应用在可燃冷媒空调产品中的继电器安全研究

2018-08-06于丽

家电科技 2018年7期

关键词：冷媒元器件厂家

于丽

YU Li

珠海格力电器股份有限公司检测中心广东珠海 519070

Test center of Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

在空调产品的控制电路中，电磁继电器的应用非常广泛，一般涉及弱电控制强电的电路，如压缩机、风机风挡、四通阀等的通断，都会使用电磁继电器（下文继电器均指电磁继电器）作为开关元器件。R32/R290冷媒作为目前最适用的环保冷媒，各大空调厂家已经在逐步切换使用。性能方面，环保冷媒的切换，不需对空调系统和结构做太大改动即可明显提高能效，节能减排效益显著；安全方面，针对环保冷媒R32/R290易燃易爆特性，安全标准对于继电器这类开关元器件（易发生拉弧，打火等现象）提出了更高的要求。本文以继电器为对象，结合继电器的工作原理及结构特性，从空调标准以及爆炸性气体防护标准两个角度分析继电器的防护要求，可采用的防爆方式，测试要点及实际应用问题解析。本文的相关分析说明也可应用于其他类似的点火源元器件，对空调厂家，继电器及其他空调用点火源元器件厂家有指导意义。

2 空调标准要求分析

在IEC 60335-2-40:2013+A1:2016版本的空调特标中，涉及继电器这类开关元器件(点火源)的安全要求为22.116章节，标准要求可归纳为两方面：

（1）点火源安装在壳体内，标准要求该壳体应：

a. 符合IEC 60079-15:2010中对限制呼吸外壳的要求（测试使用IIA类气体或空调所用冷媒）；

b. 安装在安全区域（安全区域指经IEC 60035-2-40附录FF验证，不会成为可燃冷媒混合气体聚集的区域）。

（2）元器件本身如符合以下要求，则不认为是点火源：

a. 符合IEC 60079-15:2010中第8～19章中对IIA类气体或空调所用冷媒的要求；

b. 通过适用标准证明，元器件适用于IEC 60079-14中定义的2,1,0区使用。

安装在壳体内——这种方式的优点是覆盖面广，不用考虑点火源工作原理，一个盒子可以解决所有问题，大部分点火源都可以采取这种方式。缺点是对壳体的材料，结构要求高，生产工艺复杂耗时长，同时，盒子占用空间较大，现有空调结构难以满足要求，所以空调产品较少使用这种方式。而对于除湿机来说，由于其产品结构单一，可以考虑该方式。

元器件本身满足防爆标准要求——这种方式的优点是通用性非常强，尤其是家用空调，使用的继电器规格基本都是固定的，继电器厂家只要将这几种规格的产品按照上述要求做防爆实验后，基本可以满足各大空调厂家的需求。缺点是将爆炸性气体用设备防护标准IEC 60079系列应用在继电器上，对继电器提出了更多的安全要求，在现有结构不满足时，如何整改将是厂家面对的一大难题。同时标准中可选择的防爆方式过多也会对厂家造成不小的困扰。下面将结合继电器的工作原理及结构，分析适用于继电器的防爆方式。

3 空调用继电器防爆方式解析

继电器如自身满足安规要求，有两个标准可以选择：

（1）IEC 60079-14：爆炸性气体环境第14部分：电气装置涉及、选择和安装

（2）IEC 60079-15：爆炸性气体环境第15部分：“n”型电气设备的结构、试验和标志

IEC 60079-14 针对的是整个电气系统的设计和安装，不仅仅是针对元器件本身，对于家用用途电器来说没有必要，本文不再概述。

IEC 60079-15 适用于无火花电气设备，或产生电弧火花或热表面的部件或电路。该标准的防爆类型是“n”型防爆，指电气设备在正常或一些异常情况下，不能点燃周围爆炸性气体环境。

“n”型防爆包括多种防爆方式，首先要了解继电器的结构以及工作原理，从而选择适用于继电器的防爆方式。

由图1、图2、图3可知：继电器的工作原理是线圈通电，电磁驱动弹片闭合或断开。结合IEC 60079系列爆炸性气体防护标准，继电器可从两个方面进行防护：

（1）弹片处为触点动作，可能会产生电火花，电弧，高温，此处为危险源；

（2）触点在壳体内。

基于上述两点，同时考虑对现有结构更改最少，生产工艺可操作性等实际情况，建议采用封闭式断路装置、非点燃元器件、密封装置三种防爆测试方式。

下面将从这三种防爆方式的定义、测试要求等方面，以继电器为实例，分析防护方向及防护要点，详细的标准要求见IEC 60079-15:2010，本文不详细列举。

3.1 封闭式断路器

（1）定义

有通断电触头的装置，它在进入其内部的可燃性气体或蒸气爆炸时不会损坏，并且也不会将内部爆炸传播到外部可燃性气体或蒸气。

该定义应用到继电器上可以理解为：当继电器壳体进入可燃性气体，继电器的弹片吸合或断开时虽然引爆该可燃气体，但该爆炸不会传播到继电器外部。这对内部结构以及外壳的强度都有较高要求。

（2）测试简析

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a. 预处理：因为空调用继电器都是非金属外壳，考虑使用环境温度对非金属的老化和变形影响，外壳需要经受耐热和耐冷实验（章节22.3.1）的预处理。

图1 空调常用电磁继电器工作原理图

图2带插片和引脚的继电器

图3 仅带引脚的继电器

b. 型式试验——模拟点燃：继电器内部及所在容器内充注标准气体（ⅡA，ⅡB或ⅡC，空调满足ⅡA即可），或者充注空调使用的冷媒，让继电器以最大负载通断电10次，通过内部触点点燃继电器内部气体，观察爆炸是否传至继电器外部来判定符合性。

（3）小结

要满足封闭式断路器的要求，可以通过内部结构配合，以及增强外壳的承压能力来阻止爆炸传播。由于家用空调继电器额定电流小，且考虑实际应用中功率因数cosφ的影响，继电器内部的混合气体很难被点燃（适用于非点燃方式），所以封闭式短路装置的防爆方式很少厂家采用，但对于不满足非点燃方式的产品，可以考虑封闭式断路器的测试。

3.2 非点燃元器件

（1）定义

元器件具有通断规定的点燃电路的触头，其触头结构设计成能使元器件在该电路中不会引起点燃规定的爆炸性气体环境。

该定义应用在继电器上，可以理解为：继电器的触点按照最大负载动作，也不能点燃或引爆爆炸性气体环境。

（2）测试简析

b. 型式试验——模拟点燃：继电器内部及所在容器内充注标准气体（ⅡA，ⅡB或ⅡC，空调满足ⅡA即可），或者充注空调使用的冷媒，让继电器以额定负载动作50次，并重复3次通断电，周围的试验气体不能被点燃。

（3）小结

要满足非点燃的要求，主要是触头的排列来抑制初期火焰，从而防止点燃。对于额定电流较小的继电器产品（10A以下），不做产品更改基本都可以满足该实验，对于较大电流的继电器，可以考虑限定功率因数cosφ，更改触点材料或结构的方式来满足该实验。

非点燃装置和封闭式断路装置实验原理是很相似的，都是通过触点的频繁动作来观察是否点燃标准气体，或点燃后的爆炸传播。结合目前空调使用的可燃冷媒特性，用R32冷媒来测试通过率会大大高于标准气体，用R290冷媒来测试则与标准气体ⅡA相差不大。厂家可根据空调厂家的需求情况针对性的选择测试气体。

3.3 密封装置

（1）定义

其结构在正常运行时不能打开，并且有效密封，阻止外部大气进入。

该定义应用在继电器上可以理解为继电器的外壳有效密封。这种方式仅仅是针对继电器外壳，不用考虑内部结构问题。

（2）测试简析

a. 预处理：因为空调用继电器都是非金属外壳，考虑使用环境温度对非金属的老化和变形影响，外壳需要经受耐热和耐冷实验（章节22.5.1）的预处理以及耐压测试（22.5.2）。

b. 型式试验——泄露实验

方法一：将继电器由（25±2）℃的环境立即浸入（65±2）℃的水中，浸入深度至少25mm, 1min，试验中没有气泡产生，即认为符合要求。

方法二：继电器内部的空气压力减至120mm，Hg（16k Pa），然后浸入76mm的水深中，没有明显泄露既合格。

方法三：如果有其他方式可以证明，在1个大气压（101,325 Pa）的压差下，继电器以每秒不超过10～5毫升空气的速率泄漏，则认为符合要求。

（3）小结

要满足密封装置的要求，仅要做好外壳的防漏即可。目前空调实际使用的继电器基本有两种结构，见图2、图3。图3继电器仅在引脚处存在泄漏风险，但引脚处通常已有密封剂，所以仅有引脚的继电器基本都满足密封装置的实验要求。图2为带插片及引脚的继电器（一般10A及以上继电器会带插片），常用继电器的插片与壳体的结合都会有缝隙，如要满足密封装置的防爆试验，则需要在缝隙处通过密封垫圈方式密封，或使用密封剂（灌胶等）密封，需注意密封剂的温度特性。