解决电热水器接地异常的技术路径分析

     新安全标准GB 4706.12-2006《家用和类似用途的安全储水式电热水器的特殊要求》（以下简称标准）在IEC60335-2-21：1997基础上修订，并在2007年7月1日已经实施，其主要修改部分增加了附录AA，具体的内容是“对在接地系统异常时能提供应急防护措施的Ⅰ类电热水器的附加要求”，针对符合附录AA的解决方案，业内主要有“断电法”与“带电水阻法”两种方案。笔者认为，“断电法”是较好的解决方案，“带电水阻法”从技术原理上看，不能完全达到安全目的。
        根据附录AA的标题“对在接地系统异常时提供应急防护措施的Ⅰ类热水器的附加要求”，针对解决的问题是接地系统异常，特指器具以外的接地异常，主要可分为地线缺失与地线带电两种情况，下面就断电法与带电水阻法在这两种情况下所能达到的效果作具体分析。

断电法是国际标准体系给出的解决地线缺失的有效方法
        地线缺失是指在固定布线中缺少地线而造成没有接地保护，也可以将有地线但地线不通或接地电阻过大归为此类。在中国农村的很多家庭，由于采用低压供电系统，无接地的情况比较多，这种情况下使用I类器具十分危险，而实际上这些家庭又在大量使用着I类器具。目前，国际上新版的IEC60335-1：2004（国标GB 4706.1-2005）中的附录P就是针对此问题提出的解决方案。附录P解决的问题是：在由于固定布线的缺失而造成没有接地保护的电源的情况下，如何使用I类器具；解决方案是：采用PRCD漏电保护器（也就是断电法）。它许可配置一个剩余电流不超过30 mA的漏电保护器，同时对器具的实验要求提出更加严格的标准，如泄漏电流不超过0.5 mA，增加耐潮湿温度t值为37℃，环境温度提高到40℃，发热温升减少到15℃。如果满足上面提到的实验要求，就认为器具在外部地线缺失的环境中的使用达到了一个可以接受的安全水平。20世纪80年代，中国开始大力推广漏电保护器，效果非常明显，相关事故大幅下降。安装漏电保护器对电击防护的附加保护作用是非常有效的，它对电网的安全保护发挥了巨大的作用。
       断电法可较好解决地线带电问题。地线带电指固定布线中有地线，但是地线如果没有起到接地保护的作用，反而是一个危险的根源，这种情况对所有的I类器具使用都是非常危险的。此时，在地线上存在着异常电压或电流，它产生的原因是多方面的，比如：由于相线绝缘老化造成相地短路，插头、插座长时间使用接触电阻增大发热造成相地短路，还有固定布线中缺少必要的保护等。IEC61540中针对地线带电的问题提供了相关的解决方案，许可地线上有危险时使用开闭PE导线的RCD。许多国家如澳大利亚和德国已经有使用此种RCD的经验。
       针对中国的特殊使用国情，新的国标GB 20044-2005《电气附件家用和类似用途的不带过电流保护的移动式剩余电流装置（PRCD）》也同样采用RCD，它通过检测L、N、PE上的异常情况，迅速自动断开与电源的一切连接，切断产生隐患的根源，消除由于地线带电而造成器具本体上存在的危险，保证使用者的安全，达到一个可接受的安全水平。国标GB 20044-2005是一个强制性标准，2006年8月1日开始实施，在它的宣贯材料中，充分说明了断开地线的必要性、断开时对结构的要求以及明示的方法。按照标准第27.1条款的要求，绝缘失效可能带电的易触及金属部件都要连接到接地端子上，如：外壳、其他易触及金属部件此时都能带上电，触及是非常危险的。考虑到危险的严重性，GB 4706.12-2006的宣贯材料中也增加了对其他易触及的金属部件的考核方法，如：易触及金属部件采用不能接地的方法。根据标准正文中5.14规定，如果0Ⅰ类器具或Ⅰ类器具带有未接地的易触及的金属部件，而且未使用一个接地的中间金属部件将其与带电部件隔开，则按照对Ⅱ类结构规定的有关要求考核，据此可以得到两种解决方案，或用接地的中间金属部件隔开，或按Ⅱ类结构规定要求来做。如果达到了这样的要求，则可认为是一种应急防护措施。

带电水阻法有报警也不能确保安全，断电才是目的
      目前，市场上的带电水阻法特指利用水电阻原理减小出水口电流的方法。通常的做法是在热水器进出水管增加一段塑料管，一旦有漏电危险，这段塑料管形成的水电阻减小了出水口电流，可以减少触电危险。
      根据IEC标准的安全体系原则，I类器具的电击防护措施达到了一个国际可接受水平，它依赖于器具的基本绝缘和接地保护。一旦器具的基本绝缘失效，还依赖于接地保护。如果接地系统异常，I类器具的使用安全就得不到保障。
      GB 4706.12-2006附录AA具体规定了在接地线上有220 V的强电时，出水口易触及的水流的泄漏电流值不超过5 mA，但此时热水器已不再是安全状态，不能再继续使用。关于对电击防护的考核，本附录仅仅考虑进出水口的易触及金属部件与出水，对其他的易触及导电部件都没有考核，如：可以直接接触到的热水器金属外壳等。这些金属外壳一般都是直接接地，此时外壳上将会有与地线上一样的不安全电压，一旦用户接触到外壳，将会有电击危险。因此，附录中又要求热水器要具有报警装置，要确保人工拔下电源插头，并通知厂家的维修人员处理。此时，要完全消除危险，就需要切断电源，特别是地线，这样才能消除由此产生在热水器本体上的危险。所以，即使满足了本附录的附加要求，一旦发生接地异常，还是非常危险的，只能作为一个临时的应急措施，不能把它作为长期、永久的措施。那种认为有了这种防护措施I类器具就可以安全使用的观点完全是错误的，此时，只有解决接地异常才能确保安全。对此，断电法与带电水阻法所能达到的结果也是有差异的。实际上，从标准的最终可接受的安全水平来看，报警并不是目的，断开电源才是目的，报警是为了能达到断开电源这一目的而采用的手段。 
      断电法由于在外部接地异常时已经迅速切断了与电源的一切连接，防止了人身电击的发生，而且用户不能再通电使用器具，能及时发现有了问题。此时，器具本体已经没有任何危险，达到了安全的目的。从这个意义上来说，报警的必要性就不强，即使需要，至多是提示用户家庭的接地系统出了问题。这是一种比较可取的方案，不用通过报警来让用户切断电源，用户也不用担心报警的有效性，不用担心由于没有及时拔掉插头而可能造成的危险。
      关于带电水阻法对电击防护的考核，GB 4706.12-2006附录AA仅仅针对进出水口的易触及金属部件与出水，即使采用方法使其他易触及金属部件也不带电，器具内部如水箱还带电，此时仍是非常危险的，虽然器具还可以正常工作使用，但危险并没有消除。因此，报警措施是非常必要的。而且，报警的目的是要用户能拔下电源插头，这意味着用户要听到报警并且拔掉插头才能保证安全。由于用户的非专业性，报警的效果就非常重要，报警要明显，能让用户及时发现，并且报警所在的安装位置以及插头的位置也要考虑到让用户能及时发觉并便于用户拔下插头，这样才能保证及时消除危险。

优选断电法解决接地异常
      对于安全标准的理解以及产品对标准的符合性，断电法既是作为电热水器解决接地异常的优选方案，又是I类家用电器解决地线缺失的推荐方案。
      电热水器功率大、通电时间长，烧烂插头、插座的现象相当普遍，烧烂了的插座很容易发生相地短路，一旦用户地线缺失，热水器所有可触及的金属部件包括金属蛇皮喷淋软管立即带220 V高电压，即使用户有地线，倘若其过流保护系统（例如断路器、快速熔断器）失灵或缺失，也会在瞬间将插座内地线连接处的地线烧断，让热水器可触及的金属部件带电。这种情况大多数都是在用户使用中瞬间发生的，通常都会致人于死地。
      I类家用电器应推广使用断电法。电热水器已经作为一个先行者从标准上、产品上优选断电法来解决接地问题。由此可见，除了绝缘法能满足附录AA的要求外，全能漏电保护的断电法也同样能满足附录AA的要求，而且保护更加彻底，断电之后热水器除了不能满足持续地供应热水之外，已没有任何安全隐患。
      断电法已在电热水器行业得到良好的应用，断电法已成为符合新国标附录AA解决地线异常的优选方案。