安全电压在燃气热水器上的研究

张华平

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

国内现行生产和销售的燃气热水器绝大部分都是使用220 V市电，根据相关燃气热水器产品标准要求，燃气热水器产品所用电源线需要采用带地线的三插头，有可靠的接地线与产品外壳连接，以防止产品内部的带电部件漏电而出现触电事故。由于我国幅员辽阔，区域经济发展不均衡，全国各地用电情况复杂，致使许多用户家里的电源都无接地线，或接地线不可靠，甚至会出现接地线本身带电的情况，极易出现触电事故，严重危害用户的人身安全。在此背景下，本文通过对燃气热水器漏电、触电分析，提出一种全新的燃气热水器电控方案，确保燃气热水器内部电器件均为安全电压，从而有效保障用户的人身安全，全方位提高燃气热水器的安全性。

1 现有燃气热水器电路概述

在我国，现有燃气热水器都是使用220 V市电，而燃气热水器内部主要的用电部件有：风机、控制器、比例阀、水流量传感器、变压器、风压开关、脉冲点火器等，按照燃气热水器现行标准，电源线需要采用带地线的三插头，从热水器外壳引入到热水器内部，地线接到热水器的金属外壳。220 V市电通过电源线输入控制器，其中一电路通过控制器直接将220 V市电供给220 V交流风机，另一电路通过控制器整流或变压为控制器内部、比例阀、水流量传感器、风压开关等供电。因此带市电的部件为风机、控制器、变压器等电器件，而比例阀、水流量传感器、风压开关等用的是低压直流电。综上，现有燃气热水器虽然部分电器件采用了低压直流电，但风机、变压器等部分电器件还是与220 V市电直接连接，所以当燃气热水器内部电器件特别是与220 V市电直接连通的电器件漏电时容易发生触电事故，整机存在比较大的安全隐患，要想提高燃气热水器的安全性，现有电路方案普遍通过在燃气热水器内部设计一根地线来消除漏电隐患，但鉴于我国现有用电国情，部分用户由于用电不规范，甚至出现地线带电的情况。因此要想彻底解决燃气热水器的触电隐患，必须将热水器内部电器件与外部220 V市电进行隔离，并且内部电器件采用安全电压，以此来保证用户在使用燃气热水器的用电安全性。

2 安全电压

根据国标GB 3805-83，其对安全电压有不同的电压值，包括42 V、36 V、24 V、12 V、6 V。理论上讲电压越低肯定是越安全，但是电压越低能耗也就越大，因此在保证安全的前提下，适当提高电源电压有利于降低能耗提高设备效率。然而根据有关规定，当电气设备采用了24 V以上（不包含24 V）的安全电压时，必须采取防直接接触带电体的保护措施，而24 V以下的电气设备允许人体可偶然触及裸露的带电体，另外，国际标准以及几个主要的发达国家的标准，都把25 V以下的带电体，视为非带电部件（如IEC 364-4-41）。因此，安全电压定为24 V是比较合适的。

鉴于此，我们可以将安全电压引入燃气热水器内部，用户在操作燃气热水器过程中，万一有零部件漏电并通过热水器的外壳直接与人体接触时也能确保用户的安全性。

3 安全电压在燃气热水器中的应用

安全电压应用于燃气热水器中，首先需要考虑燃气热水器内部各零部件使用安全合理的电压。燃气热水器用电部件中耗电最大的是风机和比例阀，现有燃气热水器比例阀一般都是采用直流24 V供电，控制器的控制电路部分、水流量传感器、风压开关一般采用直流5 V供电，可以用24 V变压降压提供，上述电器件耗电少，已经满足安全电压的要求；而现有燃气热水器使用的直流风机一般采用直流36 V供电，风机的耗电是最大的，而且风机在静止启动时的启动电流很大，一般电机直接启动时，启动电流是正常工作电流的5～7倍，因此可以提高供电电压来降低电流，而现有的直流风机供电电压为36 V，为了解决供电电压不同的矛盾，有两个方案：第一需要开发24 V的直流风机，第二将24 V升压到36 V，但由于风机的耗电大，变压升压到36 V不但使控制器更加复杂，而且能耗大；重新开发24 V的直流风机可以在36 V基础上更改，并完善风机的启动性能，因此选择重新开发24 V的直流风机为理想方案。表1为本文安全电压燃气热水器与现有普通燃气热水器部分关键电器件电压对比表。

然而燃气热水器内部电器件工作电压满足安全电压的范围只是确保燃气热水器安全使用且不发生触电事故的一个必要条件，虽然热水器整体由24 V供电，但24 V供电电压仍然是由市电提供，如果变压方式还是采用普通自耦式变压器进行降压来供电，降压来的24 V还是与市电220 V连接在一起，仍然是不安全的，因此必须采用安全隔离变压器进行降压：通过至少相当于双重绝缘或加强绝缘的绝缘方式使输入绕组与输出绕组在电气上分开，从而确保输入的24 V是真正的安全电压。而且必须将电源线也不能引入热水器内，防止电源线破损而造成热水器带电，确保热水器的用电安全。

根据上述要求，本项目安全电压型燃气热水器需要在燃气热水器外部增加一个降压模块，该部件即可以将220 V市电转化为燃气热水器所使用的24 V安全电压，同时还能确保燃气热水器与市电隔离，该燃气热水器的电源方案与手提电脑的电源适配器比较相似，但由于使用的场景和用途不一样，还是有很大的区别：手提电脑自带有电池，电源适配器一般在电池无电的时候才用，充满电后一般不再插电，而热水器一般不带有电池，就靠电源适配器供电工作，插电后一般不会关电，基本上连续长时间通电的，或者一直在通电，对电源适配器的待机功耗和稳定性要求高；手提电脑一般在起居室内使用，使用环境较好，而热水器的使用环境十分恶劣，可能安装在浴室、阳台、厨房、户外等，要适应的温度范围大大提高，而且会有水会淋到电源适配器上，防水等级要求高；手提电脑的外壳一般是塑料的，本身是绝缘体，漏电触电的可能性很低，而热水器的外壳一般是金属的，零部件带电后会导致热水器带电，对电源适配器的防漏电触电要求更高；手提电脑有电池缓冲，电源适配器工作时的电流不会很大，热水器的风机起动时电流很大，对电源适配器的冲击较大，对电源适配器的要求更高；手提电脑与电源适配器的连接为方便使用，要求可拆开，而热水器需要一直连接在一起，而且产品标准要求电源软线应有固定装置，其固定装置应使导线在接线端处免受拉力和扭矩，并保护导线的绝缘免受磨损，因此，电源适配器与热水器的连接必须连接好，经受得起标准要求的拉力和扭矩的检验。表2为安全电压燃气热水器适配器与现有普通燃气热水器适配器差异对比表。

表1 安全电压燃气热水器与现有普通燃气热水器部分关键电器件电压对比表

表2 安全电压燃气热水器与现有普通燃气热水器适配器差异对比表

图1 16 L安全电压燃气热水器整体方案

4 结语

根据上述分析，以16 L安全电压燃气热水器为例，其整体方案设计如图1。

整机额定电功率30 W，配电源适配器输入85～245 V，输出24 V，额定功率60 W，热水器内的部件：风机24 V，额定输入功率30 W，气控系统24 V，控制器控制电路、水流量传感器和风压开关5 V，脉冲点火器12 V；电源适配器采用全密封结构，包括电源引线和输出线，输出线与热水器连接采用螺钉固定，经受得起标准要求的拉力和扭矩的检验；内部采用安全隔离变压器，确保安全隔离市电，杜绝漏电触电，采用的元器件可短时间承受2倍以上的额定电流冲击；控制器控制风机启动时采用软启动，降低风机启动电流。

本项目提出的安全电压燃气热水器整机电控方案，确保燃气热水器内部电器件均为安全电压，对燃气热水器与外部市电进行安全隔离，有效保障用户的人身安全，全方位提高燃气热水器的安全性。