多加热元件电热水器热断路器的设置案例分析及改进措施

2015-07-09陈常山吕惠政段华

家电科技 2015年1期

陈常山吕惠政段华

(山东省计量科学研究院电器安全检测部山东济南 250014)

1 引言

大功率电热水器在家用和商用中占有一定的份额，常见此类电热水器的功率小则5000W，大则在15kW至30kW以上。普通电加热元件以管状加热元件为例，受元件的尺寸和表面负荷的限制，单只电加热元件的认证功率常在4000W至6000W之间。因此，目前大功率电热水器的电加热部分一般由多只电加热元件构成，如果电热水器的整机功率是30kW，需要使用6只功率为5kW的电加热元件，并以一定的间距分布安装在水箱上。在这种情况下，作为非正常工作的重要保护元件——热断路器的安装位置、数量以及对电热元件的控制方式都会影响电热水器的安全性能，不合理的设计会产生安全隐患且无法通过安全测试。

2 多加热元件储水式电热水器热断路器的设置案例

一多电加热元件的储水式热水器及电气控制原理图简化如图1所示，6个电加热元件R1~R6分别安装在图1中所示位置上，图1所示的电气控制原理图可实现三种电加热工作方式：仅R1、R2、R3工作；仅R4、R5、R6工作；以及R1~R6同时工作。

热断路器的设置有以下几种方案：

（1）仅选择一个电加热元件（例如R1）在其上设置一个热断路器。在非正常工作状态热断路器动作时，切断所有电加热元件的电源，从而起到保护作用。这样类似单电加热元件的热水器设置热断路器的方法，但对于图1所示的多电加热元件的热水器来说，当电加热工作方式为“仅R4、R5、R6”时，按GB 4706.1-1998，GB 4706.12-2006标准第19.2条、19.3条试验时，因R4、R5、R6元件上及其附近无热断路器保护，不能及时切断电源，在干烧状态下，同时工作的R4、R5、R6元件周围在短时间内累积大量热量，极易导致危险发生，这些危险情况包括：热水器外壳加强绝缘变形失去防护作用、电热元件外壳烧坏使基本绝缘失效导致电加热元件漏电等。

除此之外，在19.11条电子线路故障试验中，当三极管P2短路时，电加热工作方式为“仅R4、R5、R6”时，也会因为R4、R5、R6元件上及其附近无热断路器保护，不能及时切断电源导致上述危险。

（2）在R1~R6每只电加热元件安装位置上各设置一个热断路器，任何一个热断路器动作时都切断所有电加热元件的电源。这是一种理想方案，热断路器的安全保护动作性能不受任何一只电加热元件安装位置的影响，只要合理选择热断路器的动作参数和安装结构即可，例如可选择压力式热断路器，感温探头插入焊接在电加热元件或水箱壁上的盲管内，动作温度92℃等。

但当电加热元件较多时这种方案在现实中就很少采用，主要原因为：热断路器数量较多时，会占用较多的安装空间，难以实现；电气控制线路上增加了较多的接点，降低了可靠性和稳定性；内胆壁上需要较多的插入盲管，增加了加工难度和因盲管故障导致内胆水泄漏的风险；成本原因。

（3）在实际测试中，R2、R5处于中心位置且周围温度较高，在R2、R5处各设置一个热断路器，是一种可行而安全的方案。如图2所示。2个热断路器HT1、HT2串联接入控制电路中，在非正常工作状态任一个热断路器动作时，都切断所有电加热元件的电源，从而起到保护作用。避免了本例方案（1）中所述危险情况的发生。

3 多加热元件快热式电热水器热断路器的设置案例

一例多电加热元件的快热式热水器结构及电气控制原理图简化如图3所示，电加热元件使用水平并列安装的6个金属膜石英玻璃管R1~R6，在每个电加热元件上各安装一个热熔断体作为热断路器，热熔体FT1~FT6分别串联在R1~R6的供电线路上。

从表面上看，每个电加热元件都具有非正常工作的保护元件，但按GB 4706.1-2005、GB 4706.11-2008标准进行第19.4条测试时发现，该结构及控制电路往往无法快速切断所有电加热元件的工作电源，延长了非正常工作的时间，并最终导致超温、容器破损等危险情况的发生。这是由于某些位置温度较其它位置要高（例如处在中心位置的电加热元件），这些位置的热熔断体首先达到熔断条件而熔断后，切断了部分电加热元件的电源，降低了其它热熔断体周围的温度，从而延缓了其它的热熔断体的熔断时间并导致危险发生。

改进方案如图4所示，改进的电气控制原理图中，热熔断体FT1~FT6串连在控制电路中，任何一个热熔断体熔断后，都能够瞬间切断所有电加热元件的电源电路从而避免上述危险情况的发生。

在图4的方案中，可根据热水器的实际结构，仅选择处于中心位置且周围温度较高的R3、R4元件附近安装热断路器，这样可以减少热断路器的数量，减少电路接点，在充分保证安全的同时，提高整机的工作稳定性。