谈谈我们热水器的安全现状------赶走老虎，引入狼

    编者按：此文是摩尔实验室（MORAB）总工程师曾德新先生所做，曾先生在安全测试领域有着长时间的工作经验和丰富积累。他在此文中谈到，目前热水器事故主要来自于一氧化碳和电两个方面，对于一氧化碳问题整个行业有了充分认识，但对热水器安装中的安全用电问题，很多人认识不足，这照成了热水器使用过程中存在很大的安全隐患。更成问题的是这种不安全问题的根本原因来自于在目前中国标准制订中对此问题的定义存在着缺陷。

    燃气热水器的安全问题，在我们国家已经讨论很多年了，然而热水器的杀人手段还没有人准确地说出来，是一件非常遗憾的事情。首先我们先讨论一下热水器的杀人手段。

    热水器杀人手段目前是有两个，一氧化碳和电

    首先我们讨论一氧化碳问题。这个问题在我们的报纸新闻等媒体中，经常出现。但是由于写文章的人不是专业人士，往往把一氧化碳的危险，写成煤气的危险，导致就事论事，燃气热水器出现问题，就说是燃气热水器问题。在冬天密封的室内烧煤取暖、烧木炭取暖发生的一氧化碳中毒，就没有人，没有媒体讨论了。其实任何碳在缺氧的情况下燃烧，都会发生不完全燃烧，产生致人于死地的一氧化碳。一氧化碳又是非常特殊的东西，人接触到一氧化碳是没有任何不舒适的感觉，没有任何自我保护的念头，常常让人在不知不觉受到伤害，甚至丧命。目前国家和社会已经非常明确这个危害，强制要求只能使用平衡式热水器和强排式热水器。但是这两种热水器又引入新的危险——电，而且在浴室中的电要求比其它地方更为严格。因此本文副标题名为：赶走老虎（一氧化碳），引入狼（电）。关于一氧化碳的问题，我在这里就不用讨论了。本文着重讨论电的危险和目前市面上的Ⅰ类防电击设备的燃气热水器不满足国家标准GB16895.13-2002　（idt IEC 60364-7-701:1984）要求的问题。标准要求在浴室内，只能使用Ⅱ类防电击设备的照明设备，那么燃气热水器呢？能用Ⅰ类防电击设备吗！
   
    电的问题。目前我们电的问题已经讨论很多年了，但是还是没有讨论清楚，导致很多问题，更不用讲在特殊环境下的用电安全了。

    特殊环境下的用电问题：

    目前在我们国家发生的浴室安全问题很多，人们都把精力集中在接地上，但是我问问大家，在发生事故的家庭里面，肯定讲用电环境和接地不良都是一样的，为什么不是其它家电出问题，偏偏是热水器呢？这个问题就要考虑浴室这个特殊地方的特殊环境下的特殊要求，现在分析如下：

1） 电人是电压吗？不是，是电流。

    在附录2 中，大家可以看到，对人构成威胁的，不是人体带了多少电压，或人接触了多高的电压，而是流过了人体有多大的电流。而人体在不同状态下，人体电阻是完全不同的。在人体在水中情况下，只需要12V以上电压，就可以产生流过人体超过30mA的电流，威胁人身安全，因此在GB16895.13-2002　（idt IEC 60364-7-701:1984）中规定在浴室的1区内，只能有12V以下电电源驱动的设备，而且12V电源产生装置不能安装在浴室内部，如果是电源适陪器，则必须是Ⅱ类电气设备。在浴室里面的安全电压特别低，只有12V。

2）我们国家的配电系统能够同意我们在浴室里面使用接地设备吗？

    在我们国家的大量配电系统中，采用类似TN的配电系统，而其目前也把大量的TN-C配电系统改造为能够安装RCD的TN-C-S的配电系统。在图1中，我们可以看到，TN-C-S配电系统中，在三根相线中，只要有一根对地发生故障，就会在变压器接地线上产生流回变压器的电流。这个电流会在接地电阻上产生电压降。这个电压降会导致这个配电系统对地都有电压，其中中线对地也有这个电压，基本可以达到80-120VAC。在附录1的分析中，我们同样可以看到，在TN配电系统中，保护地线和中线（PEN、PE、N线），不是0V的标志，它们是带电压的，在单一故障情况下，它们会带非常高的电压。单根相线对地故障，会导致PEN线有80-90V交流电压，如果是配电一次测故障，PEN线电压会达到千伏以上。因此不能设备是接地的，就认为是安全了，必须有工程的完善处理后，才是安全的，这处理就是电源入大楼时，与大楼等电位联结，这样才能保证安全，象在附录1中总结的要求一样。
 
                    图 1：TN-C-S配电系统单一故障
      
    但是即使这样，在浴室中，由于水导致潮湿和水导电，使得浴室内也非常容易产生超过12V的电压差。在图2中，我们可以明确看到，由PEN线分离出来的PE线，它的电压与单一故障下的PEN线带的电压是一样高。在浴室内使用Ⅰ类防电击设备的强排式和平衡式燃气热水器，热水器的保护接地线与插座内的PE线直接连接，这样热水器外壳和水都将带上与PEN线一样高的电压。如果浴室内的人占在地面或水面，，这些水面、地面是与大地直接连通的，这样在人、地面、水、热水器、地线、PEN线构成电的回路。而人在水中的人体电阻很小，只需要12V电压就可以产生大于30mA的电流而导致人死亡。

                  图2：浴室在单一故障下的安全问题，而且RCD也无法保证

    因此在GB16895.13-2002　（idt IEC 60364-7-701:1984）标准中规定，在浴室内部必须作局部辅助等电位联结，保证浴室内的人员安全。电气设备必须是没有接地线的Ⅱ类防电击设备，而其还是安装在3区。

    我们目前属于Ⅰ类防电击设备的平衡式热水器和强排式热水器是不能满足国家标准和IEC标准要求的。即使是使用了RCD，由于是Ⅰ类防电击设备，有保护地线的存在，这条线直接与热水器外壳、水和配电系统的PE线连通导致危险。RCD职能切断L、N线的危险，不能切断PE的危险。

    要保证在浴室内部安全，在国家标准GB16895.13-2002　（idt IEC 60364-7-701:1984）要求，必须在浴室内部作局部辅助等电位联结，保证使用人员在接触到任意地方电压差不会超过12V。

    对于浴室内部其它电气装置，需要作隔离防护，不能让使用人员直接接触到

    从上面分析中，浴室内的安全必须有几个地方的工作要做：

1、浴室要做局部辅助等电位联结；
2、对各种电气装置需要隔离保护装置；
3、在浴室内的3个分区内的设备，要满足GB16895.13-2002要求；
4、要使用剩余电流小于30mA的RCD做辅助防触电保护；
5、不能使用Ⅰ类防电击设备。

总结
      目前我们做设备的人，不知道做工程人的情况和标准，而做工程的人，少部分人员还是稀里糊涂的。

      我们管燃气的，只管一氧化碳不排放在室内就ＯＫ！

      我们搞建筑的，只管把房子建好，就ＯＫ！至于浴室用电的安全，哪…….

      我们管电的，只要你的房子好了，就可以供电，浴室是否用电，是用户自己的事情，我把电给你，已经可以了。

      这样我们的燃气热水器要何时才能安全。
      补充：燃气热水器也并不是只要安装在浴室外面就可以了。在西南某个大城市，就发生过直排燃气热水器安装在浴室外，但是是不通风的室内，结果导致好多人同时中招。因此燃气热水器不仅是在浴室外就可以了，还需要与室外大气交换。

配电系统介绍：

参考书：Electrical installation guide         Roland Talon
        建筑物电气装置标准及相关规定汇编      中国电力出版社
        低压电气装置的设计安装和检验          王厚余

附录1：我们的配电系统

    要做好产品的安全设计，就必须很好了解我们的配电系统和配电系统的优点和缺点，在产品设计中有效地回避配电系统缺点，使我们产品与配电系统有机结合在一起，这样就可以很好地避免危险的发生。
1）10KV电路和我们220/380V电源之间的关系和问题。
    我们设备使用的110/220V/230V电源是怎样到来的？我们一般同志会回答是供电局/公司使用电源变压器将10KV电源变为110/220V/230V低压后，通过电缆在送到千家万户的。那么为什么要讨10KV电路和我们220/380V电源之间的关系和问题？且听我在下面慢慢道来：

    在全球，10KV配电电路有两种形式，一种以前苏联为代表的10KV不接地系统和以欧美为代表的小电阻接地配电系统。这两种配电系统各有优缺点。

1.前苏联为代表的不接地架空走线10KV系统
 
注：图中接地电阻Rs不存在，是接地电极与土壤的接触电阻，以后图中这个电阻都是相同含义。
     
    优点是：在10KV电源变为110/220V/230V的变压器的输入侧，当发生10KV电路对地故障时，由于10KV没有直接故障回路，只有分布电容的回路，所以故障电流很小，只有几十安培，而一般变压器接地电阻RS在5欧姆一下，这样在RS上的电压降只有几十到几百伏电压，这样与RS相连接的低电压侧对地（远端地电压）电压台升不大，只有几十到几百伏。所以接地故障带来的地电位抬升比较小，这样在110/220V/230V 的TT TN系统中电位抬升不大。这个电压在其它一些标准中称为转移过电压。在电源避雷器的标准IEC61643中，就考虑这个电压，而且要求电源避雷器能够承受这个电压，并且不能燃烧。

    缺点是：高压侧的绝缘能力要高，是电压的 倍。架空走线供电的回路少，如果采用有屏蔽保护的埋地或电缆沟走线，上面的故障电流小的优点不复存在。架空不能适应大的用电需求。

2.以欧美为代表的小电阻接地10KV系统
 
      
    优点是：在高压端发生对地故障时，有电路回路连通，因此绝缘承受的电压没有发生变化，仍然是工作电压，因此绝缘能力与供电电压一样，不用提高。可以架空走线和采用有屏蔽保护的埋地或电缆沟走线，布线回路多，适应大用电需求。

    缺点是：在10KV电源变为110/220V/230V的变压器的输入侧，在发生10KV电路对地故障时，由于10KV有直接故障回路，所以故障电流很大，只有几百到二千多安培，而一般变压器接地电阻在5欧姆一下，这样施加到Rs上的电压非常高达到几千伏电压，这样在110/220V/230V 的TT TN系统中，由于低压侧与Rs直接相连，这样系统的对地（远端大地）电位抬升非常大，这样对用户提出非常大的要求，在不同的配电系统中，出现不同的要求。目前在欧美国家（它们使用TT配电系统）已经达成协议，这个电压控制在1200V以下。即使是这个电压，在TT配电系统中，我们的电器设备也需要承受1200V＋230V的过电压；在TN配电系统中，需要做良好的等电位连接。这个过电压将是我们设备一个使用环境的关键。在IT配电系统中，虽然没有这个问题，但是IT系统有其它的新问题。

2）我们低压端的配电系统

    在上面的过电压情况下，我们的低压配电系统的处理？

    在我们的教科书中，有关于三相4线、三相5线供电的说法。这种对供电系统的描述，只是讲了配电系统电流和电压关系，没有描述到这个供电系统是怎样接地的，与目前国家惯例和实际系统的需要更加具体对接地描述达不到要求。因此我们应该采用国际惯例来描述我们的配电系统和分析各个系统优缺点。

    目前配电系统种类有：TT、TN、IT系统。
    其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统。
I、T、N、C、S含义：
I：insulation，在电源变压器端不需要接地，与地绝缘或通过气体放电管接地的方式。没有直接与大地连接。
T：法语，TERRY，接地的意思。
N：Neutral，中线的意思。
C: Combine，地线和中线合一。
S：Separate， 地线和中线分开。

1.TT配电系统：
    在变压器侧接地，在用户大楼接地且与大楼做等电位联结的配电系统，有两个独立的接地。
 
    在上图所示的电源中，10KV电路的故障电压通过接地的低压中线和相线传到用户使用大楼里面，电压是几百到几千伏，而用户设备的保护接地在用户大楼，电压是0V，这样在电器设备的输入线与接地线之间有非常高的电压，而且这个电压是稳态电压，不是一个浪涌电压。需要设备有很好的绝缘能力，否则在这个电压的作用下，绝缘会立即遭到破坏。在欧美国家，已经通过标准将这个电压限制在1200V以下。这样依照目前标准设计生产的电器设备绝缘能力能够满足这个要求。同样这里也反映出我们电源的N线是危险的。N线不是过去教科书上讲的那样，因为N线是接地的，所以是安全的，是可以触摸的。因此N线是危险的，需要与SELV电路双重绝缘或加强绝缘。
    现在在补充单一故障情况下，当N线发生断开故障时，N线也会带有与L线相同的电压，因此也需要与设备的SELV电路有双重绝缘或加强绝缘。分析如下图所示：
 

    电器设备负载1、2、3、4，它们的电源功率不同，电流不同，但是它们都有几十瓦到几千瓦功率。当在X处发生故障时，由于负载电阻很小，远远小于X断开处的电阻，这样在N1、N2、N3、N4处的电压与L1、L2、L3、L4电压几乎相同，是危险的电压。如果在设计电器设备认为N是安全可以触摸，并且将N当作保护接地，在电源插座内短路连接而导致设备外壳与N线直接连接，在这样的单一故障下，设备外壳带上220Vac电压，直接威胁使用人员的安全。同时这个时候表现出来的设备状态是市电停电，认为设备没有电了，更加放心的触摸设备，搬动设备，危险更大。
还有在单一故障时，只要三条L线之一与地发生断路故障，就会有电流通过故障点到大地，然后再通过变压器接地点，流回变压器。由于变压器接地点有接地电阻，这样在变压器附近的地就不是零电位了，很有可能超过80Vac，这样与地相连的N线，就不是0V了，是带有危险电压的线了，人站在大地上碰上这个N线，麻烦就找上门了。

    分析上述几个原因，在设备安全设计时，N线一定要与SELV、设备外壳有绝缘处理，绝缘等级等同于L线。TT配电系统适用于野外用电和路灯和农村用电。
     
    优点是：人们接触设备的部件是安全的，不需要在用电环境做等电位联结。设备之间没有电位差异，设备之间干扰少。

    缺点是：要求设备绝缘能力高。

2.  TN配电系统
    TN配电系统分为：
    TN-C配电系统
    TN-S配电系统
    TN-C-S配电系统

2.1  TN-C配电系统

    在变压器侧接地，通过PEN线将保护接地接到大楼，在大楼处将PE和N线分开，而且PE线与大楼做等电位联结。
 
    在如图所示的配电系统中，在10KV侧的故障，产生的转移过电压，通过PEN线传到建筑物中，但是PEN线分离出来的PE线，在建筑物入口处与建筑物的地线等电位联结，然后与用电设备相连，这样10KV侧故障的转移过电压同时施加在用电设备的外壳、LN线和使用人员接触的地面上，这样在设备的外壳、LN线和使用人员接触的地面的电压差是固定的，不会因为转移电压导致设备绝缘要承受更高的电压。设备和使用人员能够得到很好的保证。

    TN-C配电的缺点:

    如图所示，在两个建筑物使用TN-C的配电系统，大楼A和B都使用电源，并且在PEN线上有电流流动，根据欧姆定律，有U=I×R，这样导致大楼A和大楼B的参考地电位不同，如果在AB之间有通信连接，这样导致通信受到干扰。EMC干扰大。

    TN-C将10KV的故障产生的转移过电压一同加到用电设备的外壳和LN线上，这样要求TN-C的用电环境需要有等电位联结，否则对使用人员有生命危险。

    TN-C配电系统优点：用电设备的绝缘能力不需要专门提高。

2.2  TN-S配电系统
    在变压器侧接地，通过独立的PE线，将保护地线接到用电大楼。
 

    TN-S配电系统优点：
    TN-S系统，采用独立的保护地线，这样在个给用电大楼地电位为0，没有电压差，电磁干扰小。
    TN-S配电系统优点：用电设备的绝缘能力不需要专门提高。
    TN-S配电系统缺点：
    TN-S将10KV的故障产生的转移过电压一同加到用电设备的外壳和LN线上，这样要求TN-C的用电环境需要有等电位联结，否则对使用人员有生命危险。
    比TN-C配电系统需要增加一根独立的PE线。成本增加。

2.3  TN-C-S配电系统：
 
    TN-C-S系统特点在TN-C和TN-S之间。能够部分减少设备之间的干扰和降低部分成本。

3.IT 配电系统
 
总结
    TT、TN、IT配电系统的要求：
 
 
    由上面分析可以得到这个情况：我们的电气设备，不是有一个接地就万事大吉了。有了这个接地，可能会带来很多新的问题。地线不是代表０Ｖ，很有可能是非常高的电压，也可能有几十伏的电压。因此对待地线需要非常慎重处理的。地线有很多危险。需要合理的工程处理后，地线才是安全的。

附录2：在讨论电的问题上，我首先介绍一个标准：GB/T13870.1-1992, idt IEC IEC60479-1
电流流过人体效应
    国际电工委员会TC64通过大量的试验和数据总结，形成一个基础标准IEC60479，对应的国家标准是GB/T13870.1-92。其中IEC60479-1是关于15-100Hz电流流过人体的效应。
下图是IEC60479-1，在不同电流下的反应。
 
    先解释一下图中各个区域和曲线的含义：
    本图使用的坐标图，横轴是流过人体电流的大小，纵轴是电流流过人体的时间。在这个图中，总的可以看出，人接触电流对人的威胁或感觉与接触时间有关系。我们一般在考察和测试标准，不会考虑短时间接触，而是考虑长时间接触。因此我们在设计产品时采用稳定的最小值作为依据。

    AC-1:在直线a所在的0.5mA处，是表示人体会感到有电流，在直线a左边的AC-1区域是人体没有感觉的区域。我们许多电器产品安全标准中，把Ⅱ类电器设备的漏电流确定在这个值的一半。比如IEC60950-1表5A规定Ⅱ类电器设备漏电流小于0.25mA。

    AC-2:在曲线b的左边和直线a的右边时AC-2区域。曲线b是人体摆脱电流最大限值，在这个电流以上，人体失去摆脱电源能力。在区域AC-2中，人感到触电，而且痛苦。2s以上长时间接触电路是10mA。在10mS以下时间接触是200mA。
    AC-3:在曲线c1左边，曲线b右边，是AC-3区域。在这个区域内，对人体危害是：不会发生器质性损伤，可能发生肌肉痉挛似的收缩，当时间超过2s时，呼吸困难。随着电流量和时间增加，使心脏内心电冲动的形成和传导有可以恢复的紊乱，包括心房纤维性颤动和心脏短暂停搏。但是不会发生心室纤维性颤动。

    曲线c1是一个非常重要的参数，长时间接触的值是30mA。因此在IEC60364-4中，辅助防止直接接触的措施中，使用的剩余电流检测器规定这个电流不能大于30mA。

剩余电流保护器（RCD- Residual current Device）:

    也是在现在的新建住宅小区内，家庭的配电盒内部都装有30mA的剩余电流保护器（漏电流保护器）。这个保护器，对于生活用电非常重要，在各种意外碰到电源时，能够提供很好的补充防触电措施。对于剩余电流保护器电流设定，在各个国家和地区不同，比如，很多地方使用30mA，而在香港是20mA。

    剩余电流保护器的参数需要注意：在0－12mA，保护器一定不能动作，在12－25mA，是可以动作和不动作，在25mA－30mA，一定要动作。还有漏电流保护器分为电子式和电磁式两种。其中由于电子式的有工作缺陷，在一些国家和地区强制不能使用。电磁式的漏电流保护器可以在全球使用。

    AC-4:在曲线c1右边，电流量和通电时间增加，除了出现AC-3的效应外，还可出现如心室纤维性颤动、心跳停止、呼吸停止、严重烧伤等危险的病例生理效应。――电死人了。

    AC-4-1：在这个区域内，心室纤维性颤动概率是5%。也就是俗称有5%的人受不了死掉了。

    AC-4-2：在这个区域内，心室纤维性颤动概率是50%。也就是俗称有50%的人受不了死掉了。

    AC-4-3：在这个区域内，心室纤维性颤动概率是超过50%。也就是俗称有超过50%的人受不了死掉了。

    对于直流电源，构成生命危险是刚接触到的电源时，电流上升阶段是造成的，因此人能够承受的DC电流比交流会高许多。关于流过人体电流效应具体情况，在标准GB/T13870.1-92和IEC60479-1有详细描述。因此我们在设计电器设备时，要严格控制电器设备的接触电流，这个要求在各个产品标准中都有要求，只是具体的要求要求在不同标准要求有小的差别，但是都是控制在安全的范围内。

     这个标准核心的是电流流过人体时产生的反应，不是人们常说的电压。电压的大小，不会对人的生命构成威胁，最极端的是当一个人的衣服是化纤材料制成的，尝尝会带有几万到几十万伏的电压，但是人不会感到不舒服，这是因为没有电流流动，但是当带电的人去接触电位比较低的导体发生放电时，就会感到被电击，这是因为在放电时，产生了电流。

    人在干燥情况下，人体电阻比其它情况下大许多。如果在其它情况下，那么对人体的安全要求就会发生很大变化。下面就讨论这些变化：

    现在我们有电流指标和电阻指标，根据欧姆定律U=I×R，所以安全电压也就相对固定下来了。但是我们人体的电阻主要集中在皮肤上，人体内部是没有多大电阻的，所以随着人体表面的湿度变化，电阻是变化很大的。又由于人的皮肤很薄，所以接触电源电压变化人体电阻又有不同变化，基本上电压增高，人体电阻减少。因此在不同环境下，对于安全电压的定义是有很大区别的。在过去的教材中间，过分强调安全电压，没有考虑使用条件和环境，没有考虑到对人构成威胁是电流，导致没有考虑这个安全电压使用的环境，结果也发生36Vac电压把人电死事件。在以后讲到IEC60364-7特殊环境下的要求就会讲到，人在水中的电压限制在12V以下要求，否则流过人体电流就会超过30mA，致人于死地。在IEC60364标准里面定义了在各种条件下的最高电压限制要求，包括交流和直流。     

    标准IEC60950-1只对一般环境下的安全电压定义，电压值只有IEC60364的一半，IEC60950-1没有定义特殊条件下的安全电压，在IEC60950-22室外设备中，将安全电压值在IEC60950-1基础上降低一半，这是因为室外设备有可能在雨天维护，维护人员身体是潮湿的，接触地面是潮湿的，使用环境和条件发生变化了，人体电阻变小了，所以电压也应该降低。如果人完全浸入水中，这时的电压更低，只有12Vac，这个条件下，很多绝缘等非常难以达到。所以在IEC60364-7种关于浴室的要求中，使作等电位联结。这是因为人在浴室中完全浸入水中，全身被水湿透，人体电阻非常小，导致需要达到30mA电压非常低。标准不同，对漏电流测试方法不同，但是它们都是留有很大的余量，它们都在IEC60479安全要求的电流范围内。

总结：
    威胁人们生命的是不合适的电流流过人体，不是人体带了或接触了多高的电压。因此常规状态下的安全电压，只是适合在常规条件和范围，超过了这个范围，安全电压也不安全了。要安全使用电器设备，我们责任是使用合理的技术手段切断流过人体的不适应的电流。

    合理技术手段切断流过人体不适应的电流的方法很多，在产品设计和工程设计上，有着比较大的不同惯用手段。在工程设计中，主要采用等电位连接方法和隔离方法多；产品设计往往从标准出发，使用绝缘手段多。这两个方法各有局限和优缺点，最后提供给人们安全的生活环紧，需要这三个方法很好配合。但是这个三个方法目前还没有很好配合好，所以也导致有通过安全认证产品仍然电死人的事件发生。

    如需更多资料，请发信到以下地址：Service@morlab.cn或致电：0755-61281201。