空气净化模块的安全性分析与探讨

丘珊珊 李荫珑 陈信勇

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

1 常用净化装置简析

一般家用净化器净化方案的实现方式主要有：HEPA网、IFD、负离子发生装置等。

采用单一HEPA网净化的方式，净化性能稳定，可靠性及安全性较高，但采用单一HEPA网净化，HEPA网净化效果在一定程度内与风量成正相关，如果采用贯流风叶，风量本身较离心风机小，又因家用空调对噪音要求较高，循环风量不可能太大，这就使得采用单一HEPA网的方式净化效果受到限制。而且HEPA网风阻较大，对空调制冷制热性能影响较大；容尘量限制等因素导致净化性能衰减较快，需定期更换。

IFD净化方式：IFD材料原理与静电集尘技术相似，即利用高压电压形成的强电场吸附PM2.5颗粒，PM2.5等粉尘颗粒带电后从除尘模块经过，在电场的作用下带电颗粒就被吸附在除尘模块上，收集于微间距阵列的强电场孔道中，达到去除空气中PM2.5颗粒的作用。IFD净化方式风阻小，循环风量大，净化效果较好，兼顾了空气净化性能及空调本身的制冷制热性能。但IFD模块在分体机上实现对结构要求较高，另外安全性亦不如物理过滤方式。

负离子发生装置单独使用时，净化效果不明显，一般搭配HEPA网一起使用，其与HEPA网搭配后的净化效果并非简单的代数相加，而是能起到互相增益的效果。

高压静电除尘[1][2]是应用得最广泛的一种，它有四个过程：（1）电晕放电；（2）尘粒荷电；（3）带电尘粒从气体中分离；（4）整打清灰。

2 标准要求分析

部分净化模块输入电压虽然为低电压，但峰值电压实为高电压。依据GB 4706.1-2005、IEC 60335-1《家用和类似用途器具的安全 第一部分：通用要求》第8.1.4条款的要求[3]，如果易触及部件为下述情况，则不认为其是带电的：

——该部件由安全特低电压供电，且

对交流，其电压峰值不超过42.4V；

对直流，其电压不超过42.4V。

或

——该部件通过保护阻抗与带电部件隔开。

在有保护阻抗的情况下，该部件与电源之间的电流：对直流应不超过2mA；对交流，其峰值应不超过0.7mA；而且：

——对峰值电压大于42.4V小于或等于450V的，其电容量不应超过0.1μF；

——对峰值电压大于450V小于或等于15kV的，其放电量不应超过45μC；

通过对由额定电压供电的器具的测量确定其是否合格。

应在各相关部件与电源的每一极之间分别测量电压值和电流值。在电源中断后立即测量放电量。使用标称阻值为2000Ω的无感电阻来测量放电量。

注1：测量电流的电路见GB/T 12113 (idt IEC 60990)的图4。

注2：电量是通过记录在电压/时间曲线中的总面积计算得出，面积求和时不考虑电压极性。

基于以上带电部件的标准定义，可以从净化模块的内部元件组成以及供电方式进行判定。

（1）是否由安全特低电压供电，对交流，其电压峰值不超过42.4V；对直流，其电压不超过42.4V。通过该模块的供电方式可以初步判定。

（2）该模块是否通过保护阻抗与带电部件隔开，根据GB 4706.1-2005[1]的22.42的要求，“保护阻抗应至少由两个单独的元件构成，这些元件的阻抗在器具的寿命期间内不可能有明显的改变。如果这些元件中的任何一个出现短路或开路，则8.1.4中规定的值不应被超过”。对于该要求，可以通过分析该模块的电路图以及实物来判定，另外条件允许情况下，可以对失效其中一个阻抗元件的模块进行测试，来判定是否超过8.1.4中规定的值。

（3）对实物的爬电距离、电气间隙进行判定。考虑相应的PCB板材、工作电压以及污染等级，判定该模块是否满足标准要求。

3 放电量测试

3.1 放电量测试方法

结合标准，可以搭建如图1示的测试电路。

其中，依据标准要求R采用的是2000Ω无感电阻，指的是2000Ω金属膜电阻。如果是容性电阻，则电量测试结果偏小，如果是感性电阻，则电量测试结果偏大。

测试步骤：

（1）确保测试条件：测试环境：23f2℃；电源：额定电压±1%，频率±1Hz（优选稳压电源或变频电源）。

（2）闭合开关S，使模块处于稳定运行状态。

（3）断开开关S，立即合上开关K同时立即观察示波器图像以及对放电曲线进行捕捉。

（4）根据q=∫Udt/R，对捕捉到的放电曲线利用示波器自带的积分功能进行积分，求出该过程的放电量q，见图2。

其中：

q=∫Udt/R/R=124.8mVs/2000Ω=62.4μC

将计算得到的放电量q与标准条款进行对比，即可判断符不符合标准要求。

3.2 放电量计算

放电量测试结果的准确性受以下因素限制：

图1 测试电路

图2 积分后的图形曲线以及数据

图3 间隔为10.9ms

图4 间间隔为10.9ms的积分图形及数据

①模块属于高压发生器，需要示波器用到高压探头。当用100:1的探头去测量，电压读数会比较准确，但同时该探头的阻抗比较小，造成分流损失的电流比较大；当用1000:1的探头去测量时，电压读数的准确性较前者差，但该探头的阻抗较高，造成的分流损失较小。综合来看，由于示波器测试导致的不可避免的实验偏差是存在的。

图5 间隔为20.9ms

图6 间隔为20.9ms的积分图形及数据

图7 放电能量测试波形以及数据

②对于同一个模块、同一工况，断开开关S到合上开关K的时间间隔的长短会直接影响到放电量的多少。

图4中：

q=∫Udt/R/R=81.38mVs/2000Ω=40.69μC

图6中：

q=∫Udt/R/R=78.25mVs/2000Ω=39.13μC

图3、图4、图5、图6，可以看到断开开关S到合上开关K的时间间隔的长短会直接影响放电量的大小，故对于标准的“立即”的理解以及实验设备的灵敏度都会造成放电量q的偏差。

鉴于实验测试结果存在偏差，我们可以通过理论计算来提供参考保障。根据：

电量q=CU（C为电容量，U为电压）

可以根据模块的电路图以及模块里面元件的参数来计算出高压端的电容量C，计算过程中需要考虑到电容的串并联的算法以及二极管导致的不同通路，避免电容量的计算错误，得到高压端的电容量C后与高压端的U相乘即可得到放电量q。

由于模块里面元件的参数只是标称值，并不是实测值，存在偏差，故理论计算得到的电容量C存在偏差，所以最终计算出的放电量q也存在偏差。但可依据电容C的上偏差，计算出放电量的最大值。将计算得到的放电量q与标准条款进行对比，即可判断符不符合标准要求。

4 放电能量测试

对于超过15kV的器具，还要依据GB 4706.45-2008/IEC 60335-2-65《家用和类似用途器具的安全 空气净化器的特殊要求》[4]：峰值电压高于15kV时，其放电能量不应超过350mJ。对于仅在清洁或使用者维护保养时拆卸盖子后成为易触及的带电部件，其放电在拆下盖子2s后测量。

W=E=0.5qU=0.5CU2

q=CU

q=∫Udt/R/R

所以，W=0.5∫Udt/R*U/R

将放电量测试过程中捕捉到的波形按照上述公式进行积分。即可得到图7的波形和数据。再将积分后的数值除以R，即可得到放电能量W。

W=0.5∫Udt/R*U/R=37.56V2s/2000Ω=18.78mJ

把计算结果与标准条款对比，即可判断是否符合标准要求。

5 总结

对于净化空调上的净化模块的安全性分析，不仅仅要考虑空调的通用标准，还要考虑到空气净化器的特标。同时，由于测试过程中存在不可避免的实验误差，需要结合理论计算来保证实验测试的可靠性。通过对净化模块基本结构的对标分析、放电量、放电能量的实验测试以及理论计算，综合起来考虑，才可以对净化模块的安全性作出较为准确的判定。