防爆分区及电气硬件设计要求

摘 要：

针对高速涂布机防爆红外烘箱电气设计，将穿透性强、干燥效率高的红外加热安全应用到有爆炸气体产生的锂电池正极极片干燥中，以此来解决涂布机的加热问题，有效提升了涂布机的工作效率，涂膜速度最高达120 m/min，该装置通过了南德TUV的防爆评估认证，安全性能得到认可。该装置所涉及的知识面广，电气保护及监控比较复杂，整体设计难度很大，在行业内属于先进水平。

0 引言

如今动力电池的市场越来越大，对于制作电芯核心工艺的涂布机的效率要求也随之越来越高，而涂布机提速的最大瓶颈还是在烘箱干燥，理论上烘箱的长度已经决定涂布机所能生产的最高速度，而由于厂房空间和能耗的限制，烘箱的长度不能无限加长，烘箱加热源（导热油、蒸汽、电加热）等热交换效率低，加上阴极烘箱属于防爆环境等多种因素影响，这个问题一直没有得到很好的解决。

经过多方面的研究及验证，红外加热穿透性强，干燥效率高，用来辅助干燥将能很好地解决这个问题。但烘箱区域有爆炸性气体产生，为了能在防爆环境中安全使用红外加热，根据相关标准设计了一套防爆高效红外加热装置，能将红外加热安全地应用于正极的涂布干燥，并能有效避免极片干燥过程中产生的NMP气体发生爆炸。该装置通过了南德TUV的防爆评估认证，且使涂布机的工作效率有较大提高，涂膜速度最高达120 m/min。装置内最复杂的是电气相关的设计，下面就此进行详细分析。

1 防爆分区及电气硬件设计要求

装置整体结构图如图1所示。

1.1 危险区域的划分

参照国标《爆炸性气体环境用电气设备第14部分：危险场所分类》（GB 3836.14—2000）[1]，根据爆炸性气体连续出现的频率和持续的时间把危险场所分为以下区域：

0区：爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。

1区：在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所。

2区：在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境，如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场所。

根据以上防爆标准，结合我司实际情况，防爆红外烘箱内部和抽风管道定义为1区，装置外部环境1 m范围内定义为2区。

1.2 1区、2区用电气设备的选型要求

参照国标《爆炸性气体环境用电气设备第15部分：危险场所电气安装（煤矿除外）》（GB 3836.15—2000）[1]，危险场所用电气设备应满足：

（1）如电气设备符合用于0区要求或下列防爆型式的一种或多种要求，该电气设备可用于1区：隔爆外壳、正压型、冲沙型、油浸型、增安型。

（2）0区或1区用电气设备或符合IEC 60079-15的“n”型电气设备可以用在2区。

1.3 布线要求

参照国标《爆炸性气体环境用电气设备第15部分：危险场所电气安装（煤矿除外）》（GB 3836.15—2000）[1]9.3项相关规定，爆炸性环境电缆配线技术要求（电缆需使用阻燃电缆）如下：

爆炸1区：（1）电力：铜芯2.5 mm²及以上；（2）照明：铜芯2.5 mm²及以上；（3）控制：铜芯1.0 mm²及以上。

爆炸2区：（1）电力：铜芯1.5 mm²及以上，铝芯16 mm²及以上；（2）照明：铜芯1.5 mm²及以上；（3）控制：铜芯1.0 mm²及以上。

2 解决方案

参照危险区域的划分标准与电气设备的选型及布线要求，我司防爆红外烘箱区域设备（元器件）情况如下：风机电机、主传动电机、热电偶、风速仪、数显压差表、浓度传感器、接线箱均为隔爆型，极片红外检测探头、主传动检测开关为本安型。

3 系统框架

参照国标《爆炸性气体环境用电气设备第15部分：危险场所电气安装（煤矿除外）》（GB 3836.15—2000）[1]要求进行烘箱区域布线及设备安装，如图2所示，整体说明如下：烘箱区域内电缆都是通过线槽、电缆管、波纹管（极少数设备于电缆管交接处使用）进行敷设。线槽、金属电缆管、波纹管只是对电缆起保护作用，防爆隔离是经过进入设备的防爆密封接头来完成，强电电缆都是整根进入设备内部，烘箱区域没有电缆接头。部分信号电缆会进入防爆接线盒内，通过接线端子进行信号分配，防爆接线盒电缆进线、出线都是根据电缆线径选择合适的防爆密封接头进行密封。

4 防爆红外烘箱的电气功能及联锁设计

4.1防爆分区计算

根据EN1539:2015中关于A类干燥箱的相关要求[2]，先进行爆炸分区计算。已知以下参数：

（1）烘箱内部最高温度：150℃；

（2）NMP爆炸下限浓度：43.813 g/m³；

（3）极片中NMP输入含量：6 720 g/h。

根据以上客户提供的相关工艺指标，结合防爆烘箱装置各项机械设计指标及相关参数综合计算，结果如下：根据坐标查询，最终计算结果为RANGE 1。

4.2 防爆安全监控措施

根据4.1计算结果，为保证设备失控状态下不发生爆炸，相关安全监控联锁措施设计如下。

4.2.1烘箱温度双通道监控

控制逻辑：采用两组温度探头对烘箱的实际温度进行监控，在各自对应的温度控制器内设置最高、最低温度范围，当任意一组温度探头或两组同时监测到烘箱温度异常，温度控制器立即输出信号到安全PLC，安全PLC输出一路信号切断红外加热，停止烘箱加热；另外输出一路信号给排风变频器，使排风变频器按最大设定频率运行，加大通风量；第三路输出给烘箱传动，使烘箱传动紧急停止，切断可燃物质的输入。

4.2.2烘箱NMP浓度单通道监控

控制逻辑：NMP传感器实时对烘箱NMP浓度进行监控，当检测到NMP浓度超过设定值时，传感器立即输出信号到安全PLC，安全PLC输出一路信号切断红外加热；另外输出一路信号给排风变频器，使排风变频器按最大设定频率运行，加大通风量；第三路输出给烘箱传动，使烘箱传动紧急停止，切断可燃物质的输入。

4.2.3烘箱通风量双通道监控

控制逻辑：采用两组风量探头对烘箱的实时风量进行监控，在各自对应的风量控制器内设置最低风量值，当任意一组风量探头或两组同时监测到烘箱风量低，风量控制器立即输出信号给安全PLC，安全PLC输出一路信号切断红外加热，停止烘箱加热；另外输出一路信号给排风变频器，使排风变频器按最大设定频率运行，加大通风量；第三路输出给烘箱传动，使烘箱传动紧急停止，切断可燃物质的输入。

4.3 常规功能联锁

4.3.1循环风机控制联锁

（1）循环风机轴转速监控信号异常，红外加热停止。

（2）风机变频器异常，加热停止，加热接触器切断。

（3）热膨胀保护开关动作，高温保护，接触器切断。

（4）出风口热电偶温度监控，高温报警，加热电源切断。

（5）排风机出口处风速监控，风速过低，红外加热停止。

4.3.2消防系统联锁

（1）隔爆阀信号触发，消防系统自动启动。

（2）防爆板信号触发，消防系统自动启动。

（3）手动控制启动。当发生意外时，手动开启消防箱的灭火装置。

4.3.3红外灯管控制联锁

（1）烘箱门打开，红外加热停止，接触器断开，待关闭后可重新手动启动。

（2）灯管表面温度监控，超温报警（低温＜100℃，高温＞580℃），加热停止，加热接触器断开。

（3）极片表面温度对比（红外极片温度检测），超高报警，并关闭红外灯管，接触器断开。

（4）与烘箱风机启停联动，烘箱风机启动后允许红外灯管开启，红外灯管未关闭则风机无法停止。

（5）每节烘箱红外灯管供电设立独立断路器、接触器、功率调节器。

（6）红外管增加冷却风量监测，冷却风流量低，红外加热停止，接触器断开。

（7）每节烘箱灯管回路增加独立数显电流感应器，达到设定值时输出PLC报警停机，红外加热空开脱扣。

4.3.4停机控制

（1）排风量监测：两路风量监测，风量低于设定值停NMP输入（停止涂布），停止加热，控制提高排风量。

（2）NMP浓度监控：两路浓度监测，浓度达到报警值停NMP输入（停止涂布），停止加热，控制提高排风量。

（3）温度监控：烘箱内一处监测，极片上两处监测，温度达到限值（计算时用的150℃）停NMP输入（停辊转），停止加热，控制提高排风量。

（4）负压监控：箱体负压，达到限值停NMP输入（停止涂布），停止加热，控制提高排风量。

（5）红外灯管冷却风风量监控：设定限值，监控保证正压，以防危险气体进入。低于限值停NMP输入（停止涂布），停止加热，控制提高排风量，提高冷却风风量。

（6）红外灯管温度监控：达到限值停NMP输入（停辊转），停止加热，控制提高排风量，提高冷却风风量。

（7）开启/关闭：以上全部停机都不能自动重启。

（8）启动前需要先开启排风和冷却风一段时间后才能运行，停机后排风和冷却风需要在一段时间后才能停止，时间根据换气量规定。

4.3.5安全门联锁

（1）烘箱门打开，红外加热立即断电。

（2）烘箱内温度小于等于60℃，允许开门。

5 结语

以上就是防爆红外烘箱装置的电气设计重点，第一台带该装置的高速涂布机在C公司已经成功试产，并通过了南德TUV的防爆认证。烘箱在长度不变的情况下，加热速度提高20%以上，并且极片质量有一定提升。

审核编辑 ：刘清