II类电热水器结构设计探讨

陈常山 王 悦 赵慧云 金 宁 王 奎 许 鹏

（山东省计量科学研究院 济南 250014）

引言

家用电热水器的防触电类别，可为I类、II类、III类。区别于I类器具，II类器具的安全不依赖于接地，而是由加强绝缘或双重绝缘来保证，因而II类热水器的安装与使用可以不必考虑用电环境接地系统问题，当相关环境中的其它用电设备漏电时，漏电流也不会通过共用接地线路传到II类热水器的金属外壳或金属内胆上等金属部件上，从而避免了因用电环境接地系统异常、其它用电设备漏电、自身基本绝缘失效引起的触电危险。

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》第6.1条要求：热水器应是I类、II类或III类器具[3]，GB 4706.11-2008《家用和类似用途电器的安全 快热式热水器的特殊要求》第6.1条要求：裸露元件式热水器应为I类或III类，其它热水器应为I类、II类或III类器具[4]。

但目前市场上的热水器的防触电类别大部分是I类，其主要原因是受制于电加热元件的结构。本文从电加热方式及其加热元件的结构方面进行分析，探讨II类电热水器的结构设计。

1 使用管状电热元件的II类热水器结构

在图1所示的I类储水式电热水器结构中，使用的管状电热元件直接对水进行加热。因为普通的管状电热元件的绝缘仅能达到基本绝缘的要求，所以图1所示结构的电热水器的防触电类别仅可以设计成I类器具，防触电依赖接地系统，其安装和使用必须可靠接地。

图1 I类储水式电热水器结构

为了使管状电热元件满足II类结构，在其基本绝缘外壳上再增加一层附加绝缘，并使用金属壳保护，详见图2。

图2 II类结构的电热管

相应地热水器的结构改为图3所示结构，热水器使用II类结构的电热管，通过改变设计，使带电部件与金属内胆及电热管金属外壳之间达到双重绝缘或加强绝缘的要求，从而使热水器的防触电类别达到II类器具的要求，防触电不再依赖接地系统，其安装和使用无须接地。

那么图3所示II类热水器结构的标准符合性怎样？其关键件II类结构的管状电热元件的绝缘还应达到什么要求？

图3 使用管状电热元件的II类热水器结构

我们不妨先来看一下CTL决议DSH-610，见图4。

图4 CTL决议DSH-610

（问题: II类充油室内加热器具有II类结构的加热元件。该结构包括两层独立的氧化镁绝缘层，用作基本和附加绝缘。根据第22.21条注释2，氧化镁不被视为吸湿材料。氧化镁应紧密烧结，并符合第22.32条的试验要求。加热元件的端部（接头）由防潮密封件保护。该结构符合第22.21条和22.32条，是否因此可接受该结构？决议：是的，可以接受该结构，因为符合标准。）

参照这个决议，图2所示的II类结构的管状电热元件氧化镁绝缘层应包含两个独立层，并且电热元件的未端有防潮密封保护。

另外需要值得关注的是，目前仅满足JB/T 4088标准的管状电热元件，还需增加一层独立的氧化镁绝缘层才能满足图2所示II类结构的要求，图2所示的管状电热元件，在二个独立的氧化镁绝缘层之间有金属壳隔离，增加一层氧化镁绝缘层后，管状电热元件内电热丝的散热会受到不利影响，当功率设计得较大时，应考虑到高温和散热对电热元件的绝缘层、壳体以及加热效率的不利影响。

2 使用陶瓷支架电热丝加热体的II类热水器结构

图5为陶瓷支架电热丝加热体结构。

图5 陶瓷支架电热丝加热体结构

电热丝嵌装在陶瓷支架上的开孔内，并通过开孔散热。嵌入电热丝的陶瓷支架装入一个金属套筒内，金属套筒探入热水器内胆并内胆壁密封连接，见图6的示意图。如果要达到II类结构，电热丝与金属套筒之间必须满足双重绝缘或加强绝缘的要求。

图6 使用陶瓷支架电热丝加热体的II类热水器

根据GB 4706.1第22.32条 注1：内埋有电热导线的绝缘材料，被认为是基本绝缘，而不是加强绝缘[1,2]，在这种情况下，图5所示加热体表面与电热丝之间仅能满足基本绝缘的要求，所以还需要一层附加绝缘，才能满足II类结构的要求。

图6中，为了增加附加绝缘层，措施之一是在金属套筒的内壁上施加一层耐热固体绝缘层，此绝缘层须满足：达到附加绝缘的要求，有一定导热特性，能够耐受加热体工作时产生的高温，并采取必要的措施以防止在内胆机加工过程中及加热体安装过程中造成此附加绝缘层的损坏；

措施之二是增大加热体与金属套筒之间的间隙，并在金属套筒这加热体之间施加绝缘支撑件，使加热体上的带电部件与金属套筒之间的爬电距离和电气间隙满足双重或加强绝缘的要求，但此时应特别注意图5所示陶瓷支架加热体中电热丝的支撑措施，以满足标准GB 4706.1第22.24条的要求：“对裸露的电热元件应这样支撑，以使得即使其电热元件断裂，电热导线也不可能与易触及的金属部件接触。通过在最不利位置上将电热导线切断，然后视检确定其是否合格”[1,2]。

3 使用电磁加热体的II类热水器结构

相比较于电热类加热元件来说，电磁加热线圈的II类结构较易实现，图7所示的电磁加热体结构中，由电磁线圈产生的磁能对金属管路中的水进行加热，可以在电磁线圈与金属管路之间施加双重绝缘构成II类结构，正常工作时电磁加热体内的绝缘承受的温度通常低于电热类元件内绝缘所承受的温度。

图7 II类结构电磁加热体

使用图7所示的II类结构电磁加热体可构成图8所示的II类快热式热水器结构。

图8 使用电磁加热体的II类快热式热水器结构

图8所示的II类热水器结构中，驱动电磁加热线圈的大功率半导体元件工作时的散热通常依赖于进水管路，一般将其散热片固定在进水管路的金属件表面上，利用工作水流进行散热，这时需要额外采取措施，使大功率半导体元件带电部位与金属管路之间满足标准要求的双重或加强绝缘。另外，与水直接接触的水温传感器表面、水流量传感器表面与带电部件之间也要满足标准要求的双重或加强绝缘，或者水温传感器、水流量传感器及与其连接的电路皆为安全特低电压电路。

4 小结

II类热水器的加热元件通常需要侧重考虑附加绝缘的设计，加热方式不同，附加绝缘结构及耐热要求也有差异。电热类元件附加绝缘的设计还需考虑散热和耐热性能，电磁类加热体II类结构的设计可能还需要考虑依赖水流散热的大功率半导体元件散热面的绝缘是否满足要求。