防爆紅外烘箱電氣設計分析

焦國慶

（深圳市新嘉拓自動化技術有限公司，廣東深圳 518118）

0 引言

如今動力電池的市場越來越大，對于制作電芯核心工藝的涂布機的效率要求也隨之越來越高，而涂布機提速的最大瓶頸還是在烘箱干燥，理論上烘箱的長度已經決定涂布機所能生產的最高速度，而由于廠房空間和能耗的限制，烘箱的長度不能無限加長，烘箱加熱源（導熱油、蒸汽、電加熱）等熱交換效率低，加上陰極烘箱屬于防爆環境等多種因素影響，這個問題一直沒有得到很好的解決。

經過多方面的研究及驗證，紅外加熱穿透性強，干燥效率高，用來輔助干燥將能很好地解決這個問題。但烘箱區域有爆炸性氣體產生，為了能在防爆環境中安全使用紅外加熱，根據相關標準設計了一套防爆高效紅外加熱裝置，能將紅外加熱安全地應用于正極的涂布干燥，并能有效避免極片干燥過程中產生的NMP氣體發生爆炸。該裝置通過了南德TUV的防爆評估認證，且使涂布機的工作效率有較大提高，涂膜速度最高達120 m/min。裝置內最復雜的是電氣相關的設計，下面就此進行詳細分析。

1 防爆分區及電氣硬件設計要求

裝置整體結構圖如圖1所示。

圖1 裝置整體結構圖

1.1 危險區域的劃分

參照國標《爆炸性氣體環境用電氣設備第14部分：危險場所分類》（GB 3836.14—2000）[1]，根據爆炸性氣體連續出現的頻率和持續的時間把危險場所分為以下區域：

0區：爆炸性氣體環境連續出現或長時間存在的場所。

1區：在正常運行時，可能出現爆炸性氣體環境的場所。

2區：在正常運行時，不可能出現爆炸性氣體環境，如果出現也是偶爾發生并且僅短時間存在的場所。

根據以上防爆標準，結合我司實際情況，防爆紅外烘箱內部和抽風管道定義為1區，裝置外部環境1 m范圍內定義為2區。

1.2 1區、2區用電氣設備的選型要求

參照國標《爆炸性氣體環境用電氣設備第15部分：危險場所電氣安裝（煤礦除外）》（GB 3836.15—2000）[1]，危險場所用電氣設備應滿足：

（1）如電氣設備符合用于0區要求或下列防爆型式的一種或多種要求，該電氣設備可用于1區：隔爆外殼、正壓型、沖沙型、油浸型、增安型。（2）0區或1區用電氣設備或符合IEC 60079-15的“n”型電氣設備可以用在2區。

1.3 布線要求

參照國標《爆炸性氣體環境用電氣設備第15部分：危險場所電氣安裝（煤礦除外）》（GB 3836.15—2000）[1]9.3項相關規定，爆炸性環境電纜配線技術要求（電纜需使用阻燃電纜）如下：

爆炸1區：（1）電力：銅芯2.5 mm2及以上；（2）照明：銅芯2.5 mm2及以上；（3）控制：銅芯1.0 mm2及以上。

爆炸2區：（1）電力：銅芯1.5 mm2及以上，鋁芯16 mm2及以上；（2）照明：銅芯1.5 mm2及以上；（3）控制：銅芯1.0 mm2及以上。

2 防爆紅外烘箱設備（元器件）選型

參照危險區域的劃分標準與電氣設備的選型及布線要求，我司防爆紅外烘箱區域設備（元器件）情況如下：風機電機、主傳動電機、熱電偶、風速儀、數顯壓差表、濃度傳感器、接線箱均為隔爆型，極片紅外檢測探頭、主傳動檢測開關為本安型。

3 烘箱區域布線及設備安裝示意圖

參照國標《爆炸性氣體環境用電氣設備第15部分：危險場所電氣安裝（煤礦除外）》（GB 3836.15—2000）[1]要求進行烘箱區域布線及設備安裝，如圖2所示，整體說明如下：烘箱區域內電纜都是通過線槽、電纜管、波紋管（極少數設備于電纜管交接處使用）進行敷設。線槽、金屬電纜管、波紋管只是對電纜起保護作用，防爆隔離是經過進入設備的防爆密封接頭來完成的，強電電纜都是整根進入設備內部，烘箱區域沒有電纜接頭。部分信號電纜會進入防爆接線盒內，通過接線端子進行信號分配，防爆接線盒電纜進線、出線都是根據電纜線徑選擇合適的防爆密封接頭進行密封。

圖2 烘箱電氣設備安裝圖

4 防爆紅外烘箱的電氣功能及聯鎖設計

4.1 防爆分區計算

根據EN 1539:2015中關于A類干燥箱的相關要求[2]，先進行爆炸分區計算。已知以下參數：（1）烘箱內部最高溫度：150 ℃；（2）NMP爆炸下限濃度：43.813 g/m3；（3）極片中NMP輸入含量：6 720 g/h。

根據以上客戶提供的相關工藝指標，結合防爆烘箱裝置各項機械設計指標及相關參數綜合計算，結果如下：根據坐標查詢，最終計算結果為RANGE 1。

4.2 防爆安全監控措施

根據4.1計算結果，為保證設備失控狀態下不發生爆炸，相關安全監控聯鎖措施設計如下。

4.2.1 烘箱溫度雙通道監控

控制邏輯：采用兩組溫度探頭對烘箱的實際溫度進行監控，在各自對應的溫度控制器內設置最高、最低溫度范圍，當任意一組溫度探頭或兩組同時監測到烘箱溫度異常，溫度控制器立即輸出信號到安全PLC，安全PLC輸出一路信號切斷紅外加熱，停止烘箱加熱；另外輸出一路信號給排風變頻器，使排風變頻器按最大設定頻率運行，加大通風量；第三路輸出給烘箱傳動，使烘箱傳動緊急停止，切斷可燃物質的輸入。

4.2.2 烘箱NMP濃度單通道監控

控制邏輯：NMP傳感器實時對烘箱NMP濃度進行監控，當檢測到NMP濃度超過設定值時，傳感器立即輸出信號到安全PLC，安全PLC輸出一路信號切斷紅外加熱；另外輸出一路信號給排風變頻器，使排風變頻器按最大設定頻率運行，加大通風量；第三路輸出給烘箱傳動，使烘箱傳動緊急停止，切斷可燃物質的輸入。

4.2.3 烘箱通風量雙通道監控

控制邏輯：采用兩組風量探頭對烘箱的實時風量進行監控，在各自對應的風量控制器內設置最低風量值，當任意一組風量探頭或兩組同時監測到烘箱風量低，風量控制器立即輸出信號給安全PLC，安全PLC輸出一路信號切斷紅外加熱，停止烘箱加熱；另外輸出一路信號給排風變頻器，使排風變頻器按最大設定頻率運行，加大通風量；第三路輸出給烘箱傳動，使烘箱傳動緊急停止，切斷可燃物質的輸入。

4.3 常規功能聯鎖

4.3.1 循環風機控制聯鎖

（1）循環風機軸轉速監控信號異常，紅外加熱停止。（2）風機變頻器異常，加熱停止，加熱接觸器切斷。（3）熱膨脹保護開關動作，高溫保護，接觸器切斷。（4）出風口熱電偶溫度監控，高溫報警，加熱電源切斷。（5）排風機出口處風速監控，風速過低，紅外加熱停止。

4.3.2 消防系統聯鎖

（1）隔爆閥信號觸發，消防系統自動啟動。（2）防爆板信號觸發，消防系統自動啟動。（3）手動控制啟動。當發生意外時，手動開啟消防箱的滅火裝置。

4.3.3 紅外燈管控制聯鎖

（1）烘箱門打開，紅外加熱停止，接觸器斷開，待關閉后可重新手動啟動。（2）燈管表面溫度監控，超溫報警（低溫＜100 ℃，高溫＞580 ℃），加熱停止，加熱接觸器斷開。（3）極片表面溫度對比（紅外極片溫度檢測），超高報警，并關閉紅外燈管，接觸器斷開。（4）與烘箱風機啟停聯動，烘箱風機啟動后允許紅外燈管開啟，紅外燈管未關閉則風機無法停止。（5）每節烘箱紅外燈管供電設立獨立斷路器、接觸器、功率調節器。（6）紅外管增加冷卻風量監測，冷卻風流量低，紅外加熱停止，接觸器斷開。（7）每節烘箱燈管回路增加獨立數顯電流感應器，達到設定值時輸出PLC報警停機，紅外加熱空開脫扣。

4.3.4 停機控制

（1）排風量監測：兩路風量監測，風量低于設定值停NMP輸入（停止涂布），停止加熱，控制提高排風量。（2）NMP濃度監控：兩路濃度監測，濃度達到報警值停NMP輸入（停止涂布），停止加熱，控制提高排風量。（3）溫度監控：烘箱內一處監測，極片上兩處監測，溫度達到限值（計算時用的150 ℃）停NMP輸入（停輥轉），停止加熱，控制提高排風量。（4）負壓監控：箱體負壓，達到限值停NMP輸入（停止涂布），停止加熱，控制提高排風量。（5）紅外燈管冷卻風風量監控：設定限值，監控保證正壓，以防危險氣體進入。低于限值停NMP輸入（停止涂布），停止加熱，控制提高排風量，提高冷卻風風量。（6）紅外燈管溫度監控：達到限值停NMP輸入（停輥轉），停止加熱，控制提高排風量，提高冷卻風風量。（7）開啟/關閉：以上全部停機都不能自動重啟。（8）啟動前需要先開啟排風和冷卻風一段時間后才能運行，停機后排風和冷卻風需要在一段時間后才能停止，時間根據換氣量規定。

4.3.5 安全門聯鎖

（1）烘箱門打開，紅外加熱立即斷電。（2）烘箱內溫度小于等于60 ℃，允許開門。

5 結語

以上就是防爆紅外烘箱裝置的電氣設計重點，第一臺帶該裝置的高速涂布機在C公司已經成功試產，并通過了南德TUV的防爆認證。烘箱在長度不變的情況下，加熱速度提高20%以上，并且極片質量有一定提升。