家用热水器使用安全研究

2022-01-13黄凯敏柯学王平魏建中郝珊

电子产品可靠性与环境试验 2021年6期

黄凯敏，柯学，王平，魏建中，郝珊

（1.广东产品质量监督检验研究院，广东，广州，510670；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 511370）

0 引言

随着科学技术的发展及人们生活水平的提高，越来越多的智能电器进入了人们的日常生活，其中主要用作洗浴的家用热水器，已经成为家庭不可缺少的电器。据相关资料统计，目前家用热水器（包括燃气、电能和太阳能等）在中国城镇家庭中的普及率已达到70%以上，成为继彩电、冰箱、洗衣机和空调之后的第五大家用电器。

目前市场上的家用热水器琳琅满目，因使用问题产生的安全事故不胜枚举。所以，人们在挑选心仪产品的同时，不应只着眼于产品的形式及美观，更应着重地考虑产品的使用安全。为帮助消费者更好地了解在使用家用电热水器过程中存在的安全隐患及注意事项。作者依据其工作形式及原理，对市场上众多的家用热水器进行了大致分类，并通过实例对家用热水器的安装使用、用电环境等方面的安全性进行了深入的分析与研究。

1 目前市场上流行的家用热水器品种

1.1 燃气快速热水器

家用热水器又被称为燃气热水炉，是指以燃气作为燃料，通过燃烧加热方式，将热量传递到流经热交换器的冷水中，以制备热水的一种燃气用具[1]。燃气热水器主要是由阀体总成、主燃烧器、小火燃烧器、热交换器和安全装置等组成，还包括烟道式热水器的烟道、强排式热水器的强排装置等。家用燃气热水器经历了直排、烟道、强排、平衡、户外式等阶段，每步都是一次技术突破，都是在洗浴“安全”和“舒适”上的进步。其中，直排式热水器到2000年6月完成了历史使命，被国家强行禁止销售、使用；燃气热水器执行标准也经历了“86、94、2001及2015”等，每次标准的更新，都标志着燃气热水器的设计和制造水平上了一个新的台阶。

燃气型热水器是曾经占领热水器市场的主流热水器，其优点是即开即用，等待时间短，而且安装方便、简单易用；缺点是在使用时会产生一氧化碳，存在一定的使用安全隐患，严重时，可危及人身安全。

1.2 储水式电热水器

家用储水式电热水器是指以电作为能源将一定容积的水进行加热的热水器。储水式电热水器又分为敞开式和封闭式，按照安装方式可分为壁挂式（横式）和落地式（竖式）热水器。家用储水式电热水器具有安装方便、出水量大和水温稳定等特点；但传统的储水式电热水器存在加热速度慢、等待时间长和耗电量大等缺点，另外长期使用，内部零件容易老化，存在因绝缘失效而导致漏电的安全隐患[2]。

1.3 即热式电热水器

即热式电热水器（亦被称为快热式电热水器）一般需较大的电流，即开即热，水温恒定，制热效率高，安装空间小。即热式电热水器又可以分为淋浴型和厨用型（也被称为小厨宝）等。其优点是：即开即热、省时省电、节能环保、体积小巧和水温恒定等[3]，优质的即热式电热水器核心的即热式电加热器技术非常关键，它决定着热水器的性能、安全；缺点是：功率比较大，供电线路要求高，电源线路要求至少2.5～5 m2以上，使用久了存在因绝缘失效而导致漏电的安全隐患。

1.4 太阳能热水器

太阳能热水器[4]是将太阳光能转化为热能，将水从低温加热到高温的加热装置。太阳能热水器按结构形式分为真空管式和平板式，真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱和支架等相关零配件组成，把太阳能转换成热能主要依靠真空集热管，真空集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而得到所需的热水。太阳能热水器属高科技产品，其系统保温性能好，蓄热能量大，保温水箱有蓄水功能，可满足大批量人员集中使用热水。但太阳能热水器长时间日照才能把水晒热，温度不稳定，使用舒适性差。目前太阳能热水器为了在日照不足天气也能有热水，基本都采用了“光电互补”技术，也就是在太阳能热水器上再增加一个“电加热器”。

1.5 空气能热水器

空气能热水器[5]（也被称为空气源热泵热水器）是把空气中的低温热量吸收进来，经过介质气化、压缩机增压升温，再通过换热器转化给水加热。空气能热水器利用压缩后的高温热能加热水温，具有高效节能的特点，克服了太阳能热水器依靠阳光采热和安装不便的缺点。由于空气能热水器的工作是通过介质换热，因此其不需要电加热元件与水直接接触，也防止了燃气热水器有可能爆炸和中毒的危险，更有效地控制了燃气热水器排放废气造成的空气污染。但该产品存在环境适应性问题，其热量来源于周围空气。在环境温度比较高的南方，空气能热水器往往有上佳的表现；而在冬季气温（-10℃）时，甚至气温更低的北方城市，空气能热水器很难达到设计中预想的效果。

2 家用热水器使用的安全性

2.1 燃气热水器

燃气热水器可以分为直排、烟道、强排、平衡和户外式等。其中，直排式热水器于2000年6月被国家强行禁止销售、使用，市场上使用的大多为烟道、强排、平衡和户外式等。一氧化碳的排放与燃气的泄漏成为使用安全的重点，随着人们安全意识的提升，大多数人都知道了燃气爆炸及“煤气中毒”的危害。据相关部门统计，目前发生燃气热水器安全问题最多的却是触电相关安全事故，其主要原因是由于强排的排风扇或者智能控制功能，均需要使用交流电源供电（热水器外壳或淋浴金属管道与电源保护地线相连），如果用电环境安全方面出现问题，很容易造成触电事故的发生。

2.2 电热式热水器

家用储水式电热水器和即热式电热水器都是利用电能作为能源将冷水直接进行加热。虽然目前市面上的电热水器普遍都采取漏电保护、防电墙等安全措施，但若使用不当，同样存在用电方面的安全隐患。

式(12)中：α为显著性水平；Dmin为某方向上目标船到周围船舶的最小距离；f(x)为某方向上周围船舶到目标船最近距离的概率密度分布函数；D为某方向上显著性水平为α时距目标船的距离。

2.3 太阳能热水器及空气能热水器

太阳能热水器虽然主要能源为太阳能，但其往往具有复杂的电气控制系统，也需要使用交流电源；空气能热水器主要还是利用了电能源，同样会使用到交流电源。只要使用交流电源供电（380 V/220 V），就会存在热水器金属外壳或淋浴金属管道与供电电源保护地线相连的问题，如果出现保护接地故障等用电安全方面的问题，也容易造成触电事故发生。

3 家用热水器使用的用电环境

无论是燃气热水器、电热水器、太阳能或空气能热水器等，只要使用到交流电源（380 V/220 V），其用电安全性问题就不容小觎。在选择上述热水器时，除应注重品质外，其安装使用环境的安全性也尤为重要，用电的安全保护措施是最后的生命安全保障。目前，热水器常用的用电安全保护措施有防电墙、接地保护、漏电保护和等电位联结等，下面具体阐述其安全保护原理及存在的安全隐患问题。

3.1 防电墙的保护原理及应用

防电墙[6]是“水电阻衰减隔离法”的一种简称，利用水本身所具有的电阻（如国标规定自来水在15℃时电阻率应大于1 300Ω.cm），通过对电热水器内通水管材质的选择（绝缘材料），管径和距离的确定形成安全“隔电墙”。当电热水器工作时，加热内胆的水即使带电，也会在通过“隔电墙”时被水本身的电阻衰减掉而达到将电隔离的目的。

采用“隔电墙”技术不仅可以阻隔电热水器本身可能产生的漏电，也可以阻隔因地线带电而对淋浴者带来的安全威胁。这种“隔电墙”技术虽然具有一定的安全保护作用，但在实际应用中如果使用不当，同样会造成人员的伤亡事故，下面通过一个实际案例进行说明。

2015年8月×日，受害人在东莞市某镇的住处使用某品牌“电热水器”的过程中触电受伤，当日被送往医院急救，后因救治无效死亡。现场勘查，涉事楼宇的一楼厅内墙壁上装有该房屋的配电盒，盒内装有4个1位断路开关，其中1个开关控制事发卫生间的供电，未见配置漏电保护开关。事发卫生间正对房门的墙上安装有涉案“电热水器”（如图1所示），电热水器下方装有水龙头、金属管道及花洒，热水器右侧墙上装有电源插座（如图2所示）和一个冷热水型家用增压泵（如图3所示）。

图1 事发卫生间及“电热水器”

图2 电热水器使用的电源插座

图3 与电热水器金属花洒连接的增压泵

涉案“电热水器”及增压泵共用一个电源插座，分别连接在插座的两个三插上，该插座内未见连接保护接地线，但两个三插的接地端相通。测量该插座火、零线间电压约为220 V～，将电热水器的插头插入插座通电后，测量电热水器的金属水管及花洒，未见带电现象；但将增压泵插头也同时插入该插座后，再次测量电热水器的金属水管及花洒，出现带电现象（如图4所示）。

图4 电热水器金属管道及花洒带电

经对“电热水器”检测发现其2组发热管中，有1组发热管出现对接地金属部件漏电故障。但由于该电热水器装有“防电墙”，在单独使用该热水器时，漏电被“防电墙”安全隔离，因此其金属管及花洒不带电；但当连接增压泵时，增压泵的金属外壳通过金属水管连接到了该“电热水器”的水龙头、金属管和花洒上。因该“电热水器”故障产生的漏电通过接地线传导到插座的接地端，并通过插座的接地端传导给了增压泵的金属外壳，再由增压泵的金属外壳传导到金属水管和花洒上，因此发生触电事故。这个事故说明该“电热水器”的漏电绕过了“防电墙”，通过保护接地线传导到金属管道和花洒上。

3.2 接地保护的原理及应用

当前我国现行的低压配电网络最常用的是单相、三相混合供电方式，即三相四线制（380 V/220 V）配电。在这种电网中，凡由于绝缘破坏或其他原因而可能呈现危险电压的金属部分，除另有规定外，均应良好接地!保护接地[7]的原理就是将电气设备不带电的金属外壳与接地体之间作良好的金属连接，使接地装置与人体构成并联电路，降低可接触点（触电点）的对地电压，避免对人体触电的伤害。为了保障安全用电，大功率的家用电器通常设计为“Ⅰ类电器”（带接地保护端子）。如果将电器设备做了接地保护，则出现单相接地短路或漏电故障时，会在线路中产生较大的短路电流或漏电电流，可使上端保护器件（断路器或漏电断路器）动作脱扣，自动切断故障线路电源，从而可避免电器设备漏电状态运行时对人身（或设备）构成的威胁。

在三相四线制供电系统中，通常用户的保护接地装置需要单独制作。接地装置由接地体和接地线组成，直接与大地土壤接触的金属导体被称为接地体，用电设备需接地点与接地体连接的金属导体被称为接地线。通常规定“接地电阻不宜超过10Ω”，一般家庭常用的空气开关的额定电流为30～100 A，即使发生接地漏电故障，其漏电流在20～60 A之间，通常的空气开关不会因此跳闸保护（短路除外）。因此，保护接地的作用通常是降低漏电点的电位和在产生漏电流时使漏电保护开关及时地跳闸。

3.3 漏电保护装置的原理及应用

标准JGJ 16—2008中规定“每幢住宅的总电源进线断路器，应能同时断开相线和中性线，应具有剩余电流动作保护功能”[8]；标准GB 50096—2011第8.7.2条第6款“每幢住宅的总电源进线应设剩余电流保护或报警装置”、第8.7.3条“电源总开关应断开相线和中性线”。由此可知，用电设备单靠保护接地还明显地存在不足，必须加装漏电保护装置才是生命及财产的最后安全保障。

目前应用广泛的是电流型漏电保护器。通常情况下，三相（单相）负荷电流和对地漏电流基本平衡，流过互感器一次线圈电流的相量和约为零，即由它在铁芯中产生的总磁通为零，零序互感器二次线圈无输出。当发生触电时，触电电流通过大地形成回路，亦即产生了零序电流。这个电流不经过互感器一次线圈流回，破坏了平衡，于是铁芯中便有零序磁通，使二次线圈输出信号，触发执行信号给执行元件动作跳闸，切断电源。由上述电流型漏电保护开关的工作原理可知，漏电保护开关仅能对其后端用电器的漏电起保护作用，而对其前端线路中的接地故障（漏电）不起任何保护作用。

在普通住宅中，以家庭为单位通常会安装漏电保护开关进行安全防护。但整栋住宅中其他家庭是否也同样安装了漏电保护开关；整栋住宅的入线端是否安装了总漏电保护装载，这些情况一般人员很难掌握，也缺乏专业知识。实际上整栋住宅的保护接地线是相互连通的，如果该栋住宅内其他位置的线路发生了接地故障而没有进行保护动作，由于保护接地线的连通及传导作用，漏电会延保护接地线传递到该栋住宅内所有用户的用电器金属外壳上。即使自己家庭安装有漏电保护开关，这种情况也根本起不到安全保护作用。

3.4 等电位联结的原理与作用

等电位联结[9]是指：“把建筑物内、附近的所有金属物，如混凝土内的钢筋、自来水管、煤气管及其他金属管道、机器基础金属物及其他大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、电力系统的零线和建筑物的接地线统一用电气连接的方法连接起来（焊接或者可靠的导电连接），使整座建筑物成为一个良好的等电位体”。等电位联结分为：总等电位联结（MEB）和局部等电位联结（LEB）。MEB的做法是通过每一进线配电箱近旁的MEB母排将下列导电部分互相连通：进线配电箱的PE（PEN）母排，公用设施的上下水、热力、煤气等金属管道，建筑物金属结构和接地引出线。它的作用在于降低建筑物内间接接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害。LEB的做法是在一局部范围内通过局部等电位联结端子板将下列部分用6 mm2黄绿双色塑料铜芯线互相连通：柱内墙面侧钢筋、壁内和楼板中的钢筋网、金属结构件、公用设施的金属管道、用电设备外壳（可不包括地漏、扶手、浴巾架和肥皂盒等孤立小物件）等。一般是在浴室、游泳池、喷水池、医院手术室和农牧场等场所，要求等电位联结端子板与等电位联结范围内的金属管道等金属末端之间的电阻不超过3Ω。由上述等电位联结原理可知，像保护接地一样，如果其连接没有到位或连接电阻过大，同样存在产生电击安全事故的风险。

4 如何保证使用热水器的安全性

触电指的是电流通过人体而引起的伤害，当人手触摸电线的金属并形成一个电流回路的时候，人身上就会有电流通过，当电流足够大的时候（＞30 mA），就能够被人感觉到以至于形成危害。当触电发生的时候，就要求在最短的时间内切除电流。比如说，如果通过人的电流是50 mA，就要求在1 s内切断电流；如果是500 mA的电流通过人体，那么时间限制是0.1 s。

整栋住宅安装总漏电保护开关、安装保护接地线和等电位联结等是必不可少的安全措施。尽管有些人可能不了解这些安全知识，但使用符合标准（GB/T 20044—2012）[10]要求的漏电保护器则是最后一份安全保障。现在大部分新型电热水器自带符合该标准要求的漏电保护插头，但目前大部分前期购置或者使用燃气式热水器等，一般没有这种安全保护装置（同时可断开地线）。因此，这就要求家用热水器的管理和使用者，要更多地了解一些用电安全知识，加强用电安全风险意识，才能真正地保障人们的生命财产安全。