CN102160457B - 加热电缆 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的第一方面,提供一种自调节电加热电缆,其包括:沿着电缆长度延伸的第一电源导体(1a);沿着电缆长度延伸的第二电源导体(1b);沿着电缆长度延伸的第三电源导体(1c);第一和第二电源导体经由具有正温度系数的阻抗的第一电传导加热元件体互相电连接,并且第二和第三电源导体经由具有正温度系数的阻抗的第二电传导加热元件体相互电连接,且其中,在使用中,第一、第二和第三电源导体不互相物理连接。

Description

加热电缆
技术领域
本发明涉及一种加热电缆。尤其,本发明涉及适于与三相电源一起使用的加热电缆。
背景技术
加热电缆是众所周知的,其被用于多种用途。典型的加热电缆导电,且在这样做时以热的形式消耗一些它所传导的电能。加热电缆可被用于加热管道以便确保管道的容纳物被维持在某个温度,例如高于容纳物的冰点。加热电缆可与管道的内部或者外部接触,并可沿着管道以线性方式延伸或被缠绕在管道上。加热电缆也具有其它用途,例如,地下供暖、汽车座位供暖以及任何其它需要供暖的应用。
在近几十年,自调节加热电缆已被设计出来。这些自调节加热电缆通常包括具有正温度系数的阻抗的材料。这意味着当加热电缆变热时,它的阻抗增加。由于它的阻抗增加,流到电缆的电流被减小,导致电缆的温度以相应的方式减小。因此,加热电缆自调节。自调节加热电缆的优点在于它的固有安全特性。例如,自调节加热电缆不会过热或烧坏,这是因为该电缆可被构造成在预定的安全温度(例如,低于用于构造电缆的材料或在电缆被使用的环境中的材料的燃烧温度)将电流减小到几乎为零。
大多数早期的加热电缆具有一个或多个沿加热电缆长度运行的电导体。这些较早的加热电缆被设计与单相电源一起使用。最近,利用三相电源的加热电缆已被设计出来。例如,单相加热电缆可具有几百米的线路长度,而三相电缆可具有几千米的线路长度。
单相加热电缆可为恒流源或者自调节。然而,现有的三相加热电缆仅为恒流源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自调节加热电缆,其可与三相电源一起使用。
根据本发明的第一方面,提供一种自调节加热电缆,其包括:沿着电缆长度延伸的第一电源导体;沿着电缆长度延伸的第二电源导体;沿着电缆长度延伸的第三电源导体;其中,第一、第二和第三电源导体可互相以基本平面设置的方式并排延伸;其中,第二电源导体位于第一和第三电源导体之间;所述第一、第二和第三电源导体被埋入具有正温度系数阻抗的电传导加热元件体中;所述第一、第二和第三电源导体通过所述电传导加热元件体彼此电连接;所述第二电源导体设置有电导材料的涂层,所述电导材料的涂层的电阻高于所述电传导加热元件体的电阻;及且其中,在使用中,第一、第二和第三电源导体不互相物理连接。
根据本发明的第二方面,提供一种自调节加热电缆,其包括:沿着电缆长度延伸的第一电源导体;沿着电缆长度延伸的第二电源导体;沿着电缆长度延伸的第三电源导体;第一和第二电源导体经由具有正温度系数的阻抗的第一电传导加热元件体互相电连接,并且第二和第三电源导体经由具有正温度系数的阻抗的第二电传导加热元件体相互电连接,且其中,在使用中,第一、第二和第三电源导体互相物理连接。在使用中,每个电源导体的第一端可被连接到例如三相电源的电源。每个电源导体的第二、远端物理连接在一起。
本发明的第一和/或第二方面可具有下面描述的一个或多个特征。
第一、第二和第三电源导体可互相以基本平面设置的方式并排延伸。第二电源导体可设置在第一和第三电源导体之间。第一和第三电源导体可与第二电源导体等距间隔。
第二电源导体可具有材料涂层。该材料涂层可具有比电传导加热元件体的电阻抗更高的电阻抗。如此高的阻抗可有助于实现导体之间的均衡阻抗,其也允许导体之间的负载平衡。
第一体可形成基本中空的圆柱体的一部分,且第二体可形成基本中空圆柱体的一部分。自调节电加热可进一步包括第三电传导加热元件体,其具有正温度系数阻抗,第三体形成基本中空的圆柱体的一部分并被设置成与第三和第一电源导体电连接。第一、第二和第三电源导体可围绕基本中空的圆柱体等距间隔。第一、第二和第三电源导体可与基本中空的圆柱体的中心纵轴等距间隔。
一个或多个电源导体可以具有负温度系数的阻抗的材料包装。具有负温度系数的阻抗材料可以套的形式。
一个或多个加热元件体可包括两个组成部分,每个组成部分具有不同的正温度阻抗特性。
一个或多个加热元件体可包括具有负温度系数的阻抗的材料。
一个或多个加热元件体可一起形成单个加热元件体。
多个电源导体之一可嵌入在加热元件体中。
根据本发明的第三方面,提供一种自调节电加热电缆,其包括:沿着电缆长度延伸的第一电源导体;沿着电缆长度延伸的第二电源导体;沿着电缆长度延伸的第三电源导体;第一、第二和第三电源导体中的一个或多个被包装在具有正温度系数阻抗的材料中,第一和第二电源导体经由具有负温度系数阻抗的第一电传导加热元件体互相电连接,且第二和第三电源导体经由具有负温度系数阻抗的第二电传导加热元件体互相电连接,且其中,在使用中,第一、第二和第三电源导体互相不物理连接。在使用中,每个电源导体的第一端被连接到例如三相电源的电源。每个电源导体的第二、远端不物理连接在一起。换句话说,电源导体的这些第二端(且,就此而言,除了各自第一端的导体的所有部分)仅仅经由电传导加热元件互相电连接。
根据本发明的第四方面,提供一种自调节电加热电缆,其包括:沿着电缆长度延伸的第一电源导体;沿着电缆长度延伸的第二电源导体;沿着电缆长度延伸的第三电源导体;第一、第二和第三电源导体中的一个或多个被包装在具有正温度系数阻抗的材料中,第一和第二电源导体经由具有负温度系数阻抗的第一电传导加热元件体互相电连接,且第二和第三电源导体经由具有负温度系数阻抗的第二电传导加热元件体互相电连接,且其中,在使用中,第一、第二和第三电源导体互相物理连接。在使用中,每个电源导体的第一端被连接到例如三相电源的电源。每个电源导体的第二、远端物理连接在一起。
在适当时,本发明的第三和/或第三方面可具有上述与本发明的第一和/或第二方面有关的一个或多个特征。
附图说明
现在将仅仅通过示例的方式描述本发明的实施例,且其中,同样的特征被付与相同的参考标记,且其中:
图1描述了根据本发明一个实施例的加热电缆;
图2a描述了在图1的加热电缆中的电连接的示意电路图;
图2b描述了图1的一部分加热电缆的示意剖视图。
图3和4描述了图1的加热电缆和图1中所示加热电缆的可替换实施例的温度-阻抗特性;
图5描述了本发明实施例的加热电缆的应用;
图6描述了与图5的应用有关的温度上的变化;
图7描述了当与图1的加热电缆一同使用时的与图5的应用有关的温度变化;
图8和9描述了在图5中所示的应用中的图1的加热电缆的利用;
图10描述了根据本发明的另一实施例的加热电缆以及它用于图5的应用;
图11描述了根据本发明的另一实施例的一部分加热电缆的示意剖视图;以及
图12描述了本发明的另一实施例的加热电缆的电连接的示意电路图。
具体实施方式
图1描述了根据本发明一个实施例的加热电缆。加热电缆具有三个沿着电缆长度铺设的电导体1a,1b,1c(如铜线等等)。每个导体1a,1b,1c互相等距间隔开,并大体位于同一平面。导体1a,1b,1c嵌入在具有正温度系数阻抗的材料的电传导体2(在下文中,称作“PTC体2”)中。导体1a,1b,1c可以任何适当的方式嵌入在PTC体2中。例如,PTC体2可挤压成形在导体1a,1b,1c之上并围绕该导体。可替换地,PTC体2可围绕导体1a,1b,1c形成(如,模制)。
图1的导体1a,1b,1c可由任何适当的导电材料形成。例如,导体可由铜、钢铁等形成。电传导PTC体2由嵌入在诸如聚乙烯等的聚合体中的碳粒子形成。PTC体2可由任何适当的具有正温度系数阻抗的材料或化合物形成。例如,PTC体2典型地可由导电材料和绝缘材料混合形成。导电材料可为金属粉末、碳黑、碳纤维、碳纳米管或者一个或多个PTC陶瓷。
PCT体2由绝缘套3环绕。绝缘套3将PTC体2与金属编织层4电隔离。金属编织层4使得加热电缆机械稳定和坚固。金属编织层4被包围在绝缘夹套5中。绝缘夹套5使加热电缆电绝缘,并减小或消除磨损和撕扯的影响以及水、灰尘等的侵入。
在使用中,每个导体1a,1b,1c将被连接到三相电源(未示出)的输出端。加热电缆可被截取成一段,导体1a,1b,1c的末端不连接于三相电源,该末端被露出并在中性点被连接在一起。
图2a阐释了图1的三相加热电缆的电连接。在图2a的左手侧示出了连接点10a,10b,10c,其中在加热电缆和三相电源(未示出)之间进行电连接。在图2a的右手侧示出了中性点11,其中导体1a,1b,1c已被连接在一起。中性点为导体1a,1b,1c之间的最小阻抗的路径。嵌有导体1a、1b、1c的PTC体2由一系列电阻12表示。实际上,由于电导体1a,1b,1c被嵌入在PTC体2中,电阻的数量事实上是无限的(也就是因为PTC体2是连续的)。因此可看到所有导体经由PTC体2互相电连接。
如前所述的,PTC体2包括嵌入在聚合体母体中的碳粒子。碳粒子提供大量的潜在的导电路径。如果粒子互相接触或者聚集在一起(例如,当PTC体2的温度较低时,使得体2的聚合体不扩张并使得碳粒子离得不太远),电流将更易于沿着这些路径流动。相反地,如果不聚集在一起(例如,当PTC体2的温度较高时,使得体2的聚合体扩张并使得碳粒子互相移开),电流将不易于沿着这些路径流动。
图2b描述了图1的电导体1a、1b,1c和PTC体2的剖视图。如前段所述的,PTC体2具有大量碳粒子以及由此的潜在导电路径。图2b示出了大量PTC体2设置在导体1a和1b之间,以及导体1a和1c之间。这意味着大多数碳粒子及由此的潜在导电路径将位于导体1a和1b之间,以及导体1a和1c之间,以及并不位于导体1a和1c之间。也许出人意料地,这意味着负载将横跨加热电缆均布(或者至少比所期望的-表面上均衡-更均布),使得该电缆可传递三相电源。获得均衡负载的一个或多个附加的或可选择地理由在下面将更详细地描述。
图3阐释了图1的加热电缆的温度-阻抗特性。可看出,由于PTC体的内含物的结果,电缆的阻抗根据温度增加。要理解,这意味着,图1的加热电缆是自调节的。就是说,如果加热电缆的温度被降低,它的阻抗也将降低。随着加热电缆的阻抗降低,流过加热电缆的电流将减少,反过来使得电缆的温度下降。加热电缆自调节。取决于体中使用的PTC材料的选择,加热电缆可被设计成在特定温度附近自调节。
在另一实施例中,图1的一个、两个或三个导体1a,1b,1c可包围(例如通过挤压成形)在具有负温度系数阻抗的材料的套中。图4示出了这样一种电缆的阻抗-温度特性。可看出,当温度较低时,电缆的阻抗较高。这意味着,如果当温度较低时,电力被供给给加热电缆,流过电缆的电流不高。NTC材料的使用由此防止了在寒冷条件期间流入到电缆的被称为较大的“冲入”电流。在再一个实施例中,一个、两个或三个导体可包围(例如通过挤压成形)在具有正温度系数阻抗的材料的套中,并且这些被包围的电缆随后嵌入在具有负温度系数的材料体中。图4也示出了这种电缆的阻抗-温度特性。再一次,可看出,当温度较低时,电缆的阻抗较高。这意味着,如果当温度较低时,电力被供给给加热电缆,流过电缆的电流不高。NTC材料的使用由此再一次防止了在寒冷条件期间流入到电缆的被称为较大的“冲入”电流。在此段所讨论的任何一个实施例中,NTC材料可包括或者可为陶瓷。陶瓷可以粉末的形式。陶瓷可包括82%重量比的Mn2O3和18%重量比的NiO的混合物。NTC材料可包括于或位于聚合物母体中。
在采用NTC和PTC材料的混合物的实施例中,NTC和PTC材料形成或构成电缆的不同元件的一部分(例如,导体或被包围的导体嵌入其中的体的外壳,)不是必需的。相反,NTC和PTC材料(或成分)可被混合在一起以形成具有NTC和PTC特性两者和类似于图4中示出的温度阻抗特性的材料单体。导体可被嵌入在该材料体中。具有具有NTC和PTC特性两者的材料单体的电缆也可具有上述或下述的电缆的一些或所有特征。
图5描述了图1的加热电缆的适当应用。图1描述了内陆油井20。油井20被设置在地面21上(有时称为“在地平面上”)。在地面22下(有时称为“在地平面下”)设有储油池23。油生产管道24从油井20延伸,穿过地面22并伸入到储油池23。油可以已知的方式经由油生产管道24从储油池23传送到油井20。
储油池23可容纳具有1000C或更高温度的油。当油从储油池23经由油生产管道24被吸取时,随着油移近表面,它的温度下降。这是由于围绕油生产管道24的地面22的温度的下降,也由于随着油在油生产管道24向上朝向油井20移动时油上的压力的降低。图6示意性的描述了油温相对于它距储油池的距离的关系。如上所述,可看出,温度逐渐降低。在特定温度Tc,比如说600C,已知蜡状物材料从油中沉淀出。该蜡烛物材料覆盖油生产管道的内部,并由此限制通道的大小,通过该通道油可从储油池吸取。由于该蜡状物材料堵塞的结果,油从储油池的吸取经常需要被打断以便清洁油生产管道的内部,以使得油可被有效地从储油池吸取。典型地,当油生产管道正在被清除它的蜡状物材料堵塞时,油不可能从储油池吸取。因此,油生产管道的内部的清洁降低了工作效率。
蜡状物材料在油生产管道内的堵塞可通过防止油温降低到蜡状物材料从油中沉淀出的温度之下来避免。这可通过利用图1的加热电缆来加热油生产管道而实现。从图6可看出,在距储油池的特定距离处,油降低到蜡状物材料从油中沉淀出的临界温度Tc。因此,如果将图1的加热电缆设置成从油井沿着油生产管道延伸且向下直到(甚至超过)油达到临界温度Tc的深度处,当油被从储油池吸取时,加热电缆可用于将油保持在该临界温度之上。图7示出了如何通过距油井临界深度Dc处的加热电缆来引入热而将油温保持在临界温度Tc之上,在该临界温度蜡状物材料从油中沉淀出。
加热电缆可被设置成以任何适当的方式以及利用任何适当的构造加热油生产管道。例如,图8示出了根据本发明实施例的加热电缆如何可被缠绕在油生产管道24上。加热电缆30可被缠绕在油井24的内部,或者甚至内置在油生产管道24的壁上。图9示出了加热电缆30如何可改为沿着油生产管道24的长度纵向敷设。
油生产管道可由多个同心管形成,且加热电缆可被设置成在这些同心管之间提供的间隙中延伸。
采用三相加热电缆是最佳的,这是由于沿着三相加热电缆的压降比沿着相同或类似长度的单相加热电缆的压降低。三相加热电缆可具有好几千米的线路长度,而单相加热电缆被限制于几百米的线路长度。
图10描述了根据本发明的另一个实施例的加热电缆。在该实施例中,导体不位于同一平面内,三个导体40a,40b,40c等距围绕PTC材料中空圆柱体41的壁并沿着其延伸。导体40a,40b,40c也距PTC材料中空圆柱体41的中央纵轴等间距。这意味着,有效地存在三个均衡的传导路径:导体40a和40b之间,导体40b和40c之间,以及导体40c和40a之间。下面更详细地描述获得这种均衡的一个或多个理由。
加热电缆可具有基本圆柱形的形状,其中,在圆柱体41中可提供有裂缝以便允许电缆易于打开和包围目标物体。
图10的加热电缆可具有关于此处描述的其它实施例的加热电缆所描述的一些或所有特征(如,绝缘套、被包围在具有负温度系数阻抗的材料的套中的导体、等等)。图10还示出了要被加热的目标物体或材料42如何可被设置在PTC材料中空圆柱体41内。可替换地,PTC材料中空圆柱体41可设置在要被加热的目标物体或材料42内,由此允许其它目标物体或材料向前穿过PTC材料圆柱体41。
在其它实施例中,三个导体等距间隔开并沿着不是中空的(如实体材料)PTC体延伸。在电缆末端观看,它们可分布在例如等边三角形的三角形的角上。
关于图1,每个导体1a,1b,1c被描述为,在使用中被连接到三相电源(未示出)的输出端。加热电缆被描述成能被截取成一段,导体1a,1b,1c的末端不连接于三相电源,该末端被露出并在中性点被连接在一起。中性点为导体1a,1b,1c之间最小阻抗的路径。在另一个实施例中,不连接到三相电源的加热电缆的导体1a,1b,1c的末端可保持不连接。图11示意性地描述了这种三相加热电缆的电连接,其可仍旧被截取成一段。
参考图11,在图的左手侧示出了连接点100a,100b,100c,其中在加热电缆和三相电源(未示出)之间进行电连接。导体110a,110b,110c嵌入其中的PTC体有一系列电阻120表示。实际上,由于电导体110a,110b,110c被嵌入在PTC体中,电阻的数量事实上是无限的(也就是因为PTC体是连续的)。因此可看到所有导体110a,110b,110c经由PTC体互相电连接。在图11的右手侧,示出了远离到电源的连接点100a,100b,100c的导体110a,110b,110c的末端不互相物理连接。换句话说,导体110a,110b,110c的这些末端(且就此而言,导体110a,110b,110c的所有部分)仅仅经由电传导加热元件,也即PTC体,互相电连接。由于不物理连接导体110a,110b,110c的远端,不存在固定的中性点。
实践证明,没有固定的中性点可能是有利的。因为中性点不顾定,中性点可以移动。中性点的移动意味着导体1a,1b,1c之间的最小阻抗的路径也可移动。这意味着有电缆产生的热量可在它需要的地方传递,而不必沿着电缆的整个长度已相等的或增加的或减少的量传递。例如,当被用于加热至少一部分油生产管道(例如,关于附图5和6所描述的油生产管道)时,中性点可沿着管道移动(或者可被控制移动)到特定深度(或者换句话说,沿着电缆的距离)。特定深度可使得热量在例如油已经具有期望的温度的点或高于该点被传递,但不低于该点。
中性点的移动可取决于电缆的特性,诸如导体1a,1b,1c的材料和尺寸,以及导体1a,1b,1c所嵌入的材料(如PTC体)的尺寸和组成。中性点的移动也可取决于穿过电缆的三相信号的特性(如信号的电压或电流),和/或取决于电缆的温度。取决于诸如驱动信号中的变化,中性点可快速地从一个位置移动到另一位置,或者当驱动信号变化时,可更平稳地移动。中性点的移动可另外或可替换地为电缆温度的函数。这意味着,当电缆的温度变化时,中性点可移动。可利用该特性,以使得中性点移动到期望加热的位置,例如在油生产管道的某深度处,其中高于该深度油处于不期望的低温。
图11中所示的且参考图1所描述的加热电缆可具有一个或多个此处所描述的任何其它加热电缆的特征。
此处所描述的加热电缆已经被描述成适于加热油生产管道。要理解,加热电缆可具有其它应用,例如加热管道或其它液体输送导管。加热电缆可用于任何需要加热的应用,尤其使用三相电源是有利的应用,例如加热电缆延伸较大的距离的情形(这是由于三相电缆每单位长度上的压降别单相电缆低)。
在上面的实施例中,三个导体已被描述成以平面构造设置。电力负载已被描述成在这些导体之间出人意料地均衡-即,内导体和每个外导体之间的阻抗及负载基本上与外导体之间的阻抗及负载相同。如上所述的,归因于传导路径的位置和密度,这样的均衡可被实现。然而,实践证明,可控制导体之间的阻抗以实现更好的或期望的均衡。图12示意性地描述了这种控制如何可被实现。
图12从三个电源导体200,210,220形成自调节电加热电缆的角度示出了一端。三个电源导体200,210,220都嵌入在PTC材料体230中。外导体200,220距内导体210等间隔。这意味着,每个外导体200,220和内导体210之间的阻抗降相同。可以预期,两个外导体200,220之间的阻抗为外导体200和内导体210之间的阻抗的两倍,这是因为外导体200,220由两倍于间隔内导体210和外导体200,220的距离所间隔。这会导致不均衡的阻抗和负载。然而,这不是本实施例要考虑的情形。
在本实施例中,内导体210具有材料涂层240(如通过挤压成形等等)。材料涂层240具有比PTC材料体230更高的电阻。PTC材料体230围绕材料涂层240延伸。每个外导体200,220和内导体210之间的阻抗将取决于材料涂层240的阻抗以及PTC材料体230的阻抗,但将仍旧相同。与此相反,两个外导体200,220之间的阻抗较小取决于材料涂层240,而更多取决于PTC材料体230的阻抗。因此,如果材料涂层240的阻抗足够高(并具有充分的值),可使每个外导体200,220和内导体210之间的阻抗相同,且等于两个外导体200,220之间的阻抗。材料涂层240的提供为导体200,210,220之间的阻抗及负载的控制程度作准备。可形成均衡的阻抗构造,其将带有均衡的负载。
材料涂层240的所需阻抗(即,会一起影响阻抗的电阻率和/或厚度)可根据建模或实验计算或确定,以实现所需要的阻抗和负载中的均衡。最好地,材料涂层240也为PTC材料,由此具有如上所述的PTC材料的优点。
不提供材料涂层240,通过内导体210不与PTC材料体230良好电接触,也可故意或不故意地实现相同或类似的效应,其增加了每个外导体200,220和内导体210之间的阻抗。例如,在图1,2和/或11的实施例中,通过外导体比内导体更好的与PTC体电接触(如,由于PTC体的较差的挤压成形,或者通过不加热内导体以使得该导体粘合到PTC体或与PTC体粘合),可实现均衡的负载。
图12中示出的并参考图12描述的加热电缆可具有一个或多个此处所描述的任何其它加热电缆的特征。
在上面的实施例中,三个电导体被描述成内嵌在材料体中。然而,可替换的设置是可行的。例如,体可沿着加热电缆在两个导体之间延伸,且与两个导体电连接。另一个体可在这些导体中的一个和另一个导体之间延伸。也就是,体不必包围导体。然而,最好地,将导体内嵌在体中,以确保在每个导体之间进行相同的电连接。
上面的实施例仅仅通过示例的方式描述,并不打算限制本发明。要理解,对这些甚至其它实施例进行各种变型,而不脱离由随后的权利要求所限定的本发明。

Claims (7)

1.一种自调节加热电缆,其包括:
沿着电缆长度延伸的第一电源导体;
沿着电缆长度延伸的第二电源导体;
沿着电缆长度延伸的第三电源导体;
其中,第一、第二和第三电源导体互相以基本平面设置的方式并排延伸;
其中,第二电源导体位于第一和第三电源导体之间;
所述第一、第二和第三电源导体被埋入具有正温度系数阻抗的电传导加热元件体中;
所述第一、第二和第三电源导体通过所述电传导加热元件体彼此电连接;
所述第二电源导体设置有电导材料的涂层,所述电导材料的涂层的电阻高于所述电传导加热元件体的电阻;及
其中,在使用中,第一、第二和第三电源导体不互相物理连接。
2.根据权利要求1的自调节加热电缆,其中,第一和第三电源导体与第二电源导体等距间隔。
3.根据权利要求1的自调节加热电缆,其中,一个或多个电源导体被具有负温度系数阻抗的材料包围。
4.根据权利要求3的自调节加热电缆,其中,具有负温度系数阻抗材料以套的形式。
5.根据前述权利要求1-4中的任何一个权利要求的自调节加热电缆,其中,所述加热元件体包括两个组成部分,每个组成部分具有不同的正温度阻抗特性。
6.根据前述权利要求1-4中的任何一项权利要求的自调节加热电缆,其中,所述加热元件体还包括具有负温度系数阻抗的材料,具有正温度系数阻抗的材料和具有负温度系数阻抗的材料混合在一起以形成具有正温度系数阻抗和负温度系数阻抗两者的单体材料。
7.根据前述权利要求1-4中的任何一项权利要求的自调节加热电缆,其中,电导材料的涂层包括具有正温度系数阻抗的材料。
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