国内外加热电缆的发展现状分析
导读
加热电缆是一种用途广泛且形式特殊的供热装置，具有加热效果好、绿色清洁、节能高效、机械强度高、物理和化学性能稳定、事故发生率低等优点，广泛应用于民用取暖、石油开采、化工工艺管道伴热、食品降黏、船舶防冻等。加热电缆主要由发热源、导热绝缘、护套等部分组成，以电线电缆为载体，将电能转化为热能。
精读
加热电缆的分类
按照发热元件不同，可将加热电缆分为非线性发热元件加热电缆和线性发热元件加热电缆。非线性发热元件加热电缆的核心材料一般为具备正温度系数（PTC）效应的半导电材料，如自调节/自限温加热电缆。线性发热元件通常采用金属材料或碳纤维材料作为核心发热器件，如恒功率加热电缆、矿物绝缘加热电缆和碳纤维加热电缆等。
1、非线性发热元件加热电缆
自调节/自限温加热电缆，通常又可称为电伴热带或加热带，是由具备PTC效应的可交联导电塑料或多晶体片状元件（如钛酸钡）通过一定的加工工艺制得的低温、中温、高温等自调节加热电缆。
图1 自调节加热电缆结构示意图
自调节加热电缆可根 据其表面温度实时变化调节自身的输出功率，从而起到供暖保温的作用。并且，这种加热电缆无需额外的辅助调控设备，能够节省敷设成本和安装成本，具有使用方便、易维护等优点，是冬季防冻和低温采暖的理想产品。
2、线性发热元件加热电缆
（1）恒功率加热电缆
恒功率加热电缆包括串联电伴热带、并联电伴热带和矿物绝缘（MI）加热电缆。串联/并联电伴热带的发热部件主要是由高阻合金材料（如铜、镍、铬、铝、铁等）构成，母线是两根平行的绝缘铜线，其与内绝缘层上缠绕的合金发热丝和母线连接形成连续且等距的并联电阻网络。
图2 恒功率加热电缆结构示意图
当接通电源后，母线上并联的连续等距电阻将电能转化为热能，从而形成一条输出功率稳定且温度精确、恒定可控的加热电缆，但该类电缆的生产加工成本较高，使用时不能随意剪切。
矿物绝缘加热电缆主要由发热导体、矿物粉末（通常为氧化镁粉）绝缘层和金属护套（不锈钢护套、铜护套、铜镍合金护套等）组成。
图3 MI加热电缆结构示意图
MI加热电缆具备更加优异的耐高温性能，是一种环保、功率密度高、使用寿命长的加热电缆。MI加热电缆用途广泛，由其组成的融雪化冰系统可应用在道路、停车场、室外楼梯等户外设施中，能够大大降低由自然灾害引起的事故发生率，保障人们的生产生活安全。另可根据防腐蚀、防机械损伤等需求，在金属护套外周挤包一层高密度聚乙烯（HDPE）或阻燃HDPE塑料外护套，制备出性能更加优良的MI加热电缆。
（2）碳纤维加热电缆
碳纤维加热电缆主要由高性能碳纤维发热导体、绝缘层和外护套组成，绝缘层材料为聚四氟乙烯（PTFE），外护套采用环保型的聚乙烯或低烟、无卤聚烯烃等材料。
图4 碳纤维加热电缆结构示意图
碳纤维加热电缆工作时，对碳纤维两端施加电压后产生热能，通过热传导的传热方式将附近介质加热，再由热对流向外传导热量，以达到采暖的目的。碳纤维加热电缆的发热效率较高，电热效率可达98%以上，由于绝缘层材料采用PTFE，因此碳纤维加热电缆具有高耐温等级、耐腐蚀、耐老化等性能，以及寿命长、使用安全、免维修等优点。
加热电缆的发展现状
1、加热电缆材料概况
加热电缆所需原材料常为金属类和非金属类外护套材料、绝缘材料，及铜、铝等有色金属材料，其中MI加热电缆的绝缘层常选用无机材料（如MgO）作为其填充材料。其中铜、铝等有色金属是加热电缆生产所用的主要原材料，在生产成本中占比较大，该部分材料的价格波动将直接影响加热电缆的生产成本及销售价格。
金属外护套常用不锈钢或铜等材料，可通过稳定化处理，提升外护套的耐酸碱腐蚀性能；非金属外护套常用聚氯乙烯（PVC）、聚酰胺（PA）、氯磺化聚乙烯（硫化）（CSP）和 HDPE等材料，也可根据具体功能对材料进行物理性能或化学性能改性；绝缘材料具备性能优异、质量轻、易运输等优点，常见有PVC、乙丙橡胶（硫化）（EPR）、交联聚乙烯（XLPE）和乙烯/乙酸乙烯（交联）（EVAC）等，也可使用改性聚烯烃材料或氟塑料作为绝缘材料，以获取更好的耐腐蚀、耐高温等性能。
2、加热电缆研究进展
目前，国外加热电缆的研发水平、生产技术水平和配套服务能力较为领先，对新型加热电缆和基于加热电缆构建的供热系统进行了大量的研究，推动该行业向着更加成熟的方向前进。
我国虽然拥有相对成熟的加热电缆生产技术和工艺，但高性能原材料依赖进口，同时缺乏产品定制、产品迭代和配套服务能力，在市场越来越趋向于成本导向和服务导向的竞争中难以适应，企业需要不断提升自身的综合实力，拓展和增强加热电缆的应用范围及系统配套能力。
表1 国内加热电缆授权专利汇总表
由表1可以看出，近年来，研究人员对加热电缆的研发方向主要集中于功能迭代及应用范围的拓展，同时，也对加热电缆的供暖系统、温度监测系统、智能控制系统等进行了研究设计，进一步提升了加热电缆系统的配套能力。
3、加热电缆市场现状
目前，加热电缆多用于电发热取暖，欧美等发达国家（如挪威、法国、瑞典等）电发热取暖技术起步较早、技术相对成熟、市场较为完善，具有较高的市场普及率。
反观我国的电发热取暖市场，虽在东北、西北、华北、中部和华东地区（有相当一部分的城镇在冬季会有超过一个月低于0℃的时间）具备较大的采暖需求，且国家政府也在积极推动电采暖的普及、下乡等工作。2017年5月，财政部、住建部、环保部、国家能源局积极联合启动了北方地区冬季清洁取暖试点工作，但受限于群众认可度低以及其他一系列的问题，导致我国电取暖技术的市场推广阻力大，普及率并不高。
表2 电伴热系统常见的应用场景
2016-2020年，全球加热电缆的产量持续增长，但其增长率却呈下降趋势，这表明电伴热行业进入微利成熟期，成本导向及产品导向需更进一步向着配套服务导向发展。
欧美等发达国家在发热电缆产业深耕多年，激烈的市场竞争使得资金和技术更为集中，具备成熟的研发技术和完善的伴热系统设计方案，出现了许多加热电缆核心厂商。
如Danfoss公司的气候方案事业部供热业务中，提供了地暖、融冰化雪和智慧供暖等业务，不仅具有完整的供暖系统方案，同时专注于提升能源利用效率，还可接入智能家居系统进一步提升使用体验；NVent Raychem公司致力于工业、商业和民用住宅用电伴热产品的研制和系统的设计，为管道防冻、工艺管道伴热、储罐伴热、船舶防冻和冻胀防护等市场提供了一系列较为完善的解决方案，在实际应用中为海上钻探、破冰船的正常运行、工业生产工艺的稳定、住户舒适的居住环境等保驾护航；Thermon公司不仅在工艺管道伴热、防冻保护和融冰化雪等方面具备完整的流程保证，还可进行烟气自动监控系统（CEMS）的定制化服务。
而我国经过几十年的发展，电伴热行业的竞争日趋激烈，产业发展速度不断减缓。究其原因，是我国加热电缆的研发技术革新速度及服务配套能力与欧美等发达国家仍有一定的差距。
不过，随着生产技术及生产能力的不断进步，我国也有相当一部分的企业具备了制造高技术含量产品的能力，如国内某电气集团有限公司专注于管道、储罐和建筑中的电伴热项目，现有产品已成功出口至俄罗斯、韩国、巴基斯坦、伊朗等二十多个国家；国内某线缆集团有限公司研制出一种油井开采用的碳纤维加热电缆，不仅提高了电缆的耐温性能、防潮性能、抗开裂性能等，也提高了产品的使用寿命。
加热电缆相关标准对比
在国际范围内，国际电工委员会（IEC）、加拿大标准协会（CSA）、电气与电子工程师协会（IEEE）等组织或参与加热电缆标准的制定与修订工作。现将国内外现行的加热电缆（系统）标准按照不同的适用范围进行分类并对比，结果见表3。
表3 现行有关加热电缆的标准适用范围对比
由表3可以看出，我国加热电缆标准覆盖了常规地点和危险地点，但仍存在不足之处，如商业用加热电缆标准与国外的标准相比略为薄弱。而欧美等发达国家制定的加热电缆标准内容更为详尽和丰富，版本迭代也更快，不同场景下的加热电缆，可以随着不同的生产工艺、检测方法、性能指标等要求的变化，紧跟生产或检测等技术的进步，及时地对过时标准进行升级，更新后的加热电缆标准将保持与时俱进的规范指导功能。
我国加热电缆标准的制定经验不足、加热电缆标准修订较为滞后，其中部分加热电缆标准的制定大多是参考国外加热电缆标准，进而修改制定出符合我国国情的标准，如生活设施加热和防结冰用加热电缆基本等同参照标准IEC 60800：1992，与之对应的现行加热电缆标准为GB/T 20841-2007《额定电压300/500V生活设施加热和防结冰用加热电缆》。
我国在加热电缆标准中的制定工作，需尽快吸取发达国家的先进经验，深入结合我国加热电缆生产的现状，不断地对加热电缆标准进行完善，最终具备独立制定加热电缆标准的能力。
随着“碳达峰、碳中和”战略的推进，加热电缆作为一种安全、低碳的采暖方式，将具有更大的发展空间。但目前客户对加热电缆硬件、软件及服务支持的满意度仍有待提高，国内的电伴热系统在功能使用、性能稳定、信息交互上相比于国外产品还存在不足。因此，未来我国科研人员对加热电缆的研究时，可结合能效评估、供暖系统的设计优化、在线温度监控、智能控制系统等方向深入展开。
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