烘箱加热安全隐患改进及实现

苏会忠 孙同辉 王普祥 赵光帅

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621000）

0 引言

我所主要从事某易燃易爆危险品的生产研制，而设备的安全性是工艺、生产的基础和重要保障。烘箱应用于我所多条生产线及多类科研的前、后处理工序，其加热过程的安全性是安全生产管理的重要管控环节。

本文改进了易华天宇烘箱加热负载的控制系统结构，彻底消除了安全隐患。

1 烘箱故障及原理分析

1.1 烘箱故障现象

本文研究的对象是易华天宇制造的型号为AQ-20-300B的烘箱，在某次某产品的生产中出现了该种烘箱的中性线被烧燃，迫使生产线全线停机的严重故障。此种烘箱的继续使用对产品的生产、设备和操作人员的安全均存在着重大隐患，如果不彻底解决，可能引发人员电伤、设备烧坏、生产受损甚至火灾等严重后果。

1.2 烘箱原理分析

1.2.1 三相负载的Y形连接

本文研究的烘箱类型所涉及的三相四线制电路，其三相电源和三相负载的连接方式均为Y形连接。每相负载的阻抗分别为ZU、ZV、ZW；流过相线的电流称为线电流，分别用iU、iV、iW表示，其有效值用Il表示；流过每相负载的电流称为相电流，分别用iUN、iVN、iWN表示，其有效值用IP表示；流过中性线的电流称为中性线电流，用iN表示，其有效值用IN表示；加在负载上的电压称为相电压，分别用uU、uV、uW表示，其有效值用UP表示[1]。三相四线制电路如图1所示。

由图1可知，当负载为Y形连接方式时，三相负载的线电压就是电源的线电压，而加在各相负载两端的相电压等于电源的相电压，负载相电流等于线电流。每一相电源与负载、中性线构成独立回路，故可采用单相交流电的分析方法对每相负载所在回路进行单独分析。

相电流、相电压与各相负载的相量关系如下：

根据基尔霍夫电流定理可知，中性线上的电流为：

通常情况下，中性线电流总是小于线电流，而且各相负载越接近对称，中性线电流就越小。因此，中性线的导线截面积可以比相线的小一些。

1.2.2 对称负载

如果ZU=ZV=ZW=ZP，则该负载称为对称三相负载，此时：

每相电流的大小、相电流与相电压的相位差均相同，各负载中的相电流是对称的。若以iU为参考相量，相电流相量关系如图2所示[2]。

根据相量图可知，有：

1.2.3 故障原因分析

易华天宇烘箱加热回路采用单根3 kW电加热丝，控温回路采用温控仪表与固态继电器组合的方式实现温度控制功能，三相负载为Y形连接方式，构成三相四线制电路。因此，当一组固态继电器出现损坏时，在三相四线制加热电路的负载端中性线上就会产生较大电流，而中性线的截面积较小，导致其阻值偏大，当大电流流经时就可能导致严重发热，若大电流作用时间较长或线路老化就易发生线缆烧坏故障，这种情况存在严重的安全隐患，不利于我所的安全科研与生产。

2 改进设计、实现及实验

2.1 理论分析与设计

根据此烘箱结构和原理，当负载端采取对称负载Y形连接方式时，中性线可省去，此时电路可简化为三相三线制。当中性线被省去后，并不影响三相负载的工作，三个相电流便借助各相线及各相负载互成回路，各相负载的相电压仍为对称的电源相电压，如图3所示。

2.2 实现及实验

笔者将线路改进为三相对称Y形连接三相三线制后进行相关测试与验证。在使用此种结构的情况下即使出现损坏一组固态继电器的故障，剩余两组加热负载电压分别变为190 V，虽然负载的电压下降后会导致烘箱加热的速率略微降低，但也不会出现大电流甚至烧坏电缆线路的安全隐患。

通过查阅目标烘箱的铭牌与原理可知：烘箱功率为70 kW，加热器采用Y形连接法进行连接，负载端的中性点接中性线，中性线采用10 mm2的铜芯电缆。为验证本文设计与改进方法的合理性，进行如下测试与实验：

（1）当三相线路工作均为正常情况时，将加热器的中性点直接连接中性线，此时测得三相电流分别为U相107.1 A，V相102.4 A，W相101.8 A，中性线电流为4.9 A。

（2）当三相电路工作正常及加热器中性点未接中性线时，测得三相电流分别为U相103 A，V相100.6 A，W相99.6 A；当三相电路中某一相发生故障导致三相缺相，中性点不接中性线时测得三相电流为V相88.5 A，W相88.5 A，而将加热器的中性点直接连接中性线，此时测得三相电流分别为V相101.6 A，W相93.2 A，中性线上的电流为81.7 A。

（3）在A相加热固态继电器损坏的情况下，去掉中性线，A相电流值如图4所示。

（4）在A相加热固态继电器损坏的情况下，去掉中性线，B相电流值如图5所示。

分析实验数据可知，当因固态继电器损坏或加热器某一组加热丝损坏造成缺相运行问题时，中性线上出现的大电流将可能引发线路过载，造成火灾等严重事故。

上述实验充分验证了大功率三相Y形加热回路中性点接零存在严重的安全隐患，目前已将中性点与中性线断开，并在设备履历书进行改进的注明。

3 其他类似问题及整改

在我所的其他科研、生产设备中，也曾经发生过类似问题，后通过分析故障原因、实施整改措施，问题得到了彻底解决。

3.1 平板硫化机

平板硫化机用于在工艺控制温度下对高分子材料原料进行平板加热，得到硫化产品。设备主要包括基座、四柱支架、加热平板、控制系统。其中，加热控制是设备的关键部分。设备加热分为上板、中板、下板三个区域，每个平板包括四个加热线圈，分别放置于三个平板内部，分别通过加热控制器控制各加热线圈的加热电流，从而实现平板区域内的均匀加热，保证硫化效果。

在我所的预检修排查中，发现电源的中性线有焦煳老化现象，检查电源，控温仪表正常，但是其中一个固态继电器为故障状态，固态继电器输入为仪表输出电压控制，输出点常开，用钳形电流表测量三相电源电流，损坏固态继电器所在的L1相电流为0 A，L2相电流为26 A，L3相电流为27 A，中性线上的电流特别大，约为25 A。排查中性线存在大电流的原因，问题还是出在加热负载为三相四线连接，而国标电缆的中性线线径就比相线线径小，所以当中性线有大电流时就会超过中性线的承载电流，长时间使用就会有焦煳老化现象，对此三相对称加热负载，维修人员去掉了中性线，重新接好保护接地，问题得到解决。

3.2 捏合机

捏合机用于在一定工艺温度、压力、转速下对化工物料进行混合，设备主要包括主机、液压系统、真空系统、热水系统、控制系统。其中主机设计为夹套，夹套内由热水系统提供热源，满足物料混合的温度要求，水加热器为主机夹套提供热循环水。水加热器型号为PSJ24-26，在使用过程中，操作人员报控温故障，检查故障根源，发现也是三相对称平衡负载的其中一相出现加热故障，中性线上的大电流已经将中性线端子烧毁。

4 运维建议

烘箱的维护与其使用寿命息息相关，在设备运行过程中要时刻关注烘箱的动态，使用前要检查烘箱的各项指标是否正常，检查加热管有无损坏，线路是否老化。建议每年更换一次该类烘箱控制加热的固态继电器，检查烘箱温度控制器仪表控温是否正常，如果控温不准确，应该调整温控器的静态补偿或者PID值，同时每次预检烘箱时增加烘箱全功率加热时运行电流的检测，用于判断固态继电器和加热器是否正常工作。

5 结语

本文通过对烘箱的故障现象及其加热控制系统原理进行理论分析，对烘箱的结构进行了改进设计及实现。实施后至今未出现相关线路的电气故障，不仅彻底消除了安全隐患，还为类似设备的故障维修及设备运维提供了一定的借鉴。