引言

我所主要從事某易燃易爆危險(xiǎn)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(duì)象是易華天宇制造的型號(hào)為A0-20-300B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(jī)的嚴(yán)重故障。此種烘箱的繼續(xù)使用對(duì)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[l]。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(shí),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(dú)立回路,故可采用單相交流電的分析方法對(duì)每相負(fù)載所在回路進(jìn)行單獨(dú)分析。相電流、相電壓與各相負(fù)載的相量關(guān)系如下:

電源相電壓與線電壓的有效值關(guān)系為,且:

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(duì)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(duì)稱負(fù)載

如果ZU=Z==Zw=ZP,則該負(fù)載稱為對(duì)稱三相負(fù)載,此時(shí):

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(duì)稱的。若以iU為參考相量,相電流相量關(guān)系如圖2所示。

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03w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(shí)現(xiàn)溫度控制功能,三相負(fù)載為k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(shí),在三相四線制加熱電路的負(fù)載端中性線上就會(huì)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(shí)就可能導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)熱,若大電流作用時(shí)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(jì)、實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)

2.1理論分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)此烘箱結(jié)構(gòu)和原理,當(dāng)負(fù)載端采取對(duì)稱負(fù)載k形連接方式時(shí),中性線可省去,此時(shí)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(gè)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(duì)稱的電源相電壓,如圖3所示。

圖3三相對(duì)稱負(fù)載的Y形連接

2.2實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)

筆者將線路改進(jìn)為三相對(duì)稱k形連接三相三線制后進(jìn)行相關(guān)測試與驗(yàn)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)?Y+=,雖然負(fù)載的電壓下降后會(huì)導(dǎo)致烘箱加熱的速率略微降低,但也不會(huì)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9+3w,加熱器采用k形連接法進(jìn)行連接,負(fù)載端的中性點(diǎn)接中性線,中性線采用1+772的銅芯電纜。為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)與改進(jìn)方法的合理性,進(jìn)行如下測試與實(shí)驗(yàn):

(1)當(dāng)三相線路工作均為正常情況時(shí),將加熱器的中性點(diǎn)直接連接中性線,此時(shí)測得三相電流分別為U相1+9.1m,=相1+2.4m,w相1+1.8m,中性線電流為4.Ym。

(2)當(dāng)三相電路工作正常及加熱器中性點(diǎn)未接中性線時(shí),測得三相電流分別為U相1+0m,=相1++.6m,w相YY.6m: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(diǎn)不接中性線時(shí)測得三相電流為=相88.5m,w相88.5m,而將加熱器的中性點(diǎn)直接連接中性線,此時(shí)測得三相電流分別為=相1+1.6m,w相Y0.2m,中性線上的電流為81.9m。

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

(4)在m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(shí)驗(yàn)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(yùn)行問題時(shí),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(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了大功率三相k形加熱回路中性點(diǎn)接零存在嚴(yán)重的安全隱患,目前已將中性點(diǎn)與中性線斷開,并在設(shè)備履歷書進(jìn)行改進(jìn)的注明。

圖4A相加熱固態(tài)繼電器損壞的情況下去掉中性線時(shí)A相電流

圖5A相加熱固態(tài)繼電器損壞的情況下去掉中性線時(shí)B相電流

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(shí)施整改措施,問題得到了徹底解決。

3.1平板硫化機(jī)

平板硫化機(jī)用于在工藝控制溫度下對(duì)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(gè)區(qū)域,每個(gè)平板包括四個(gè)加熱線圈,分別放置于三個(gè)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(shí)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)電源的中性線有焦蝴老化現(xiàn)象,檢查電源,控溫儀表正常,但是其中一個(gè)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(diǎn)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0A,L2相電流為26A,L3相電流為27A,中性線上的電流特別大,約為25A。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(shí)就會(huì)超過中性線的承載電流,長時(shí)間使用就會(huì)有焦蝴老化現(xiàn)象,對(duì)此三相對(duì)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(jī)

捏合機(jī)用于在一定工藝溫度、壓力、轉(zhuǎn)速下對(duì)化工物料進(jìn)行混合,設(shè)備主要包括主機(jī)、液壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。其中主機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)夾套提供熱循環(huán)水。水加熱器型號(hào)為PsJ24-26,在使用過程中,操作人員報(bào)控溫故障,檢查故障根源,發(fā)現(xiàn)也是三相對(duì)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(yùn)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(yùn)行過程中要時(shí)刻關(guān)注烘箱的動(dòng)態(tài),使用前要檢查烘箱的各項(xiàng)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(bǔ)償或者PID值,同時(shí)每次預(yù)檢烘箱時(shí)增加烘箱全功率加熱時(shí)運(yùn)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(duì)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(duì)烘箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。實(shí)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(yùn)維提供了一定的借鑒。