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从“电热水器触电事故”漫谈电气产品安全

ZLG致远电子2019-04-19 09:38发文

电热水器是比较常见的家用电器,洗澡时被电击甚至致死的新闻不时爆出。为什么电热水器会发生触电事故?是否市场上的电热水器都是不安全的?让我们由此展开聊聊电子电气产品的安全。


出事的电热水器


2018年的国庆节,一名居住在广州市荔湾区的54岁男子在洗澡时,被电击身亡。据新闻报导,事故原因怀疑为热水器老旧,导致水中带电,致人身亡。2016年2月21日晚,元宵节前夜,广州一出租屋内发生惨案,两名女租客因储水式热水器发生漏电而导致电击身亡。


据统计,每年因为电热水器致人死亡的事例,就有数十起;另外,家用电器产品,如空调,排插等电气产品的安全事故,每年也是时有发生。


电热水器,为什么会电死人呢?


电热水器,一般是由内胆和外壳组成,其中内胆是电热水器的核心,内胆包括加热管,温控器,镁棒等。


结构如下图所示;



根据GB4706.1《家用和类似用途电器的安全通用要求》,电热水器的供电通常是单相三线(L、N、PE),电热水器上电后,发热管通电,逐渐温度变高,然后将热量传导到水里,让水变热,当温度达到设定温度时,温度传感器将温度信号反馈至控制系统,控制系统切换成保温模式,值得一提的是,保温状态不意味着断电,实际上,电热水器还是处于低功率运行状态。当温度低于设定温度,温度传感器将温度信号反馈至控制系统,控制系统切换成加热模式。发热管是由加热电阻丝组成,加热电阻表面覆盖绝缘材料(通常是氧化镁),最外层是金属。当发生漏电时,漏电流可以通过保护地线(PE)流走,而不会经过人体。可以说,正常情况下,电热水器是绝对安全的。


那么是什么原因导致电热水器触电呢?


原因1

加热管绝缘失效


由于长时间的使用,加热电阻丝由于长期受热存在变形,变形后的加热电阻丝可能会穿透绝缘物质,使绝缘氧化镁绝缘能力降低甚至失去了绝缘能力,这样相当于加热棒与内胆的水直接接触。自来水并不是绝缘体,由于自来水中存在着阴阳离子,在电压作用下,Na+,K+离子会发生运动,形成电流。


因此,当人开着电热水器在洗澡,且热水器正好绝缘失效时,就会出现这样的回路;


如图1所示:


图1 蓝色箭头为电流方向


在这种电气回路下,只要人体经过一定电流后,自然会发生触电事故。


那么,人体流过多大的电流会有生命危险呢? 


图2是GB/T 13870.1《电流对人和家畜的效应》中的人体阻抗模型,其中R1为皮肤阻抗1500Ω,R2为人体的内部阻抗500Ω


图2 人体阻抗模型


当人处于水中或极度潮湿的情况下时,皮肤阻抗会接近于0,这个时候,人体的等效电阻,相当于只有500Ω 。这个数值,只是正常情况下人体电阻的1/4-1/40(正常情况下人体电阻为2KΩ-20KΩ)。这时候,哪怕人体电压(图2中上顶点与下顶点)是12V,通过人体的电流都能达到12V/500Ω=24mA。而GB/T 13870.1《电流对人和家畜的效应》就提出过,成年人的摆脱电流(摆脱电流指的是人能自行摆脱带电物体的最大电流)平均为10mA,最小6mA,最大15mA。当电流大于这个值时,人无法自行摆脱电流,当时间一长,有可能会造成昏迷,窒息甚至死亡。


如图3和图4所示,当人体通过10mA电流持续2s后,会造成呼吸困难,可逆性的心脏功能障碍。通过人体的电流持续增大,达到500mA后,只需要0.5s,心室纤维性颤动的概率就会超过50%以上。关于心室纤维性颤动,由于这是医疗方面的知识,这里不做深入说明,读者可理解为心脏停止。


图3 人体电流与时间的联系

图4 不同电流范围对应的生理效应


原因2

产品接地不可靠


电热水器,根据GB4706.1《家用和类似用途电器的安全通用要求》,属于I类产品。I,II和III类产品的区别如下表



备注:安全特低电压一般指的是低于交流50V或无纹波直流120V的电压,但不同的国家,不同的产品安全标准略有差异,由于篇幅原因,不具体深入讲。


当电热水器发生漏电时,地线可以将漏电流传输到大地,避免人体通过漏电流。如图5,产品出现漏电流时,如果有合格的接地导体存在,合格的接地电阻为最大0.1Ω,由于接地导体电阻远远小于人体电阻,根据并联电路的特性,大量的漏电流将会通过地线传导至大地,只有少量的漏电流会经过人体,约为0.3mA。


图5 接地保护示意图


但是,一旦产品接地不良。相当于,在一开始的时候,地线就失去了应该起的作用。电热水器的双重保护也只剩下一重保护,仅仅靠绝缘氧化镁,一旦绝缘失效或者绝缘能力下降,自然会出现有人会被电伤甚至死亡的事故。


电气产品接地不良一般有如下的原因:

电气产品接地设计没有做好;

安装电热水器时,没有安装接地线;

电气产品由于长时间使用,内部地线损坏;

建筑物没有遵守建筑物防雷设计标准,接地不合格甚至无地线;

电气产品和建筑物没有问题,但是用于电气连接的排插,转换插等产品,接地不合格;

安装电热水器时没有安装接地线。


原因3

产品质量不可靠


随着时代的发展和科技的进步,人们对于产品安全的追求也越来越高,越来越严格。然而,即便如此,2018年,深圳市市场监督管理局依据GB4706.1《家用和类似用途电器的安全通用要求》,对该市的25批次产品的电热水器进行抽查,结果有2批次电热水器的接地是不合格的,不合格率为8%。可以想象,在2018年之前甚至更早的电热水器,其质量不合格率有多高。


而相关的安全事故新闻,事后的调查结论也显示,很多出事故的电热水器,产品本身是不符合相关的国家标准GB4706.1,甚至存在无3C认证的电热水器。(电热水器为国家3C强制认证产品)


电热水器使用注意事项


注意事项:

使用电热水器时,先断电再洗澡;

电热水器安装时,保证产品接地良好;

购买电热水器时,选择经过3C认证同时带有防电墙的电热水器;

定期更换电热水器的加热管和镁棒,一般3年就需要更换;

一般使用超过10年的老旧电热水器,需要直接更换,不能再继续使用。


注:防电墙是一种简称,是“水电阻衰减隔离法”。是利用水本身具有的电阻特性,通过对电热水器通水管的结构材质,管径的确定形成“防电墙”。


一般来说,导体电阻的阻值一般是通过这个公式计算R=ρ*L/S,其中R为电阻阻值,ρ为电阻率,L为导体长度,S为横截面积。那么,在电阻率不变的情况下,通过减小电阻的横截面积,增大导体长度,可以使导体的电阻加大,防电墙就是基于这个原理设计的。如图6,是防电墙的内部结构图


图6 防电墙结构图


如上图,防电墙内部通过绝缘材料,形成大量的圆形墙,墙的材料为认证过的绝缘材料,通过墙与墙的距离,使通过防电墙的水,横截面积大大减小,同时水流长度增加,从而变大的水的电阻。一旦水电阻增大,根据欧姆定律,I=U/R,可以将图1中电气回路的电流大大减小,一般情况下,在220V电压下,通过防电墙后的水流,漏电流仅为1mA,因此即便当热水器漏电时,防电墙也可以保证人体不受伤害。


关于ZLG产品的安全性


ZLG始终把安全视为产品最重要的特性,从产品立项、设计开发、器件选型、测试验证、到生产制造,整个过程都要求严格遵循相应的安规标准。同时,我们还会委托独立第三方机构对产品进行国际认证,获得了诸如UL、CCC、CB、CE等安规认证。下面是ZLG主要产品的安规信息:


1、测试测量仪器类产品,严格按照UL/IEC 61010-1的标准进行设计和制造。对于诸如塑胶外壳、电线电缆,接线端子、变压器、隔离器件、X电容、Y电容等影响到产品安全的物料,都采用了符合UL/VDE/TUV认证的型号。


2、灌封模块类产品,如DC/DC电源模块、CTM/RSM隔离模块等,设计和制造都严格遵从UL/IEC 60950和UL/IEC 62368-1的标准,获得了UL(美国保险商试验所)颁发的UL、CE和CB证书,证实了产品的安全可靠。


3、工业互联网类产品,诸如USBCAN-2E-U、CANWiFi-200T、CANET-4E-U和MiniPCIeCAN-2E-U等CAN-Bus产品,在安全方面,完全遵从EN/IEC 60950国际标准,并获得SGS等知名机构的CE证书。


图7 CTM/RSM隔离模块UL证书


图8 ZDS2000示波器CE证书

图9 工业互联网产品USBCAN的CE证书


如有任何疑问,可以:1、添加小Z微信号、打ZLG立功科技·致远电子官方技术热线.





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