烘箱加熱安全隱患改進(jìn)及實現(xiàn)

蘇會忠 孫同輝 王普祥 趙光帥

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621000）

0 引言

我所主要從事某易燃易爆危險品的生產(chǎn)研制，而設(shè)備的安全性是工藝、生產(chǎn)的基礎(chǔ)和重要保障。烘箱應(yīng)用于我所多條生產(chǎn)線及多類科研的前、后處理工序，其加熱過程的安全性是安全生產(chǎn)管理的重要管控環(huán)節(jié)。

本文改進(jìn)了易華天宇烘箱加熱負(fù)載的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，徹底消除了安全隱患。

1 烘箱故障及原理分析

1.1 烘箱故障現(xiàn)象

本文研究的對象是易華天宇制造的型號為AQ-20-300B的烘箱，在某次某產(chǎn)品的生產(chǎn)中出現(xiàn)了該種烘箱的中性線被燒燃，迫使生產(chǎn)線全線停機的嚴(yán)重故障。此種烘箱的繼續(xù)使用對產(chǎn)品的生產(chǎn)、設(shè)備和操作人員的安全均存在著重大隱患，如果不徹底解決，可能引發(fā)人員電傷、設(shè)備燒壞、生產(chǎn)受損甚至火災(zāi)等嚴(yán)重后果。

1.2 烘箱原理分析

1.2.1 三相負(fù)載的Y形連接

本文研究的烘箱類型所涉及的三相四線制電路，其三相電源和三相負(fù)載的連接方式均為Y形連接。每相負(fù)載的阻抗分別為ZU、ZV、ZW；流過相線的電流稱為線電流，分別用iU、iV、iW表示，其有效值用Il表示；流過每相負(fù)載的電流稱為相電流，分別用iUN、iVN、iWN表示，其有效值用IP表示；流過中性線的電流稱為中性線電流，用iN表示，其有效值用IN表示；加在負(fù)載上的電壓稱為相電壓，分別用uU、uV、uW表示，其有效值用UP表示[1]。三相四線制電路如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)負(fù)載為Y形連接方式時，三相負(fù)載的線電壓就是電源的線電壓，而加在各相負(fù)載兩端的相電壓等于電源的相電壓，負(fù)載相電流等于線電流。每一相電源與負(fù)載、中性線構(gòu)成獨立回路，故可采用單相交流電的分析方法對每相負(fù)載所在回路進(jìn)行單獨分析。

相電流、相電壓與各相負(fù)載的相量關(guān)系如下：

根據(jù)基爾霍夫電流定理可知，中性線上的電流為：

通常情況下，中性線電流總是小于線電流，而且各相負(fù)載越接近對稱，中性線電流就越小。因此，中性線的導(dǎo)線截面積可以比相線的小一些。

1.2.2 對稱負(fù)載

如果ZU=ZV=ZW=ZP，則該負(fù)載稱為對稱三相負(fù)載，此時：

每相電流的大小、相電流與相電壓的相位差均相同，各負(fù)載中的相電流是對稱的。若以iU為參考相量，相電流相量關(guān)系如圖2所示[2]。

根據(jù)相量圖可知，有：

1.2.3 故障原因分析

易華天宇烘箱加熱回路采用單根3 kW電加熱絲，控溫回路采用溫控儀表與固態(tài)繼電器組合的方式實現(xiàn)溫度控制功能，三相負(fù)載為Y形連接方式，構(gòu)成三相四線制電路。因此，當(dāng)一組固態(tài)繼電器出現(xiàn)損壞時，在三相四線制加熱電路的負(fù)載端中性線上就會產(chǎn)生較大電流，而中性線的截面積較小，導(dǎo)致其阻值偏大，當(dāng)大電流流經(jīng)時就可能導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)熱，若大電流作用時間較長或線路老化就易發(fā)生線纜燒壞故障，這種情況存在嚴(yán)重的安全隱患，不利于我所的安全科研與生產(chǎn)。

2 改進(jìn)設(shè)計、實現(xiàn)及實驗

2.1 理論分析與設(shè)計

根據(jù)此烘箱結(jié)構(gòu)和原理，當(dāng)負(fù)載端采取對稱負(fù)載Y形連接方式時，中性線可省去，此時電路可簡化為三相三線制。當(dāng)中性線被省去后，并不影響三相負(fù)載的工作，三個相電流便借助各相線及各相負(fù)載互成回路，各相負(fù)載的相電壓仍為對稱的電源相電壓，如圖3所示。

2.2 實現(xiàn)及實驗

筆者將線路改進(jìn)為三相對稱Y形連接三相三線制后進(jìn)行相關(guān)測試與驗證。在使用此種結(jié)構(gòu)的情況下即使出現(xiàn)損壞一組固態(tài)繼電器的故障，剩余兩組加熱負(fù)載電壓分別變?yōu)?90 V，雖然負(fù)載的電壓下降后會導(dǎo)致烘箱加熱的速率略微降低，但也不會出現(xiàn)大電流甚至燒壞電纜線路的安全隱患。

通過查閱目標(biāo)烘箱的銘牌與原理可知：烘箱功率為70 kW，加熱器采用Y形連接法進(jìn)行連接，負(fù)載端的中性點接中性線，中性線采用10 mm2的銅芯電纜。為驗證本文設(shè)計與改進(jìn)方法的合理性，進(jìn)行如下測試與實驗：

（1）當(dāng)三相線路工作均為正常情況時，將加熱器的中性點直接連接中性線，此時測得三相電流分別為U相107.1 A，V相102.4 A，W相101.8 A，中性線電流為4.9 A。

（2）當(dāng)三相電路工作正常及加熱器中性點未接中性線時，測得三相電流分別為U相103 A，V相100.6 A，W相99.6 A；當(dāng)三相電路中某一相發(fā)生故障導(dǎo)致三相缺相，中性點不接中性線時測得三相電流為V相88.5 A，W相88.5 A，而將加熱器的中性點直接連接中性線，此時測得三相電流分別為V相101.6 A，W相93.2 A，中性線上的電流為81.7 A。

（3）在A相加熱固態(tài)繼電器損壞的情況下，去掉中性線，A相電流值如圖4所示。

（4）在A相加熱固態(tài)繼電器損壞的情況下，去掉中性線，B相電流值如圖5所示。

分析實驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)因固態(tài)繼電器損壞或加熱器某一組加熱絲損壞造成缺相運行問題時，中性線上出現(xiàn)的大電流將可能引發(fā)線路過載，造成火災(zāi)等嚴(yán)重事故。

上述實驗充分驗證了大功率三相Y形加熱回路中性點接零存在嚴(yán)重的安全隱患，目前已將中性點與中性線斷開，并在設(shè)備履歷書進(jìn)行改進(jìn)的注明。

3 其他類似問題及整改

在我所的其他科研、生產(chǎn)設(shè)備中，也曾經(jīng)發(fā)生過類似問題，后通過分析故障原因、實施整改措施，問題得到了徹底解決。

3.1 平板硫化機

平板硫化機用于在工藝控制溫度下對高分子材料原料進(jìn)行平板加熱，得到硫化產(chǎn)品。設(shè)備主要包括基座、四柱支架、加熱平板、控制系統(tǒng)。其中，加熱控制是設(shè)備的關(guān)鍵部分。設(shè)備加熱分為上板、中板、下板三個區(qū)域，每個平板包括四個加熱線圈，分別放置于三個平板內(nèi)部，分別通過加熱控制器控制各加熱線圈的加熱電流，從而實現(xiàn)平板區(qū)域內(nèi)的均勻加熱，保證硫化效果。

在我所的預(yù)檢修排查中，發(fā)現(xiàn)電源的中性線有焦煳老化現(xiàn)象，檢查電源，控溫儀表正常，但是其中一個固態(tài)繼電器為故障狀態(tài)，固態(tài)繼電器輸入為儀表輸出電壓控制，輸出點常開，用鉗形電流表測量三相電源電流，損壞固態(tài)繼電器所在的L1相電流為0 A，L2相電流為26 A，L3相電流為27 A，中性線上的電流特別大，約為25 A。排查中性線存在大電流的原因，問題還是出在加熱負(fù)載為三相四線連接，而國標(biāo)電纜的中性線線徑就比相線線徑小，所以當(dāng)中性線有大電流時就會超過中性線的承載電流，長時間使用就會有焦煳老化現(xiàn)象，對此三相對稱加熱負(fù)載，維修人員去掉了中性線，重新接好保護(hù)接地，問題得到解決。

3.2 捏合機

捏合機用于在一定工藝溫度、壓力、轉(zhuǎn)速下對化工物料進(jìn)行混合，設(shè)備主要包括主機、液壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。其中主機設(shè)計為夾套，夾套內(nèi)由熱水系統(tǒng)提供熱源，滿足物料混合的溫度要求，水加熱器為主機夾套提供熱循環(huán)水。水加熱器型號為PSJ24-26，在使用過程中，操作人員報控溫故障，檢查故障根源，發(fā)現(xiàn)也是三相對稱平衡負(fù)載的其中一相出現(xiàn)加熱故障，中性線上的大電流已經(jīng)將中性線端子燒毀。

4 運維建議

烘箱的維護(hù)與其使用壽命息息相關(guān)，在設(shè)備運行過程中要時刻關(guān)注烘箱的動態(tài)，使用前要檢查烘箱的各項指標(biāo)是否正常，檢查加熱管有無損壞，線路是否老化。建議每年更換一次該類烘箱控制加熱的固態(tài)繼電器，檢查烘箱溫度控制器儀表控溫是否正常，如果控溫不準(zhǔn)確，應(yīng)該調(diào)整溫控器的靜態(tài)補償或者PID值，同時每次預(yù)檢烘箱時增加烘箱全功率加熱時運行電流的檢測，用于判斷固態(tài)繼電器和加熱器是否正常工作。

5 結(jié)語

本文通過對烘箱的故障現(xiàn)象及其加熱控制系統(tǒng)原理進(jìn)行理論分析，對烘箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計及實現(xiàn)。實施后至今未出現(xiàn)相關(guān)線路的電氣故障，不僅徹底消除了安全隱患，還為類似設(shè)備的故障維修及設(shè)備運維提供了一定的借鑒。