝加热技术有前景实践更重要[J].现代家电.2012(08)

[3]全国各地区自来水电阻率取样统计表（由宁波索顿飞羽电器有限公司调查统计所得）

[4]GB 50052-2009供配电系统设计规范

[5]GB/T 16895.1-2008低压电气装置 第1部分 基本原则、一般特性评估和定义

[6]黄敏.城市家庭用电环境令人堪忧 家用电器开始关注环境漏电[J].电器.2005(12)

[7]周德林.家用电器漏电现象分析和防触电措施(下)[J].电工技术.1994(05)

[8]逸山.电热水器常见安全隐患[J].科学时代.2004(21)

[9]刘宝林.电气规程规范及标准大全.中国计划出版社.1991

[10]郑楚韬,陈永杰.三相四线制系统零线断线检测及保护研究[J].电气技术.2008(08)

[11]朱毅.由一起地线和零线短接故障谈安全用电[J].电工技术.2000(03)