烘箱加熱安全隱患改進及實現

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研制，而設備的安全性是工藝、生產的基礎和重要保障。烘箱應用于我所多條生產線及多類科研的前、后處理工序，其加熱過程的安全性是安全生產管理的重要管控環節。

本文改進了易華天宇烘箱加熱負載的控制系統結構，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，在某次某產品的生產中出現了該種烘箱的中性線被燒燃，迫使生產線全線停機的嚴重故障。此種烘箱的繼續使用對產品的生產、設備和操作人員的安全均存在著重大隱患，如果不徹底解決，可能引發人員電傷、設備燒壞、生產受損甚至火災等嚴重后果。

1.2 烘箱原理分析

1.2.1 三相負載的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載的連接方式均為Y形連接。每相負載的阻抗分別為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，當負載為Y形連接方式時，三相負載的線電壓就是電源的線電壓，而加在各相負載兩端的相電壓等于電源的相電壓，負載相電流等于線電流。每一相電源與負載、中性線構成獨立回路，故可采用單相交流電的分析方法對每相負載所在回路進行單獨分析。

相電流、相電壓與各相負載的相量關系如下：

根據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，而且各相負載越接近對稱，中性線電流就越小。因此，中性線的導線截面積可以比相線的小一些。

1.2.2 對稱負載

如果ZU=ZV=ZW=ZP，則該負載稱為對稱三相負載，此時：

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

根據相量圖可知，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繼電器組合的方式實現溫度控制功能，三相負載為Y形連接方式，構成三相四線制電路。因此，當一組固態繼電器出現損壞時，在三相四線制加熱電路的負載端中性線上就會產生較大電流，而中性線的截面積較小，導致其阻值偏大，當大電流流經時就可能導致嚴重發熱，若大電流作用時間較長或線路老化就易發生線纜燒壞故障，這種情況存在嚴重的安全隱患，不利于我所的安全科研與生產。

2 改進設計、實現及實驗

2.1 理論分析與設計

根據此烘箱結構和原理，當負載端采取對稱負載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。當中性線被省去后，并不影響三相負載的工作，三個相電流便借助各相線及各相負載互成回路，各相負載的相電壓仍為對稱的電源相電壓，如圖3所示。

2.2 實現及實驗

筆者將線路改進為三相對稱Y形連接三相三線制后進行相關測試與驗證。在使用此種結構的情況下即使出現損壞一組固態繼電器的故障，剩余兩組加熱負載電壓分別變為190 V，雖然負載的電壓下降后會導致烘箱加熱的速率略微降低，但也不會出現大電流甚至燒壞電纜線路的安全隱患。

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

（1）當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；當三相電路中某一相發生故障導致三相缺相，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。

分析實驗數據可知，當因固態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，中性線上出現的大電流將可能引發線路過載，造成火災等嚴重事故。

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重的安全隱患，目前已將中性點與中性線斷開，并在設備履歷書進行改進的注明。

3 其他類似問題及整改

在我所的其他科研、生產設備中，也曾經發生過類似問題，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行平板加熱，得到硫化產品。設備主要包括基座、四柱支架、加熱平板、控制系統。其中，加熱控制是設備的關鍵部分。設備加熱分為上板、中板、下板三個區域，每個平板包括四個加熱線圈，分別放置于三個平板內部，分別通過加熱控制器控制各加熱線圈的加熱電流，從而實現平板區域內的均勻加熱，保證硫化效果。

在我所的預檢修排查中，發現電源的中性線有焦煳老化現象，檢查電源，控溫儀表正常，但是其中一個固態繼電器為故障狀態，固態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載為三相四線連接，而國標電纜的中性線線徑就比相線線徑小，所以當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象，對此三相對稱加熱負載，維修人員去掉了中性線，重新接好保護接地，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、轉速下對化工物料進行混合，設備主要包括主機、液壓系統、真空系統、熱水系統、控制系統。其中主機設計為夾套，夾套內由熱水系統提供熱源，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，發現也是三相對稱平衡負載的其中一相出現加熱故障，中性線上的大電流已經將中性線端子燒毀。

4 運維建議

烘箱的維護與其使用壽命息息相關，在設備運行過程中要時刻關注烘箱的動態，使用前要檢查烘箱的各項指標是否正常，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，如果控溫不準確，應該調整溫控器的靜態補償或者PID值，同時每次預檢烘箱時增加烘箱全功率加熱時運行電流的檢測，用于判斷固態繼電器和加熱器是否正常工作。

5 結語

本文通過對烘箱的故障現象及其加熱控制系統原理進行理論分析，對烘箱的結構進行了改進設計及實現。實施后至今未出現相關線路的電氣故障，不僅徹底消除了安全隱患，還為類似設備的故障維修及設備運維提供了一定的借鑒。