浅析绝缘结构对阻断电热水器漏电传输路径的应用

黄本可 聂 辉 伍家雄

（1.广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305； 2.广东万和电气有限公司 佛山 528513）

引言

电热水器的用电安全一直是使用者关注的核心之一，而在使用电热水器的过程中，触电事故也一直时有发生。通常情况下，在使用电热水器的过程中，一旦发生触电事故，大家第一时间想到的都是电热水器本身出现了漏电情况，但有研究表明，热水器漏电或者加热管基本绝缘损坏分别仅占到造成事故发生的32 %及6 %[1]，有超过6 成的事故均与热水器本身无关。因此，对于电热水器有效的绝缘防护措施的研究就显得十分必要。

1 电热水器常规结构说明

如图1 所示，为储水式电热水器常见结构。通常情况下，电热水器的基本结构由外壳、内胆组件、控制器以及保温层组成。在内胆组件上设置有金属支架，以便于固定用于产品安装使用的挂架；电热管安装在内胆组件内部，通过电热管本身的基本绝缘与洗浴用水隔离；显示控制系统安装在机身上；保温层充斥在内胆与外壳之间空隙内。作为I 类器具产品，电热水器金属外壳及电热管外壳还通过连续接地线进行接地。

2 电热水器触电事故原因分析

本文通过现有研究[1]数据进行整理、汇总，并剔除非造成触电事故的直接原因，得到导致触电事故的根本原因，如表1 所示。

导致触电事故发生的根本原因频数(次)百分比热水器内部漏电4061 %线路漏电2030 %插座漏电46 %零火反接23 %总计66100 %

3 导致事故发生的导电路径分析

根据引起电热水器触电事故的原因，并根据电热水器的结构和安装状态，对在这些触电事故中可能存在的导电路径进行分析：

3.1 热水器内部漏电

当热水器内部出现漏电后，则有两种传输路径可能导致用户触电：

1）沐浴用水带电：由于热水器内部出现漏电，那么将使得热水器内胆及内胆中的水体带电，而水是电的导体，因此，当用户在使用热水器的时候，将导致花洒沐浴用水带电，该电压将直接作用在使用者身上，从而导致触电事故发生，其具体导电传输路径如图2 路径1 所示。

2）机身外壳带电：由于热水器内部出现漏电，将使得热水器内胆带电，而由于连续接地线或者内胆支撑架的存在，将进一步使得热水器金属外壳带电，此时，如果用户对热水器进行操作或者不小心触摸到了热水器外壳，该漏电电压同样将直接作用在使用者身上，从而导致触电事故的发生，其具体导电传输路径如图3 路径2所示。

3.2 线路漏电

当用户家庭线路漏电或插座之后，则因使用热水器而导致触电事故发生的可能性有以下几种可能：

1）地线带电：由于用户家庭线路出现漏电情况，从而导致整个地线系统带电，此时，由于地线接触不良或者未定期检修而接触失效，导致不能将线路中的漏电情况导出，而方向经过电热水器电源线传导至热水器内胆中，并通过沐浴用水或者热水器金属外壳进一步施加在用户身上，从而导致触电事故的发生，其具体导电传输路径如图4 路径3 所示。

图4 触电事故导电路径3

2）安装墙面带电：当用户家庭的线路采用安装埋在墙体内的时候，一旦出现线路漏电情况，则有可能导致墙体内的承重钢筋带电，然后经过用于安装热水器的膨胀螺栓挂钩引出而导致墙面带电，并进一步将改漏电现象传输到金属外壳，在用户操作或触碰到热水器的时候引发触电事故；同时，还有可能经内胆支撑架或连续接地线导致内胆带电，并引发沐浴用水带电而触发触电事故，其具体导电传输路径如图5 路径4 所示。

图5 触电事故导电路径4

3.3 插座漏电

由于插座漏电导致的触电事故的发生，一般而言，与线路漏电导致的地线带电是相同的路径，插座在长期的使用中，其绝缘层损坏或者短路，将同样导致地线带电，其导电传输路径与路径3 一致。

3.4 零火线反接

在正常情况下，零火线反接并不会直接导致触电事故的发生，其主要是在某些产品中，控制系统仅对产品的火线进行通断控制，而零线则处于接通状态，此时即使零火线反接，也不会出现直接导致触电事故发生，但是如果此时产品的基本绝缘损坏，由于零火线反接，控制系统并不能有效断开火线，因此其电压将直接作用在产品上，并进一步施加在使用者身上，从而引发触电，其导电传输路径与路径1 或路径2 一致。

通过对3.1 ～ 3.4 所述导电传输路径进行分析，可以发现，所有的无论是热水器内部漏电，还有外部环境带电，其最终的传输路径可归类为3 条，分别是：①内胆带电导致沐浴用水带电；②内胆带电导致金属外壳带电；③安装墙面带电导致金属外壳带电。因此，只需要阻断这3 条漏电传输路径，即可在结构上实现对热水器的电击安全防护。

4 绝缘结构防护措施说明

4.1 内胆带电导致沐浴用水带电

为有效规避热水器所供应的水带电而导致的触电事故的发生，“防电墙”[2]技术便应运而生，其技术原理是水具有一定的电阻率，当水路长度足够长的时候，其形成的电阻值也将达到足够大，此时当热水器内水体带电时，直接作用到人体的电流将足够小，不足以对人体造成触电风险，从而达到其实热水器漏电也不会导致触电的风险。因此，在某一确定的通径截面积的基础上，通过将电热水器的供水管路由直管设置为迂回式结构，即可实现水路长度的增加，而通过足够的迂回次数，就可以实现对水路中的电压进行限流。

4.2 内胆带电导致金属外壳带电

由于连续接地线以及设置在内胆组件上的支持挂架通过螺栓与金属外壳之间的导通，从而导致内胆与金属外壳在导电情况下连接为一体，如果内胆带电，则金属外壳将同步带电。因此，金属外壳与内胆之间采用有效的绝缘连接结构[3]则是有效处理其导电性的方案，其设计方案主要是，通过在金属外壳内部增加一块局部加强钢板增强外壳的受力能力，然后金属挂架直接通过螺栓锁紧在外壳上，金属外壳与内胆之间完全填充发泡保温层，并在此基础上取消连续接地线，从而将内胆与金属外壳之间完全隔绝开。

图6 迂回式防电墙结构

4.3 安装墙面带电导致金属外壳带电

由于电热水器是直接悬挂在嵌入墙体内的金属挂钩中的，当安装墙面带电的时候，墙体表面的电压将直接沿着热水器金属挂架传输到热水器外壳，从而形成危险，因此，产品与安装墙面之间有效的绝缘连接结构[3]将能够有效起到隔绝电流传输路径的效果。通过在热水器挂架与安装墙面之间增加绝缘材质的垫块，并且在挂钩的表面包裹一层绝缘套管，即可以完全切断外壳与安装墙面之间的导电路径。

5 绝缘结构防护能力测试

根据在地线系统异常时提供应急防护措施[4]的要求，向待测试样机中充满（1 250±50）Ω·cm 的实验用水，并在样机外部导线端子处断开接地线，将待测试样机的发热元件的基本绝缘完全失效，调整至额定电压，测试样机出水口防电墙的泄露电流；根据对电器耐电气强度[5]的要求，对待测试样机外壳-内胆之间绝缘、外壳-安装墙面之间绝缘分别施加频率为50 Hz 或60 Hz 基本为正弦波的电压1 min 进行耐电气强度能力测试。测试结果如表2 所述。

表2 不同位置绝缘防护能力测试

从表2 中可以看出，该结构防电墙可以有效将供水管路中的泄漏电流限制在5 mA 的安全电流以内，从而防止使用者在用水时因水体异常带电产生的触电风险；而内胆-外壳绝缘结构和内胆-墙面绝缘结构能够有效对外壳与热水器内胆之间、外壳与安装墙面之间起到足够的绝缘保护，从而防止被击穿而导致的外壳带电而引发的触电危险。

6 总结

本文针对电热水器在使用中存在的触电风险，在产品结构防护上，提出了可行的绝缘结构进行防触电保护，对热水器本身的漏电以及家庭用电环境进行了有效的解决方案，可在不改变用户家庭布局及用电环境的情况下，进一步确保电热水器产品的安全使用。

图7 外壳-内胆绝缘结构

图8 外壳-墙面绝缘结构