引言

我所主要從事某易燃易爆危險品的生產(chǎn)研制,而設備的安全性是工藝、生產(chǎn)的基礎和重要保障。烘箱應用于我所多條生產(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)。

本文改進了易華天宇烘箱加熱負載的控制系統(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)線全線停機的嚴重故障。此種烘箱的繼續(xù)使用對產(chǎn)品的生產(chǎn)、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(fā)人員電傷、設備燒壞、生產(chǎn)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[l]。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(gòu)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(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=Z==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(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現(xiàn)溫度控制功能,三相負載為k形連接方式,構(gòu)成三相四線制電路。因此,當一組固態(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,導致其阻值偏大,當大電流流經(jīng)時就可能導致嚴重發(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,這種情況存在嚴重的安全隱患,不利于我所的安全科研與生產(chǎn)。

2改進設計、實現(xiàn)及實驗

2.1理論分析與設計

根據(jù)此烘箱結(jié)構(gòu)和原理,當負載端采取對稱負載k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。

圖3三相對稱負載的Y形連接

2.2實現(xiàn)及實驗

筆者將線路改進為三相對稱k形連接三相三線制后進行相關(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,剩余兩組加熱負載電壓分別變?yōu)?Y+=,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(xiàn)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9+3w,加熱器采用k形連接法進行連接,負載端的中性點接中性線,中性線采用1+772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1+9.1m,=相1+2.4m,w相1+1.8m,中性線電流為4.Ym。

(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1+0m,=相1++.6m,w相YY.6m:當三相電路中某一相發(fā)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=相88.5m,w相88.5m,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=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。

分析實驗數(shù)據(jù)可知,當因固態(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,造成火災等嚴重事故。

上述實驗充分驗證了大功率三相k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。

圖4A相加熱固態(tài)繼電器損壞的情況下去掉中性線時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行平板加熱,得到硫化產(chǎn)品。設備主要包括基座、四柱支架、加熱平板、控制系統(tǒng)。其中,加熱控制是設備的關(guān)鍵部分。設備加熱分為上板、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蝴老化現(xiàn)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(zhuǎn)速下對化工物料進行混合,設備主要包括主機、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

烘箱的維護與其使用壽命息息相關(guān),在設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,如果控溫不準確,應該調(diào)整溫控器的靜態(tài)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(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)原理進行理論分析,對烘箱的結(jié)構(gòu)進行了改進設計及實現(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,還為類似設備的故障維修及設備運維提供了一定的借鑒。