电热水器整机防火性能试验研究

师宁宁 隋超＊ 蔡想周 刘洋 张丽华 陈中祥

（1.青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司，山东青岛 266101；2.青岛市产品质量监督检验研究院，山东青岛 266101）

随着人民消费水平的提高，家用电器也越来越普及，据2013—2016 年《中国消防年鉴》[1-4]统计，我国年均发生火灾事故36 万起，其中由电器引发的火灾平均占比为29.4%，已经是第一制火原因。因此家电制造商在电器结构设计时必须考虑到如何防止产品内部起火蔓延到外部，减小电器自身起火的比重。电热水器的工作电流一般不小于10 A，属于大功率电器，内部线束多为快接端子连接，快接端子可能因为设计缺陷或者安装人员不规范操作导致产生局部高温引发起火。电热水器的电气室一般与机身右侧的端盖一体设计，其中比较理想的一种设计方式是采用外收口设计，即金属端盖采用多齿扣咬在金属外壳上，这种金属壳体既能有效隔绝氧气进入电气室燃烧又能防止火势外延[5]，然而由于材料成本限制导致这类电热水器市场占比较小。目前市面上电热水器端盖大多采用塑料材质，电气室也大多采用具有一定阻燃性能的EPS、PS、ABS、聚氨酯等材质，这些种类的电热水器的整机防火性能就值得商榷。目前IEC 正在制定关于整机燃烧试验的标准以判定设备内部起火或过热是否会导致设备外部的附着物着火，这项标准发布后将会被IEC TC61 系列标准引用到安全标准中，成为产品在相关地区上市的强制性要求。具体做法是在整机内部潜在燃烧源上实施镍铬丝试验，整机外包裹包装绢纸，看绢纸是否被引燃或烤焦。本文采用我司产品出口某海外地区当地化安全检验规范中的测试方法，对采用EPS、PS 和ABS 材质用做电气室的三类电热水器进行测试，为电热水器生产厂家提供部分测试参考。

1 试验部分

1.1 仪器和设备

试验所需相关的仪器和设备：直流稳压稳流电源、功率表、数据记录器、万用表、秒表、尺子、显示器、热丝、绢布、热电偶、录像机、手电筒等。

1.2 试验准备

首先用尺子测量出要与端子接触的热丝长度，根据热丝的电阻性质，计算与端子接触的热丝的电阻值，并计算出功率达到210 W 时的电流，将热丝按照图1 所示的方式插接到端子最不利的位置。

图1 热丝布线的参考方式

将整理好的端子如图2 所示插接回PCB 板，并将热电偶固定在距离端子起火点附近位置上。注意热丝不得与整机内部其他带电部件接触，以防止形成另外的电流回路，影响测试。

图2 热电偶的固定方式

为方便观察产品内部的燃烧情况，需要准备摄像机将其固定在容易观测的位置记录整个测试过程。在安装过程中为避让走线而破损维修盖的部位应该用铝箔胶带密封，防止因为密闭性不一致而影响测试结果。最后将电热水器复原归位，在可能蔓延出火焰的地方或温度较高的位置表面铺放绢布，如图3所示。

图3 产品表面铺放绢布

1.3 测试方法

为确保安全，整个试验必须在特殊燃烧实验室内进行。给热丝施加2 A 电流持续2 min，然后以每2 min 电流增加1 A的速度增加电流，直到火焰产生或达到210 W 功率时的最大电流。如果样件没有起燃，则持续施加最大电流30 min 或到热丝烧断。如果在样件起燃前热丝电阻下降较大，说明有短路产生，需停止测试，待整理好后重新测试。如果样件起燃，持续施加该电流30 min，除非热丝烧断或火焰蔓延出产品。如果火焰蔓延出产品则立即停止测试，测试不合格，燃烧曲线参考图4，测试过程应记录下烟雾和火焰产生时对应的电流和时间。

图4 强制燃烧测试曲线图

2 结果与讨论

2.1 不同连接元件端子的燃烧现象分析

分别对电源线端子、热断路器端子、继电器端子和加热管导线端子实施镍铬丝试验，并记录下对应的燃烧现象以及电流、电压和时间等参数，结果见表1。

通过表1 可以将端子的燃烧情况归纳为两类，一类是端子在热丝加热过程中始终没有被引燃，如热断路器端子和电源线端子，通过图5 可以看出热电偶感测的温度曲线上升较为平缓,在持续施加最大电流后最高温度为122℃。试验后打开电气室发现仅端子护套被热丝烤化，其他部件未受影响。

表1 不同连接元件端子的燃烧现象

表1 不同连接元件端子的燃烧现象

图5 热断路器端子燃烧曲线

通过图6 得出在给电源线端子加热过程中，热电偶的感测温度曲线上升也较为平缓，但在加热前后出现大幅升温现象，施加最大电流后温度最高为495℃。结合摄像头观测在加热10 min42 s 时出现的烟雾现象，发现此时对应曲线的上升速率也最为明显。试验后打开电气室观测到端子护套被热丝烤化，也将旁边的热断路器壳体烤的明显变形。

图6 电源线端子燃烧曲线

另一类是端子在加热过程中被引燃，如继电器端子和加热管导线端子，通过摄像头观测到在加热过程中有明显的烟雾和火焰产生，通过图7 和图8 可以看出热电偶感测的温度曲线在起燃的瞬间陡然上升，而后随着火焰的熄灭而瞬间下降。试验后打开电气室发现虽然端子护套被引燃，但在护套烧完后残留物紧密的裹附在端子上，没有继续引燃其他部件。

图7 继电器端子燃烧曲线

图8 加热管导线端子燃烧曲线

2.2 不同材质电气室的燃烧分析

从市场上选取各采用EPS、PS 和ABS 三种材质用做电气室的电热水器，对同样部位的端子进行热丝试验，观测端子起火后对不同材质电气室周围的燃烧情况，试验结果见表2。

图9 四类端子的烧损状况

EPS 泡沫电气室在通电加热8 min47 s 时便有白色烟雾产生，随后烟雾变浑浊并大量释放。摄像头观测到此时并没有火焰产生，但热丝周围呈现红色光晕如图10 所示。在加热24 min12 s 时，有火焰产生，如图11 所示，火焰持续40 s后熄灭，铺放在电热水器表面的棉纱未被引燃。试验后打开电气室发现EPS 泡沫已被严重烧损，连同PS 端盖也被烧损，由此可见产生大量烟雾的原因是EPS 泡沫电气室被烧灼，但没有产生火焰。

图10 EPS 电气室产生烟雾摄像头拍摄图

图11 EPS 电气室产生火焰摄像头拍摄图

PS 和ABS 两种材质的电气室在燃烧试验中表现相似，前期有灰白色烟雾产生，在增大电流到一定程度后端子产生火焰，火焰持续时间一般不超过1 min，试验后打开电气室观测，继电器端子的护套都已烧尽，PS 电气室仅最靠近热丝的部位有轻微烧损，ABS 电气室则无烧损现象，铺放在电热水器表面的棉纱未被引燃。

3 结论

试验结果表明采用硬塑壳护套的继电器端子和采用硅胶壳护套的加热管导线端子比采用热缩管护套的电源线端子和热断路器端子更容易被引燃，阻燃性好的护套可以在起燃后短时间内自熄并且燃烧残留裹附在金属插片端子上不会有滴落引燃其他部件。采用EPS 材质的电气室相比于采用ABS 和PS 材质的电气室在端子起火时更容易被烧灼，烟雾的持续时间更长，释放量也更大。另外试验中距离起燃端子越近部件被烧灼的程度也越严重，因此在设计时应该避免端子离可燃部件距离过近。本文采用EPS、PS 和ABS 三类材质用做电气室的电热水器，在上述的强制燃烧测试中火焰都在短时间内自熄，产品表面铺放的绢布没有被引燃，有效阻止了火焰蔓延到机器外部，可见设计合理的电热水器应具有一定的整机防火性能。目前电热水器行业还没有统一的整机强制燃烧测试的标准，厂家可采用类似本文的强制燃烧测试方法进行检验。如果火焰蔓延出机器外部应考虑换用更高阻燃等级的材料，甚至是采用金属包裹的方式，以有效减少火灾发生的几率，提升消费者对电热水器产品的信心。