短路加热法应用与安全性分析

师海雄

（成都瑞奇智造科技股份有限公司，成都 610300）

电加热是利用电能转换为热能的一种能量转换，根据将电能转换为热能的方式，电加热通常分为电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热等[1]。电阻加热是应用最为广泛的一种电加热技术。电阻加热是电流通过加热体产生焦耳效应将电能转变成热能用来加热物体，一般分为直接电阻加热和间接电阻加热2 种形式[2]。直接电阻加热的电源电压直接加到被加热物体上，当有电流流过时，被加热物体本身便发热，由于热量产生于被加热物体本身，属于内部加热，热效率很高。间接电阻加热需由专门的合金材料或非金属材料制成发热元件，由发热元件产生热能，通过辐射、对流和传导等方式传到被加热物体上，由于被加热物体和发热元件分成2 部分，热量传递过程中会产生热损失，热效率低。

本文介绍一种直接电阻加热法，即短路加热法。所谓短路加热，也是电阻加热的一种变形，因发热体阻抗很低，所以施加电压很低，电流很大，好像变压器二次侧短路，故谓之短路加热[3]。在工业生产过程，往往需要对流体进行加热来满足生产工艺条件。流体通过金属管道进行输送，利用金属管道导电性，对管道施加电压，产生电流，管道自身被加热，被加热段管道充当电热元件，在工作中低温流体介质通过管道，在压力作用下进入其输入口，沿着运用流体热力学原理设计的路径，带走电热元件工作中所产生的高温热能量，使被加热介质温度升高，电加热管道出口得到工艺要求的高温介质。

1 短路加热法原理

短路加热法是一种特殊、安全利用导电管道加热的一种方法。当交流电压被应用于管道时，这个管道实际上变成发热元件，就是把管道作为1 个加热电阻，两端加一电压使管道发热。液体流经发热管道，带走管道热量，从而将电能转变成热能以加热物体。

2 短路加热器技术性能及功能特点

1）不需要电热元件，利用自身管道发热，寿命很长。

2）工作电压小于工频电压，安全性好。

3）采用管道自身作为电热元件，几乎不需任何维护。

4）热场均匀、无过热点，对介质不会产生任何影响。

5）热响应快、控温精度高，控温范围宽。

6）安装简单方便，大大节约安装费用。

7）功率大。额定功率一般有数百千瓦甚至上兆瓦、额定电流高达几千甚至上万安培。

8）加热温度高。加热器设计最高工作温度可达850 ℃。

9）效率高，节能效果显著，对管道内介质全部吸收电能，电能产生的热量几乎100%传给加热介质。

10）应用范围广，适应性强。该加热器可适用于石油、化工及热工试验装置，耐压可达20 MPa。

11）可全自动化控制。根据要求通过加热器电路设计，可方便实现出口温度自动控制，并可与计算机联网，实现远程监控。

3 短路加热法的应用

短路加热系直接采用工艺物料管道通以单相或三相大电流，使其产生热量而达到加热的目的，其具有热效高、功率因数高、寿命长、维修方便和温控灵活等优点，并且由电能转换的热量能被物料直接吸收，节能效果显著。这种加热方式在石油、化工及热工试验装置中得到广泛使用，是热工试验装置的重要组成部分。

近年来，我国掀起了使用清洁能源的发展浪潮。核能是可持续发展的清洁能源，已经被公认为是一种唯一能够大规模取代常规能源的替代能源。核能被列入我国能源政策之中，我国的核电事业有广阔的发展前景，其将是我国实现国民经济发展战略目标所需能源的重要支柱之一。为快速推进核能发展，我国投入了大量的基础研究，在研究领域有一种电加热方式的大功率管式预热器被用来对流体进行加热，预热器额定功率一般有数百千瓦甚至几十兆瓦，额定电流高达几千甚至上万安培，这种大功率管式预热器正是利用了短路加热法的原理，采用低电压、大电流方式对流体管道直接加热，流体流经管道时热量传递给流体，流体以一定的速度在试验装置中循环，保证试验装置的正常运行。

热工装置大功率管式预热器包括预热器加热管道、感应调压器、大电流变压器、操作台及控制系统。预热器采用管道通电加热方式，通过“1 台三相调压器+3台单相变压器”的方式提供加热电源。调压器、变压器安装于现场预热器附近，调压器与变压器、变压器与预热器之间均通过铜排连接。感应式调压器将外部提供的AC380 V/10 kV 电源转换为变压器需要的电压和电流，将感应调压器的3 个输出接线端子分别接至3 台大电流单相变压器的输入端，为变压器提供电源；将3台单相变压器输入端首尾连接起来，输出端低电势端短接起来，使3 台单相变压器的进线端构成三角形连接，出线端构成星形连接。最后，将3 台变压器的高电势输出端分别接至3 个预热器加热管道的高电势铜排接线板。预热器的原理图如图1 所示。

图1 预热器原理图

4 短路加热法应用安全性分析

短路加热器是利用金属管道自身作为电热元件，对管道直接施加交流电压，这样金属管道就会产生感应电流，管道自身就会带电运行，而被加热的管道又和工艺管道相连接，若管道带电运行，就会对其与之相连接的生产设备及生产维护人员的人身安全带来危险影响。因此，要求在应用短路加热器时必须做好安全绝缘措施，使非加热工艺管道与短路加热管道完全隔离。传统的大功率管式电加热预热器需要在被加热管道与工艺回路的非加热管道之间安装绝缘法兰进行绝缘。对热工装置来说，工艺管路通常都是高温高压回路，管道内充有温度达数百摄氏度、压力达十几兆帕甚至几十兆帕以上的液体介质，在这种高温高压条件下，绝缘法兰的绝缘性能容易失效，一旦绝缘失效，就会发生漏电，漏电不但会造成电能浪费，还会影响其他设备的正常工作甚至损坏，还会给工作人员带来触电的安全风险。所以增加绝缘法兰并不能彻底解决电加热预热器管道漏电的问题，可见，传统技术中的管式预热器存在绝缘效果较差，回路存在潜在漏电的不安全风险。

为了能够彻底解决电加热预热器的漏电所带来的不安全风险，本文提出一种从电路原理上进行解决的方案，即“三相对称电路法”。要形成三相对称电路，首先要有三相对称电源，三相对称电源是由3 个等幅值、同频率和初相依次相差120°的正弦电压源连接成星形或三角形组成的电源。其次是三相对称负载，将功率大小相等的三相负载按照对称原则依次连接成星形或三角形。从三相对称电源的3 个端子引出具有相同阻抗的3 条端线（或输电线），把一些三相对称负载连接在端线上就形成了三相对称电路[4]。

三相对称电路原理图[5]如图2 所示。

图2 三相对称电路原理图

首先分析三相电源，图2 中三相电源由3 个等幅值、同频率和初相依次相差120°的正弦电压源连接成星形组成，如图3 所示，3 个电源依次称为A 相、B 相和C 相，其电压表达如下。

图3 三相交流电源波形和相量图

三相电压瞬时表达式

相量形式

从以上分析可以得出，三相对称交流电源电压大小相等，频率相同，相角互差120°，根据向量运算，电源中性点N 处电压矢量和为零。

再分析三相对称电源连接上三相负载的情况，图2 中线路阻抗Zl相等，负载阻抗Z 相等，负载连接成星形，构成对称三相负载。

下面以图2 为例对负载回路进行分析。

以N 为参考结点

中性线的电流为

热工装置将电加热预热器设计为包括3 段预热器加热管道、1 台三相感应调压器和3 台单相大电流变压器。三相感应调压器与大电流变压器连接，变压器与预热器加热管道连接。由图4 可知，1 台三相感应调压器、3 台单相大电流变压器连接构成三相对称电源，3段预热器加热管道材料、规格和长度相同，等间距分布布置，在预热器管道上焊接用于连接三相对称电源的接线铜排，铜排均匀分组。预热器管道两端分别焊接3块接线铜排，中间焊接3 块接线铜排，接线铜排的N端短接起来，N′端短接起来，中间接线铜排A、B 和C 分别接三相对称电源的A 相、B 相和C 相，最终连接成为三相对称回路。利用三相交流电A 相、B 相和C 相之间相位互差120°，在三相供电平衡的条件下，汇集点N、N′电压、电流矢量和为零的原理，从而在加热管道的两端形成2 个自然“零电位点”，因此与预热器相连接的其他工艺管道就不会带电运行，工艺管道中的物料也不会带电运行，真正意义上实现了电气绝缘。有效解决了传统技术中的管式预热器存在绝缘效果较差、回路存在潜在漏电的技术问题，保障了大功率管式预热器加热的效率和安全性，并具有良好的经济效益和技术效果。

图4 三相对称管式电加热预热器图

5 结束语

利用三相对称电路原理，虽然解决了人们担心的漏电问题，但是在实际应用过程中仍需要高度重视安全问题。尽管解决了非加热区的漏电问题，但被加热的管道存在高温、大电流，所以被加热管道区域存在高温烫伤、触电的风险。因此，需要在短路加热装置区域设置安全隔离措施，非工作人员不得随便靠近，在被加热管段与管道支撑件之间需要加装耐高温的绝缘套管，连接螺栓加装耐高温绝缘垫片，并且管道支撑件必须做好可靠的接地连接，测试接地电阻满足安全规范要求后方可投入使用。还可以借助自动化控制手段来保证设备的安全运行，在工艺管道与加热装置法兰连接处，连接电压检测仪表，实时监测电压参数，在接地回路中安装电流互感器，连接电流检测仪表，实时监测对地电流，控制系统设置安全联锁保护装置，一旦监测数据超出安全设定范围，立即联锁切断短路加热装置供电电源，并发出报警信号，记录报警数据及趋势，以便检修人员查找故障原因。

利用短路加热法可以制造出各种不同形式的短路加热装置。短路加热装置可以根据工艺需要、使用场地大小等特殊条件，加工制造成各种功率大小、形状不同的形式，灵活性非常高，可以适应大多的应用场合，而且短路加热装置由于功率大、热响应快、热场均匀、寿命长、维修率低、效率高和节能效果显著，并且安全可靠，因此提倡在生产、科研和试验等领域中大胆尝试应用短路加热法，使其在更多的领域中被推广使用。