一种人体免受电击的热水器故障漏电保护装置

        一种人体免受电击的热水器故障漏电保护装置

吴永芳

      佛山市鼎垣工程有限公司     

摘要：本文介绍一种家用热水器故障漏电保护装置，在家用热水器故障漏电、漏电保护器同时失效，可以保护正在沐浴的人体免受电击。

家用电热水器由于洗热水澡快捷方便，很短时间就走进千家万户。随着热水器使用时间增长，其故障率也会越来越高。正在洗澡的人身受热水器电击造成伤亡事故时有发生。电热水器在安装时，一般按生产厂家的要求，安装有漏电保护器（也叫剩余电流保护器，简称RCD）。然而RCD器件也是一个电气元件，同样随使用时间的增长，失效概率在不断上升，因而热水器故障漏电、RCD故障失效同时发生的概率大大升高，二者故障同时发生时，如果刚好有人在洗澡，就会遭电击造成人身伤亡。

家用热水器安装电气原理图、热水器漏电时人体受电击电气原理图图 1。

                          图 1

说明：1、RL为从大楼进线处至住户热水器电插座处火线电阻，此值一般小于1Ω，

      2、R为热水器故障漏电时的内部阻抗，此值根据情况而定，最小值相对人体阻抗可忽略，发生极端金属性碰壳短路故障时也可以为0

      3、R人为人体阻抗，全身湿透大面积接触带电设备电阻约为800-1900Ω，本文取1000欧姆为例计算

      4、RPE为从大楼进线接地处至住户热水器电插座处地线电阻，约为1Ω左右

5、RPE2为热水器漏电、人体遭电击时浴室只大楼接地点的阻抗，约为几十欧姆左右

热水器如果发生故障漏电导致外壳点位为220V时，通过人体一手至双脚电力计算如下：

       UL-PE          

  I= ━━━━━━━              

     RL+R+R人+RPE2     

由于R人 ˃˃ RL+R+RPE2，因此RL+R+R人+RPE ≈ R人，上式简化为：

 I= UL-PE /R人 = 220/ 1000 = 0.22A =220mA

                            图 2

对照图2 ，如果漏电保护开关在0.1秒内切断电源，人体受到电击，未造成器官不可逆的损伤；如果这时漏电保护开关失效而无法切断电源人体受点击，并很大可能人体无法摆脱电击，从而使器官受到不可恢复的损伤从而危及生命。

《JGJ 242-2011 住宅建筑电气设计规范》对此作如下规定：

10.2.1 住宅建筑应做总等电位联结，装有淋浴或者浴盆的卫生间应做局部等电位

10.2.2 局部等电位联结应包括卫生间内金属给水排水管、金属浴盆、金属洗脸盆、金属采暖管、金属散热器、卫生间电源插座的PE线以及建筑物钢筋网。

等电位联结的防电击保护原理：

当电热水器发生故障漏电使得外壳带电、同时也使得淋浴器具、淋浴间同时带电，而人体全身任何部位都可能与浴室地面、墙面、淋浴器具等充分大面积低电阻接触，这时，由于淋浴器具、淋浴间、热水器、热水器局部等电位排形成一个等电位联结，因此，人体各部位电位都等于热水器地排的电位，人体任何与浴室及淋雨器具接触部位之间电位差均接近0，所以就不会有大电流流过人的身体，从而避免人体遭受电击。此时，无论RCD是否作用，正在淋浴的人都不会受电击。如果RCD状态正常，通过火线-淋浴间-大地的漏电流会使得RCD跳闸，起到正常漏电保护的作用。

目前民用建筑内家用电热水器都安装RCD，部分建筑淋浴间在装修时也装有等电位接地排，但是目前在用的保护装置在保护正在沐浴的人身安全存在如下二个问题，一个是电气元器件设备故障的不可预知性，二是施工安装普遍无法达到既定的工艺要求导致局部等电位联结失效：

1、漏电开关、热水器等设备部件是现代工业化批量生产出来的，随着使用时间的增长，其出故障的概率也越大。漏电保护开关是一个电磁电气元件，随着使用时间增长，失效概率越来越高。一般家庭使用时，并没有经常（一般一个月一次）检测其漏电保护的有效性，并且其失效准确时间点无法预知。

2、一般民用电气接地存在接地线缆线径小，与接地排接地用螺丝拧接，机械强度很低。时间长了，接头由于金属接触面锈蚀、或小动物等损坏，很容易接触不良或者接地断路。这种情况下，热水器漏电，漏电保护开关也无法检测到漏电流，因而无法切断电源。

   为从根本上解决上述问题，本文提出如下解决方法（参考图3）：

1、热水器在生产时，与机器设备金属体焊接一条6-10mm2铜带或304不锈钢带；相应配套的水龙头在生产时同时焊接一根6mm2铜带或10mm2304不锈钢带；

2、在施工安装示，热水器和接地排安装在淋浴室外尽量靠近淋浴室，热水器旁边安装一个不锈钢材质局部等电位接地排，浴室在淋浴区地面用50×5mm不锈钢材质做一个等电位带，对角与位于浴室外的局部等电位保持焊接的金属性联结。淋浴室或者淋浴区间在安装时按图所示安装一个等电位联接地排，形成局部等电位联结。图中，所有等电位联结线缆全部使用304不锈钢，各等电位联结处联结采用不锈钢焊接后接口作防腐处理的措施，保证其电气联结稳定可靠，不会随使用时间的增加而断路。

                         图 3

《GB/T 13870.1-2008 电流对人和家畜的效应 第1部分：通用部分》

《GB∕T 16895.21-2020 低压电气装置 第4-41部分：安全防护 电击防护》

《工业与民用供配电设计手册（第四版）》    ISBN 978-7-5123-9995-2 中国电力出版社

《GB 50054-2011 低压配电设计规范》

《GB 50065-2011 交流电气装置的接地设计规范》

《GB51348-2019民用建筑电气设计标准》

《JGJ 242-2011 住宅建筑电气设计规范》