電熱水器整機防火性能試驗研究

師寧寧 隋超＊ 蔡想周 劉洋 張麗華 陳中祥

（1.青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司，山東青島 266101；2.青島市產品質量監督檢驗研究院，山東青島 266101）

隨著人民消費水平的提高，家用電器也越來越普及，據2013—2016 年《中國消防年鑒》[1-4]統計，我國年均發生火災事故36 萬起，其中由電器引發的火災平均占比為29.4%，已經是第一制火原因。因此家電制造商在電器結構設計時必須考慮到如何防止產品內部起火蔓延到外部，減小電器自身起火的比重。電熱水器的工作電流一般不小于10 A，屬于大功率電器，內部線束多為快接端子連接，快接端子可能因為設計缺陷或者安裝人員不規范操作導致產生局部高溫引發起火。電熱水器的電氣室一般與機身右側的端蓋一體設計，其中比較理想的一種設計方式是采用外收口設計，即金屬端蓋采用多齒扣咬在金屬外殼上，這種金屬殼體既能有效隔絕氧氣進入電氣室燃燒又能防止火勢外延[5]，然而由于材料成本限制導致這類電熱水器市場占比較小。目前市面上電熱水器端蓋大多采用塑料材質，電氣室也大多采用具有一定阻燃性能的EPS、PS、ABS、聚氨酯等材質，這些種類的電熱水器的整機防火性能就值得商榷。目前IEC 正在制定關于整機燃燒試驗的標準以判定設備內部起火或過熱是否會導致設備外部的附著物著火，這項標準發布后將會被IEC TC61 系列標準引用到安全標準中，成為產品在相關地區上市的強制性要求。具體做法是在整機內部潛在燃燒源上實施鎳鉻絲試驗，整機外包裹包裝絹紙，看絹紙是否被引燃或烤焦。本文采用我司產品出口某海外地區當地化安全檢驗規范中的測試方法，對采用EPS、PS 和ABS 材質用做電氣室的三類電熱水器進行測試，為電熱水器生產廠家提供部分測試參考。

1 試驗部分

1.1 儀器和設備

試驗所需相關的儀器和設備：直流穩壓穩流電源、功率表、數據記錄器、萬用表、秒表、尺子、顯示器、熱絲、絹布、熱電偶、錄像機、手電筒等。

1.2 試驗準備

首先用尺子測量出要與端子接觸的熱絲長度，根據熱絲的電阻性質，計算與端子接觸的熱絲的電阻值，并計算出功率達到210 W 時的電流，將熱絲按照圖1 所示的方式插接到端子最不利的位置。

圖1 熱絲布線的參考方式

將整理好的端子如圖2 所示插接回PCB 板，并將熱電偶固定在距離端子起火點附近位置上。注意熱絲不得與整機內部其他帶電部件接觸，以防止形成另外的電流回路，影響測試。

圖2 熱電偶的固定方式

為方便觀察產品內部的燃燒情況，需要準備攝像機將其固定在容易觀測的位置記錄整個測試過程。在安裝過程中為避讓走線而破損維修蓋的部位應該用鋁箔膠帶密封，防止因為密閉性不一致而影響測試結果。最后將電熱水器復原歸位，在可能蔓延出火焰的地方或溫度較高的位置表面鋪放絹布，如圖3所示。

圖3 產品表面鋪放絹布

1.3 測試方法

為確保安全，整個試驗必須在特殊燃燒實驗室內進行。給熱絲施加2 A 電流持續2 min，然后以每2 min 電流增加1 A的速度增加電流，直到火焰產生或達到210 W 功率時的最大電流。如果樣件沒有起燃，則持續施加最大電流30 min 或到熱絲燒斷。如果在樣件起燃前熱絲電阻下降較大，說明有短路產生，需停止測試，待整理好后重新測試。如果樣件起燃，持續施加該電流30 min，除非熱絲燒斷或火焰蔓延出產品。如果火焰蔓延出產品則立即停止測試，測試不合格，燃燒曲線參考圖4，測試過程應記錄下煙霧和火焰產生時對應的電流和時間。

圖4 強制燃燒測試曲線圖

2 結果與討論

2.1 不同連接元件端子的燃燒現象分析

分別對電源線端子、熱斷路器端子、繼電器端子和加熱管導線端子實施鎳鉻絲試驗，并記錄下對應的燃燒現象以及電流、電壓和時間等參數，結果見表1。

通過表1 可以將端子的燃燒情況歸納為兩類，一類是端子在熱絲加熱過程中始終沒有被引燃，如熱斷路器端子和電源線端子，通過圖5 可以看出熱電偶感測的溫度曲線上升較為平緩,在持續施加最大電流后最高溫度為122℃。試驗后打開電氣室發現僅端子護套被熱絲烤化，其他部件未受影響。

表1 不同連接元件端子的燃燒現象

表1 不同連接元件端子的燃燒現象

圖5 熱斷路器端子燃燒曲線

通過圖6 得出在給電源線端子加熱過程中，熱電偶的感測溫度曲線上升也較為平緩，但在加熱前后出現大幅升溫現象，施加最大電流后溫度最高為495℃。結合攝像頭觀測在加熱10 min42 s 時出現的煙霧現象，發現此時對應曲線的上升速率也最為明顯。試驗后打開電氣室觀測到端子護套被熱絲烤化，也將旁邊的熱斷路器殼體烤的明顯變形。

圖6 電源線端子燃燒曲線

另一類是端子在加熱過程中被引燃，如繼電器端子和加熱管導線端子，通過攝像頭觀測到在加熱過程中有明顯的煙霧和火焰產生，通過圖7 和圖8 可以看出熱電偶感測的溫度曲線在起燃的瞬間陡然上升，而后隨著火焰的熄滅而瞬間下降。試驗后打開電氣室發現雖然端子護套被引燃，但在護套燒完后殘留物緊密的裹附在端子上，沒有繼續引燃其他部件。

圖7 繼電器端子燃燒曲線

圖8 加熱管導線端子燃燒曲線

2.2 不同材質電氣室的燃燒分析

從市場上選取各采用EPS、PS 和ABS 三種材質用做電氣室的電熱水器，對同樣部位的端子進行熱絲試驗，觀測端子起火后對不同材質電氣室周圍的燃燒情況，試驗結果見表2。

圖9 四類端子的燒損狀況

EPS 泡沫電氣室在通電加熱8 min47 s 時便有白色煙霧產生，隨后煙霧變渾濁并大量釋放。攝像頭觀測到此時并沒有火焰產生，但熱絲周圍呈現紅色光暈如圖10 所示。在加熱24 min12 s 時，有火焰產生，如圖11 所示，火焰持續40 s后熄滅，鋪放在電熱水器表面的棉紗未被引燃。試驗后打開電氣室發現EPS 泡沫已被嚴重燒損，連同PS 端蓋也被燒損，由此可見產生大量煙霧的原因是EPS 泡沫電氣室被燒灼，但沒有產生火焰。

圖10 EPS 電氣室產生煙霧攝像頭拍攝圖

圖11 EPS 電氣室產生火焰攝像頭拍攝圖

PS 和ABS 兩種材質的電氣室在燃燒試驗中表現相似，前期有灰白色煙霧產生，在增大電流到一定程度后端子產生火焰，火焰持續時間一般不超過1 min，試驗后打開電氣室觀測，繼電器端子的護套都已燒盡，PS 電氣室僅最靠近熱絲的部位有輕微燒損，ABS 電氣室則無燒損現象，鋪放在電熱水器表面的棉紗未被引燃。

3 結論

試驗結果表明采用硬塑殼護套的繼電器端子和采用硅膠殼護套的加熱管導線端子比采用熱縮管護套的電源線端子和熱斷路器端子更容易被引燃，阻燃性好的護套可以在起燃后短時間內自熄并且燃燒殘留裹附在金屬插片端子上不會有滴落引燃其他部件。采用EPS 材質的電氣室相比于采用ABS 和PS 材質的電氣室在端子起火時更容易被燒灼，煙霧的持續時間更長，釋放量也更大。另外試驗中距離起燃端子越近部件被燒灼的程度也越嚴重，因此在設計時應該避免端子離可燃部件距離過近。本文采用EPS、PS 和ABS 三類材質用做電氣室的電熱水器，在上述的強制燃燒測試中火焰都在短時間內自熄，產品表面鋪放的絹布沒有被引燃，有效阻止了火焰蔓延到機器外部，可見設計合理的電熱水器應具有一定的整機防火性能。目前電熱水器行業還沒有統一的整機強制燃燒測試的標準，廠家可采用類似本文的強制燃燒測試方法進行檢驗。如果火焰蔓延出機器外部應考慮換用更高阻燃等級的材料，甚至是采用金屬包裹的方式，以有效減少火災發生的幾率，提升消費者對電熱水器產品的信心。