由光伏电源与市电源双电源供电的热水器电气安全结构分析

陈常山 岳洪霞 金宁 单青

CHEN Changshan1 YUE Hongxia1 JIN Ning1 SHAN Qing2

1.山东省计量科学研究院 山东济南 250014；2.山东力诺瑞特新能源有限公司 山东济南 250103

1. Shandong Institute of Metrology Jinan 250014; 2. Shandong Linuo Paradigma Co., Ltd. Jinan 250103

1 引言

随着光伏等清洁能源技术的发展和普及，市场上开始研发一些能同时使用光伏电源和市电源供电的电热水器及太阳能电热水器（以下简称为双电源热水器），以实现节能增效。本文依据储水式热水器的安全标准GB 4706.12-2006《家用和类似用途电器的安全 储水式热水器的特殊要求》；GB 4706.1-1998《家用和类似用途电器的安全第1部分：通用要求》，结合小型光伏电源供电设施的实际情况，对这类双电源热水器的安全结构进行分析和探讨。

2 双电源电热水器的结构

图1中描述了一种可由市电源和光伏电源双路电源供电的双电热管热水器结构，市电源为220V～，使用电源插头连接，光伏电源是直流36V小功率发电系统，使用接线端子连接。对于双电源连接，安全标准第7.2条要求：用多种电源的驻立式器具，其标志应有下述内容：“警告：在接近接线端子前，必须切断所有的供电电路。”此警告语应位于接线端子罩盖的附近。所以，图1中的光伏电源连接端子及市电源接线端子附近均须有上述警告语。

安全标准第25.2条要求：“用于多种电源的驻立式器具可以装有一个以上的电源连接装置，只要各连接装置间的电气强度试验（基本为正弦波，频率为50Hz或60Hz，1250V的电压，施加在各电源连接装置之间，持续1分钟）不出现击穿”；图1结构的双电源热水器须满足本条要求，即在光伏电源电路与220V～市电源电路之间须通过1250V/1min的电气强试验，需要注意的是要确保电气强度试验电压施加到光伏电源电路与220V～电路的所有绝缘上（例如各继电器、开关控制电路及其控制的电热元件等）。

但双电源热水器除了满足第25.2条的要求外，还应考虑当光伏发电系统是安全特低电压电路（导线之间以及导线与地之间电压不超过42V，空载电压不超过50V）的情况下与市电源之间的安全隔离，在这种光伏发电系统中往往存在易触及导电部件，并给同单元的照明、通信等其他设施和电路供电，因此，为保证安全，图1所示的双电源热水器结构中，双电源连接装置及其电路之间还需要达到双重绝缘或加强绝的要求，才能满足安全标准第8.2条的要求：“…只允许触及到那些由双重绝缘或加强绝缘与带电部件隔开的部件”。

图1所示结构的双电源热水器使用两个独立的管状电热元件，通过相应的控制电路分别与市电源及光伏电源连接，两管状电热元件及其连接的电路之间应达到双重绝缘或加强绝缘的要求。该双电源热水器的控制电路如图2。

3 双电源热水器的控制电路

图2所示的双电源热水器控制电路中，“控制器电路”接收水温传感器信号、进水口水流量传感器信号等，通过继电器和功率调节电路分别控制市电加热管和光伏加热管的工作。

市电源与光伏电源以互为备用的方式同时输入“VC电源电路”，以保证无论在仅有光伏供电或仅有市电源供电的情况下，“VC电源电路”仍能为“控制器电路”和“功率调节电路”提供正常工作的电源电压。需要注意的是电源电路内部结构设计上，市电源通过安全隔离变压器与光伏电源及其电路实现安全隔离。

内部连接：双电源热水器内部电气部件较多，电气连接复杂，内部线连接方式多样：压接、锡焊连接、快插端子连接、螺钉连接等方式会同时存在。压接或锡焊连接的导线应在连接点附近提供附加的固定措施以夹紧多芯绞线的绝缘层和导线，螺钉连接的导线应有锁紧垫圈，必要时在内部线和易触及金属部件之间增加附加绝缘，保证双电源热水器的内部电气结构上，从电源输入端子、内部布线、内部线端子的固定、安全关键部件的结构（例如继电器结构，热断路器结构等）及元件的安装固定等方面，满足光伏电源及其相关元件与市电源及其相关元件之间的隔离符合安全标准要求，达到双重绝缘或加强绝缘的要求，同时符合安全标准第22.31条要求：“…，如果任何的电线、螺钉、螺母或弹簧变松或从原位置上脱落，带电部件和易触及金属部件之间的爬电距离和电气间隙都不应减小到低于第29章中对附加绝缘的规定值”。

功率调节电路的作用是调节光伏电加热的加热功率、电流，以适应和匹配小功率光伏电源不太稳定的负载能力，提高光伏电源的利用效率，并防止小功率光伏电源因过载而导致无法正常工作或损坏。其基本原理是，当检测到光伏电源负载能力及输出电压正常时，则器具的光伏电加热管以较大功率工作；当检测到光伏电源负载能力较小，输出电压过低时，则降低光伏电加热功率和加热电流，直至光伏电源负载能力恢复正常。

浪涌保护电路：受雷电影响，接触户外的光伏电源系统中容易产生浪涌电压，所以图2所示的控制电路中，光伏电源输入端增加浪涌护电路，抑制浪涌电压对控制电路的干扰。

双电源热水器的工作模式：图1所示结构的双电源热水器可以实现多种加热模式：市电源与光伏电源同时加热；用水状态时市电源加热，保温状态时光伏电源加热（通过进水口处的水流量传感器判断用水状态）；市电源单独加热或光伏电源单独加热（双路电源互为备用）。

图1一例双电源热水器结构

图2双电源热水器控制电路

图3双电源热水器控制电路

4 非正常工作的保护

当非正常工作时（例如温控器失效），图2电路中的热断路器HT1、HT2动作保护，需要注意的是：在非正常工作保护元件的结构设计上，要保证热断路器HT1、HT2联动断开保护，即无论双电源热水器工作在哪种模式，当发生非正常工作故障时，热断路器HT1、HT2都必须同时断开，以保证同时切断市电加热管电源和光伏加热管电源，防止危险的发生。

例如：如果图2电路中的热断路器HT1、HT2不是联动断开的，而是相互独立的，当器具在市电源加热模式下非正常工作时（例如温控器失效），导致图2电路中热断路器HT1断开，切断市电加热管电源，器具停止加热；此时如果HT2没有断开（例如因热断路器HT1、HT2感温位置的差异，感温元件的容差、某一时刻工作电流差异等因素导致），当用户切换到光伏电源加热模式时，光伏电加热管可能会继续工作，从而延长非正常工作的时间，导致器具内温度进一步升高而产生危险；同理，器具以光伏电源加热模式非常工作时的情况也是这样。因此图2中使用能联动断开的双路热断路器。

联动断开的双路热断路器结构：除了图2中所示专门设计的双路热断路器外，还可以使用1个小型非自复位热断路器来控制2个全极断开的继电器的方法，具体电路见图3。

图3中使用1个小型自复位热断路器HT来控制2个双触点继电器JJ1、JJ2的动作，实现热水器非正常工作时市电源与光伏电源的联动切断。根据安全标准第22.105条，对于设计与固定布线的连接的器具，其中性线不要求断开，所以对于单相供电的热水器，当电源是连接到固定布线时，继电器JJ1、JJ2可以使用单触点的。

5 单电热管的双电源供电电路结构

以上分析了双电热管热水器的双电源供电电路结构。当采用单电热管结构时，为了实现市电源与光伏电源之间的安全隔离，而又不对市电网产生干扰，笔者认为在电路结构设计上，需要首先对市电源电压进行安全隔离变换后再给电热管供电，这时需要设计一个有安全隔离结构的大功率开关电源，而不仅仅使用半导体整流电路。相较于双电热管结构，尽管热断路器结构简单一些（仅使用单路热断路器），但单电热管结构需要增加大功率变换电路，这会增大电路损耗；大功率隔离变换电路安装在热水器壳体内时，还需要重点考虑元件的散热问题。

对于单电热管热水器的双电源供电电路结构，在本文中不再进一步分析。

6 小结

同时使用光伏电源和市电源供电的热水器，在安全结构设计上应把光伏电源作为安全特低电压对待，光伏电源与市电源之间应达到双重绝缘或加强绝缘的要求，从电路变换，内部线连接、固定，元件的结构、布置等方面充分考虑；双电源热水器发生非正常工作时，其双路热断路器应联动断开；双电源热水器使用双电热管结构时较易实现；双电源热水器控制电路的设计应考虑多种工作模式，并考虑自动适应和匹配光伏电源的负载能力。