专利名称：集肤效应防爆电源接线盒的防爆安全设计方法
技术领域：
本发明涉及长输管道上集肤效应电伴热元件的防爆电源接线盒的防爆安全设计
方法。
背景技术：
公知，长输管道是石油、化工等支柱行业的"生命线"，是国民经济的大动脉。对于 油田长输管道、港口长输管道、化工装置长输管道、天然气长输管道等，为了保证其内"介 质"超过环境温度下正常生产流动运行时要求维持长输管道表面温度，可在长输管道表面 与保温层之间沿轴向安装一根或几根"集肤效应电伴热元件"，起伴热补偿热量作用。集 肤效应电伴热元件的长度较长，每根在其一端设置一个交流电源，可驱动集肤效应电伴热 元件最长达20km左右。其原理是在"铁磁性钢管"中穿一根"高温电线"，其尾端线芯与铁 磁性钢管尾端相连接，它们在首端分别与交流电源的相线和零线形成串联电路，交流电流 方向是由交流电源的相线通过高温电线的首端、高温电线尾端和铁磁性钢管尾端的连接端 子、铁磁性钢管的内壁、最后返回到电源零线。由于铁磁性钢管中高温电线组成的串联电气 回路的交流电阻明显比直流电阻要大，且交流电流的通道是沿其截面的内壁向外壁指数衰 减变化，而直流电流为其均匀分布，并其电流通道途经受到集肤效应和邻近效应的影响，其 电流密度是由内壁向外壁指数变化，最后降到忽略一定电流强度对人的接触就不会产生危 险。因此发热原理由三个方面产生热量(l)当交流电流在高温电线电阻上就产生焦耳热； (2)通过铁磁性钢管内的电阻上产生的焦耳热；(3)由于高温电线中的交流电流引起在铁 磁性钢管中的磁通量诱发电动势，涡交流电流在其璧中的电阻产生的焦耳热，及其克服磁 畴磨擦的热量。"电源接线盒"用于"集肤效应电伴热元件"与"输入电缆"的连接，因用户长输管
道储运生产的集肤效应电伴热元件很长，各些装置完全可能处于防爆场所，尤其一般"电源 接线盒"不具备防爆结构、技术性能及不符合安全性，不能适用于防爆场所。
发明内容
本发明的目的是提供长输管道上集肤效应电伴热元件集肤效应防爆电源接线盒
的防爆安全设汁方法，它安装放置在集肤效应电伴热元件的首端，不仅能用于交流电源电
缆与集肤效应电伴热元件的连接，而且解决了电源接线盒所处爆炸性气体环境危险场所区
域的安全技术问题。
本发明方法包括 1、用于长输管道使用的集肤效应电伴热元件常用的'交流电源'及'频率'为50Hz 或50 400Hz电伴热集肤效应电伴热元件的交流电源的频率有二种其工频50Hz用于驱 动其长度不超过20km左右集肤效应电伴热元件；中频为可调，范围50 400Hz，用于驱动 其长度不超过3km左右集肤效应电伴热元件，其外壳材质为铁磁性钢管制成，其磁导率和 电阻率的选优对安全性、技术性能、经济成本是关键。当交流电源及频率确定后，集肤效应防爆电源接线盒外壳材质与集肤效应电伴热元件外壳材质一样，集肤效应防爆电源接线盒 和集肤效应电伴热元件的外壳壁厚取决于"趋肤厚度"，其方向是由其内腔的内壁向外壁， 并按指数规律变化。当集肤效应防爆电源接线盒和集肤效应电伴热元件的外壳壁厚材质选 择"磁导率"和"电阻率"的最高值时，可实现最佳效果
①"趋肤厚度"最簿，可以选择成本经济最低； ②对于集肤效应防爆电源接线盒的外壳壁厚和铁磁性钢管外壳壁厚的计算的依 据是"趋肤厚度"，因为其表面按指数规律变化到衰减，其难避免存在很小量的"泄流电流"， 和"表面电压"应充分考虑到各种不利安全因素，交流电流是在其截面电流通道沿内壁从内 壁向外壁按指数规律变化到会影响人身安全程度来汁算，并确定其厚度的"实际安全裕度" 至少是"趋肤厚度"的三倍或更大。 ③集肤效应电伴热元件使用长度较长，工作电压较高，为了保证人身接触集肤效 应加热元件系统表面尤其对"集肤效应防爆电源接线盒"的表面的安全，必须有"接地保 护"。因其外壳表面要设置的"接地保护装置"，虽然集肤效应防爆电源接线盒或集肤效应电 伴热元件表面在理论上不应带电是安全的，一旦集肤效应电伴热元件或集肤效应防爆电源 接线盒出现工作故障，其表面设置的"接地保护装置"可起到电气安全保护作用，满足防爆 电气要求、安全要求。 2、集肤效应防爆电源接线盒工作状态的最高温度是由其内腔中电流输入电缆线 芯段的电阻上的产生发热量、高温电线线芯段在其的交流电阻上的产生发热量、铁磁性钢 管在其内壁的交流电阻及三个连接端子的接触电阻上的产生发热量引起接线腔的温度升 高，导到其外壳最高表面温度，并加上最高环境的安全量不超过防爆标准"II类电气设备 的最高表面温度分组"的规定值。 3、由于很长的集肤效应电伴热元件在其"铁磁性钢管"与"高温电线"之间中存在 空气间隙，长距离形成了 "空隙腔"，当通电加热时，其膨胀或冷縮变化流动引起压力呼吸影 响防爆性能，因此要使集肤效应防爆电源接线盒的"接线腔"与集肤效应电伴热元件两者的 "空隙腔"之间应进行"隔离"，即伸入集肤效应防爆电源接线盒接线腔的集肤效应电伴热元 件在其首端部位"铁磁性钢管"与"高温电线"之间的"空隙腔"利用隔离材料进行切断，使 "接线腔"与"空隙腔"，在结构上保证集肤效应防爆电源接线盒的防爆安全性能，然而集肤 效应防爆电源接线盒的元件输出装置起连接隔离、密封、固定、安装作用。
4、集肤效应加热元件的交流工作电压相对较高，(如高于工频4千伏)，其〈开、关 >或〈通、断 > 状态频繁温度控制而产生"电晕"！其铁磁性钢管内壁表面对高温电线护套 上的表面会大量积累静电，容易导到击穿破杯耐磨防静电护套层和绝缘层，会引起麻烦故 障，因此要求耐磨防静电护套层的外表面电阻值不小于10(8 9)Q，减缓或引导其"静电"到 大地，保护绝缘层。可以在集肤效应防爆电源接线盒内高温电线的首端上用导线连接其耐 磨防静电护套层利用输入三芯电缆的电缆引入装置穿出引导其"静电"到大地，熄灭"电晕" 保护高温电线。 5、"集肤效应防爆电源接线盒"的接线腔内的三个接线端子暴露部位的"电气间
隙"、"最小爬电距离"及"绝缘材料相比漏电起痕指数分级"要同时满足交流电压最高值和 频率的国家防爆标准的不小于视定值。 6、从集肤效应防爆电源接线盒电缆引入装置进入其接线腔中的输入三芯电缆共有三根线芯"L相线电线"的线芯通过连接端子与"集肤效应电伴热元件"的"高温电线"线 芯相连接；"N零钱电线"的线芯通过与"铁磁性钢管"首端内壁上的连接端子相连接，它们 在首端分别与交流电源相线和电源零线形成串联电路，交流电流方向是由交流电源相线通 过高温电线的首端、高温电线尾端和铁磁性钢管尾端的连接端子、铁磁性钢管的内壁、最后 返回到电源零线；输入三芯电缆"S消弧电线"的线芯通过的连接端子与高温电线耐磨防静 电护套层首端的相连接，利用输入三芯电缆的消弧电线穿出电缆引入装置穿出引导其"静 电"到大地，熄灭"电晕"保护高温电线。 7、集肤效应防爆电源接线盒应能满足户外防雨、浸水、防尘IP"防护等级"的要求。
本发明有益效果如下 本发明方案通过①优取实际集肤趋肤厚度实现外壳人身安全性及经济性的方
法；②接线腔内温度升高引起外壳最高表面温度符合防爆标准"n类电气设备的最高表面
温度分组"的规定值的方法；③有效采取隔离结构切断接线腔与空隙腔保证了接线腔防爆 安全性能的方法；④利用消弧电线引导耐磨防静电护套层的静电到大地保护绝缘层的方 法；⑤符合国家有关防爆要求电气间隙、爬电距离、绝缘材料相比漏电起痕指数分级、防护 等级要求的方法；⑥处壳表面设置接地保护装置可起到电气安全保护作用满足防爆电气安 全要求的方法。解决了在爆炸性环境场所集肤效应电伴热元件的防爆电源接线盒结构设计 及安全技术问题。
图1为本发明实施例的原理及其结构示意图。 图2为本发明实施例中集肤效应加热元件的截面结构示意图。 图3为本发明实施例的盒盖局部结构示意图。 具体实施方法 下面结合附图对本发明作进一步的描述。 根据图1所示，本发明实施例的使用及其结构示意图包括交流电源1、输入三芯 电缆2、电缆压紧密封装置3、电缆密封圈4、外壳5、N电源零线6、S消弧电线7、L电源相线 8、连接端子9、元件密封圈10、防爆隔离胶泥11、元件连接节12、铁磁性钢管13、耐磨防静电 护套层14、绝缘层15、高温电线线芯16、空隙腔17、接地保护装置18、爆炸性气体环境危险 场所区域19、接线腔20。 1 、集肤效应防爆电源接线盒的电缆引入装置由其'电缆连通节'、电缆压紧密封装 置3、电缆密封圈4构成，用于输入三芯电缆2引入其接线腔20内。集肤效应防爆电源接线 盒的元件引出装置由其'元件正牙连通节'、元件密封圈10、元件连接节12、集肤效应加热 元件首端引入反牙螺纹段构成，'集肤效应电伴热元件21'是从元件引出装置其中穿入并固 定、密封并连接。其中只要顺时针拧紧元件连接节12就可起隔离、密封、固定、安装作用，反 之逆时针其就可起松开、拆卸作用。 2 、输入三芯电缆2是由从其电缆引入装置由电缆连通节进入接线腔20中，其有三 根线芯"L相线电线8"的线芯通过连接端子9与集肤效应电伴热元件21的高温电线线芯 16相连接；"N零钱电线6"的线芯通过与铁磁性钢管13首端内壁上的连接端子9相连接， 输入三芯电缆2的"S消弧电线7"的线芯通过的连接端子9与'高温电线22'的耐磨防静电护套层14首端的相连接，它们在首端分别与交流电源1的相线L和零线N形成串联电路。 交流电流方向是由交流电源1相线L通过高温电线线芯16的首端、高温电线线芯16的尾 端和铁磁性钢管13尾端的连接端子9、铁磁性钢管13的内壁、最后返回到电源零线N。输 入三芯电缆2 "S消弧电线7"的线芯通过的连接端子9与高温电线22的耐磨防静电护套 层14首端的相连接，通过输入三芯电缆2消弧电线7电缆引入装置穿出引导其"静电"到 大地，熄灭"电晕"保护高温电线22。 3、电缆压紧密封装置3、集肤效应防爆电源接线盒外壳5、元件连接节12、铁磁性 钢管13及其'电缆连通节'和'元件连通节'和盒盖的材质及其壁厚的计算原则按本发明 说明书的发明内容第1条进行，采用经济性较好的碳钢、电工纯铁或铁软磁性钢，其"趋肤 厚度"内表面按指数规律变化到衰减，其截面交流电流通道沿内壁从内壁向外壁按指数规 律变化到会影响人身安全程度来汁算，其"泄流电流"，和"表面电压"还考虑到各种不利安 全因素，其实际壁厚的"实际安全裕度"是"趋肤厚度"的三倍或更大。 4、由于集肤效应电伴热元件21使用长度较长，其工作电压较高，连接的"集肤效 应防爆电源接线盒"表面为了保证人身接触的表面的安全，设置有"接地保护装置18"。
5、对于本实施例是集肤效应加热元件21的交流工频工作电压为4千伏，为了其〈 开、关 > 或〈通、断 > 状态频繁温度控制而产生"电晕"，解决铁磁性钢管13内壁表面对高 温电线16耐磨防静电护套层14护套上的表面大量积累静电，击穿破杯耐磨防静电护套层 14和绝缘层15引起麻烦故障问题，由于高温电线22的耐磨防静电护套层14、绝缘层15挤 塑材质要求耐高温、高强度、高绝缘、高耐候、耐老化，尤其表面电阻要求较高，要用'耐温等 级较高的电缆剂塑料'，使其耐磨防静电护套层14的外表面电阻值不小于10(s 9)Q的，然 后引导其"静电"到大地，保护绝缘层。可以在集肤效应防爆电源接线盒内高温电线22的 首端上用导线连接其耐磨防静电护套层14利用输入三芯电缆的电缆引入装置穿出引导其 "静电"到大地，熄灭"电晕"保护高温电线22。 6、"集肤效应防爆电源接线盒"的安装位置是在集肤效应电伴热元件21的首端起 点并靠近交流电源1附近，由于集肤效应电伴热元件很长，沿途一般难找到合适的交流电 源1，其只能在油田、大型化工厂、港口等场所取没置交统电源l，因此"集肤效应防爆电源 接线盒"在户外防雨、防尘IP "防护等级"的要求可以取IP54 IP56。
7、本实施例集肤效应加热元件21的交流工频工作电压为4KV，"集肤效应防爆电 源接线盒"的腔内的三个接线端子9暴露部位的"电气间隙"、"最小爬电距离"及"绝缘材 料相比漏电起痕指数分级"要同时满足国家防爆标准的不小于视定值，它们分别为不小于 80mm、50mm和I级。 8、"集肤效应防爆电源接线盒"工作状态的最高温度是由其接线腔20中电流输入 电缆线芯段的电阻上的产生发热量、高温电线线芯16段在其的交流电阻上的产生发热量、 铁磁性钢管13在其内壁的交流电阻及三个连接端子9的接触电阻上的产生发热量引起的 温度升高，并加上最高环境的安全量不超过防爆标准"II类电气设备的最高表面温分组"的 规定值。 9、由于很长的集肤效应电伴热元件21在其"铁磁性钢管13"与"高温电线22"之 间中存在空气间隙，长距离形成了"空隙腔14"，当通电加热时，其膨胀或冷縮变化流动引起 压力呼吸影响防爆性能，因此要使集肤效应防爆电源接线盒的"接线腔20"与集肤效应电伴热元件21两者的"空隙腔14"之间应进行"隔离"，即伸入集肤效应防爆电源接线盒内腔的 集肤效应电伴热元件21的首端部位"铁磁性钢管13"与"高温电线21"之间的"空隙腔14" 利用防爆隔离胶泥11进行切断，使"接线腔20"与"空隙腔14"，在结构上保证集肤效应防 爆电源接线盒的防爆性能。 根据图2所示，集肤效应电伴热元件21是由、铁磁性钢管13、耐磨防静电护套层 14、绝缘层15、高温电线线芯16、空隙腔17构成，其中高温电线22是由耐磨防静电护套层 14、绝缘层15、高温电线线芯16构成，绝缘层15包覆在高温电线线芯16上面，耐磨防静电 护套层14再包覆在绝缘层15的上面，"高温电线22"穿在"铁磁性钢管13"中，其尾端高温 电线线芯16与铁磁性钢管13尾端的连接端子9相连接，它们在首端分别与交流电源1的 相线和零线形成串联电路，交流电流方向是由交流电源的相线L通过高温电线21的首端、 高温电线21尾端和铁磁性钢管13尾端的连接端子9、铁磁性钢管13的内壁、最后返回到交 流电源1零线N。 根据图3所示，图3为本发明实施例的盒盖局部结构示意图包括盒盖23、密封垫 24、隔爆面25、螺钉26。接好L相线电线的线芯8通过连接端子9与"集肤效应电伴热元件 21"的高温电线线芯16相连接；N零钱电线的线芯6通过与"铁磁性钢管13"首端内壁上 的连接端子9相连接；输入三芯电缆S消弧电线线芯7通过的连接端子9与高温电线耐磨 防静电护套层14首端的相连接，然后在盒盖23盖前预先放上密封垫24，检查隔爆面25再 正确覆盖在外壳5上面，拧紧各螺钉26，按本发明在爆炸性气体环境危险场所区域19安装 图3及图1图2后，根据综合上述的要求及涉及有关的技术要求，"集肤效应防爆电源接线 盒"的防爆等级至少要满足为ExemT或ExeT或及其以上国家防爆标准的技术要求。
以上结合附图作出的实施例，仅为便于理解和说明本发明，而并非是对本发明的 限制和限定，对于集肤效应防爆电源接线盒结构及防爆安全设计方法都可以作出各种不相 同形式，有关领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以出多种 变型和变化。本发明的保护范围由各权利要求限定的，包括落入各权利要求范围的各种变 型和变化，以及它们的等同物。
权利要求
一种集肤效应防爆电源接线盒的防爆安全设汁方法，包括交流电源(1)、输入三芯电缆(2)、电缆压紧密封装置(3)、电缆密封圈(4)、外壳(5)、N电源零线(6)、S消弧电线(7)、L电源相线(8)、连接端子(9)、元件密封圈(10)、防爆隔离胶泥(11)、元件连接节(12)、铁磁性钢管(13)、耐磨防静电护套层(14)、绝缘层(15)、高温电线线芯(16)、空隙腔(17)、接地保护装置(18)、爆炸性气体环境危险场所区域(19)、接线腔(20)、集肤效应电伴热元件(21)、高温电线(22)、元件连接节(12)、密封垫(24)、隔爆面(25)、螺钉(26)，其中集肤效应防爆电源接线盒的电缆引入装置由其电缆连通节、电缆压紧密封装置(3)、电缆密封圈(4)构成，用于输入三芯电缆(2)引入其接线腔(20)内；集肤效应防爆电源接线盒的元件引出装置由其元件正牙连通节、元件密封圈(10)、元件连接节(12)、集肤效应加热元件首端引入反牙螺纹段构成；集肤效应电伴热元件(21)是由、铁磁性钢管(13)、耐磨防静电护套层(14)、绝缘层(15)、高温电线线芯(16)、空隙腔(17)构成；高温电线(22)是由耐磨防静电护套层(14)、绝缘层(15)、高温电线线芯(16)构成，然而，集肤效应防爆电源接线盒的电缆引入装置用于输入三芯电缆(2)引入其接线腔(20)内；集肤效应防爆电源接线盒的元件引出装置用于集肤效应电伴热元件(21)是从元件引出装置其中穿入并固定、密封并连接；高温电线(22)的绝缘层(15)包覆在高温电线线芯(16)上面，耐磨防静电护套层(14)再包覆在绝缘层(15)的上面；高温电线(22)穿在铁磁性钢管(13)中，其尾端高温电线线芯(16)与铁磁性钢管(13)尾端的连接端子(9)相连接，它们在首端分别与交流电源(1)的相线和零线形成串联电路，其特征在于集肤效应防爆电源接线盒的外壳壁厚和材质优取“磁导率”和“电阻率”为最高值，使“趋肤厚度”为最簿，实现最低经济成本。
2. 根据权利要求1所述的集肤效应防爆电源接线盒的防爆安全设汁方法，其特征在 于集肤效应防爆电源接线盒外壳壁厚、电缆压紧密封装置(3)、元件连接节(12)、盒盖 (23)、电缆连通节、元件正牙连通节的计算至少是"趋肤厚度"的三倍或更大。
3. 根据权利要求1所述的集肤效应防爆电源接线盒的防爆安全设汁方法，其特征在 于L相线电线(8)的线芯通过连接端子(9)与集肤效应电伴热元件(21)的高温电线线芯 (16)相连接；N零钱电线(6)的线芯通过与铁磁性钢管(13)首端内壁上的连接端子(9)相 连接，输入三芯电缆(2)的S消弧电线(7)的线芯通过的连接端子(9)与高温电线(22)的 耐磨防静电护套层(14)首端的相连接，它们在首端分别与交流电源(1)的相线L和零线N 形成串联电路。
4. 根据权利要求1所述的集肤效应防爆电源接线盒的防爆安全设汁方法，其特征在 于耐磨防静电护套层(14)表面的"静电"利用穿出电缆引入装置输入三芯电缆(2)的S 消弧电线(7)弓l导其"静电"到大地，熄灭"电晕"保护高温电线(22)。
5. 根据权利要求1所述的集肤效应防爆电源接线盒的防爆安全设汁方法，其特在于 在其接线腔(20)与集肤效应电伴热元件(21)高温电线(21)和铁磁性钢 管(13)之间的空 隙腔(14)，利用防爆隔离胶泥(11)进行切断，使接线腔(20)与空隙腔(14)，在结构上保证 集肤效应防爆电源接线盒的防爆性能。
6. 根据权利要求1所述的集肤效应防爆电源接线盒的防爆安全设汁方法，其特征在 于外壳(5)表面设置有"接地保护装置"。
全文摘要
一种集肤效应电伴热元件的集肤效应防爆电源接线盒的防爆安全设计方法，包括电缆引入装置、元件引出装置、输入三芯电缆、外壳、连接端子、防爆隔离胶泥、集肤效应加热元件、高温电线。制造本发明主要方法包括以下1、优取实际集肤趋肤厚度实现外壳人身安全性及经济性；2、接线腔内温度升高引起外壳最高表面温度达到防爆规定值；3、隔离结构切断接线腔空隙腔保证了接线腔防爆性能；4、利用消弧电线引导静电到大地保护绝缘层；5、符合防爆要求电气间隙、爬电距离、绝缘材料相比漏电起痕指数分级、防护等级要求；6、表面设置接地保护装置起到电气安全保护作用满足防爆电气安全要求。解决了爆炸性环境危险场所区域设计防爆电源接线盒的结构、安装及安全技术问题。
文档编号H02G3/08GK101719645SQ20091016458
公开日2010年6月2日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者赵放 申请人:赵放