高温加热电缆结构设计

1 、高温加热电缆的需求分析

加热电缆除用于一般家庭供暖外，还用于输油输水管道、罐体及设备的保温防冻；生活热水系统的保温伴热；室外设施如道路、屋顶的化雪除冰；土壤(草坪、绿地、花房)保温加热、文物古迹保护等。一般家庭采暖用加热电缆的要求，中国建筑科学研究院主编的《地面辐射供暖技术规程》规定发热电缆的线功率不宜大于20W／m，电缆铺设间距不大于300mm，这样工作温度较低的加热电缆即可满足要求。电缆工作温度一般在30～60℃，传统的绝缘材料聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)长期允许工作温度为70℃，交联聚乙烯(XLPE)长期允许工作温度为9O℃，均可满足要求，这些绝缘材料的加工使用在电线电缆生产中已非常成熟，电缆质量也容易得到保证。

在一些特殊场合使用的加热电缆，如生活热水系统的保温伴热，电缆要在近IO0℃条件下工作，就不能采用普通的加热电缆；用于铺装面积小而房间温度要求高的特殊房间采暖，输油管道加热、室外化雪除冰等就要用到在高温下工作或大功率的加热电缆。如有试验指出，在北京地区进行道路融雪试验，要求电缆的线功率为35W／m，工作时电缆表面温度120℃，这种电缆就要采用耐高温绝缘材料，并要对电缆进行特殊的结构设计。

本论文将对高温加热电缆的材料选择和结构设计中的问题进行分析，拟解决一些电缆使用和选型的关键问题，使所设计的电缆能够满足客户及市场需求。

2 、电缆结构设计及材料选用

发热电缆的设计要满足以下要求：发热效率高；安全性好，无电磁污染；有一定的机械强度。而高温加热电缆的工作温度区间比普通加热电缆更宽，工作温度更高，除满足以上要求外，还要做到：发热元件在工作温度范围内发热功率稳定，绝缘、护套材料在高温下分解率低，各项电、机械物理性能变化小，保证电缆的长寿命；护层要考虑在高温使用环境下电缆内部结构的稳定。

2． 1 电缆结构根据以上要求，对电缆结构确定如下(见图1)：中心为发热元件，外包耐高温绝缘层，采用单芯或二芯结构，若采用二芯结构，两绝缘线芯应进行绞合，以保证电缆的柔软。绝缘层外为电缆的保护层，包括屏蔽层和内、外护套。

2.2 电缆材料选择

根据电缆各组成部分功用不同，材料选择如下:

2.2.1 发热元件(导体)

加热电缆的导体是用于导通电流，将电能转化为热能的元件，根据电缆发热功率要求不同，应选用不同电阻值的金属丝。要满足在高温环境下工作，还要求发热元件在常温至工作温度这一较宽的温度范围内其电阻率变化小，具有稳定的发热特性。在高温下化学性质稳定，不发生氧化，以保证有较长的使用寿命。

常用的发热元件材料有镍铬合金、康铜和铜线。镍铬合金和康铜都有高温抗氧化性好，强度高，加工性能良好，电阻率随温度的变化小，在大气中性能稳定的优点，即使在无机盐和有机酸中，也有很好的稳定性，在施工时易于焊接，是制作高质量电热元件的理想材料。因为铜的电阻率低，要制造电阻值较大的加热元件，必须采用直径很细的铜线，这会导致电缆抗拉力低，易发生断线，且铜在高温下工作时会发生氧化，在120℃以上使用时必须进行表面镀锡、银或镍处理，因此采用较少。

发热元件选择时，应根据工作温度和发热功率来进行选择。为保证电缆敷设时具有较小的弯曲半径和可靠的强度.导体宜采用多根细金属丝绞合的形式，尽量减少单根实心导体的使用。

2.2.2 绝缘层

绝缘层起到保证电流沿导体传输，防止电流油漏作用。绝缘材料的选用具有以下要求:

1 )绝缘材料要具有良好的电气绝缘性能，即击穿场强高，绝缘电阻大，以较薄的厚度耐受高的电压，减少电流泄漏。

2) 有较好的机械物理性能，以满足加工、敷设安装和使用要求。

3) 良好的加工性能。

4)好的耐热性和热传导性能，在长期受热状态下，绝缘性能不能下降太多，同时可使导体生热能良好导出，辐射到加热空间。

氟塑料是高温环境下工作的首选绝缘材料，但氟塑料的工艺性能差，不是所有氟塑料都适合作为加热电缆绝缘，如聚四氟乙烯具有非常优异的耐热性和电性能，但加工困难，所以不能用于加热电缆绝缘。适用的品种是能够通过挤出机采用连续挤压方式生产的绝缘，主要品种有:聚全氟乙丙烯( FEP) 、四氟乙烯一全氟皖基乙烯基酷共聚物(PFA) 、四氟乙烯-乙烯共聚物( PETFE) 、乙烯-三氟乙烯共聚物( ECTFE)等。

以上氟塑料的共同特点是电绝缘性能优异，如FEP的体积电阻率很高，且随温度变化甚微，也不受水和潮气影响;击穿场强在30kV/mm以上，且不随温度的变化而变化。PETFE 在室温时的体积电阻率达，击穿场强与FEP 相仿，且体积电阻率和击穿场强随温度变化很小。

氟塑料的突出优点是耐热性好，在很高的温度下长期工作，塑料不产生明显的热分解，因此氟塑料是所有塑料中耐高温性能最佳的。FEP允许在200℃温度下连续使用，在260℃的极限情况下也能短时间使用。PFA 、PETFE 、ECTFE的长期允许工作温度分别为260℃、180℃、180℃。这就保证了高温加热电缆在高温或大功率条件下长期工作，而不会导致绝缘材料的软化、分解和性能劣化。因此，氟塑料用作高温加热电缆的绝缘材料是适宜的。氟塑料电缆。

为保证绝缘层的连续元缺陷，应采用挤制形式将氟塑料包制在导体表面，形成绝缘线芯。二芯电缆的绝缘线芯采用绞合形式而不采用平行形式，是为保证电缆具有较小的弯曲半径，维持结构稳定。

2.2.3 屏蔽层

1)作用。屏蔽层起到安全接地保护，减小内电场对外部环境和人体的电磁辐射，改善散热均匀性的作用。主要有铜丝编织屏蔽、铜线缠绕屏蔽、铜(铝)带绕包屏蔽(包含纵放导引铜线)等结构。如果将铜丝改为钢丝，采用钢丝编织或缠绕结构，不仅具有屏蔽作用，还起到加强电缆强度和防穿刺的铠装作用。

2) 材料。在高温条件下工作电缆的屏蔽层温度十分接近导体温度，传统的铜丝屏蔽层在高温下会发生氧化，应选用表面镀锡或镀银的铜丝作为屏蔽材料。钢丝应选用镀锌钢丝。

3) 结构。屏蔽或铠装结构可选用编织或缠绕结构。

编织是采用绕向相反的两组金属丝有规律地交织覆盖在电缆表面的金属层，编织示意图见图2 。编织结构具有结构稳定、柔软性好等优点，但相反方向的股线在交叉时会产生间隙，屏蔽效果会受到一定影响。根据要求不同，覆盖密度一般在65%-95%。