Waarom moet de aardlekschakelaar voor een PFA-verwarming een uitschakeldrempel hebben die lager is dan 30 mA voor gedeïoniseerd water?

Gedeïoniseerd (DI) water heeft een zeer lage elektrische geleidbaarheid-doorgaans 0,1-10 µS/cm, vergeleken met 500-1.000 µS/cm voor leidingwater. Een aardlek wanneer de PFA-mantel beschadigd raakt en het verwarmingselement DI-water raakt, resulteert in een aanzienlijk kleinere lekstroom dan bij leidingwater, vanwege de hoge weerstand van DI-water. Een normale 30 mA aardlekschakelaar (aardlekschakelaar) wordt mogelijk niet geactiveerd omdat de lekkage door DI-water mogelijk slechts 5-15 mA te laag is om de drempel van 30 mA te overschrijden. De verwarming werkt nog steeds met een latente fout en de metalen kern corrodeert geleidelijk gedurende weken of maanden. Uiteindelijk kunnen de corrosieproducten een geleidend kanaal vormen of kan de kern openvallen, maar de vertraging maakt badverontreiniging mogelijk. De GFCI-trip voor DI-watersystemen moet 5-10 mA zijn, niet 30 mA. Sommige landen staan ​​5 mA toe in vloeistoffen met een hoge weerstand ter bescherming van apparatuur.

Lekstroom en geleidbaarheid in DI-water
De lekstroom naar aarde via DI-water van een blootliggend verwarmingselement (120 VAC) wordt gegeven door I=V / R, waarbij R de weerstand van het waterkanaal is. Weerstand R=ρ × L / A Waarbij ρ=soortelijke weerstand (Ω·cm) L=padlengte (cm) A=dwars-doorsnedeoppervlak (cm 2) Voor DI-water met ρ=1 MΩ-cm (1.000.000 Ω-cm) L=10 cm A=1 cm2 R=1.000.000 x 10 / 1=10.000.000 Ω Lekstroom I=120 / 10.000,000=0.012 mA-ruim onder elke drempel. Maar als het open gebied groter is (A=100 cm 2 ) en de route korter is (L=1 cm), R=1.000.000 x 1 / 100=10.000 Ohm I=120 / 10,000=12 mA. Dit is meer dan 5 mA maar minder dan 30 mA. Een aardlekschakelaar van 30 mA zou niet trippen, maar een aardlekschakelaar van 5 mA wel binnen 200 tot 300 ms.

Terwijl de verwarmingskern corrodeert, lossen metaalionen (nikkel, ijzer, chroom) op in het DI-water, waardoor de geleidbaarheid toeneemt. Een klein defect dat begint bij 12 mA kan binnen 24 tot 48 uur toenemen tot 30 mA. Gedurende deze periode blijft de verwarming aan en raakt het DI-water vervuild met metaalionen. Zelfs kleine hoeveelheden metaalionen kunnen producten in halfgeleider- of farmaceutische DI-systemen vernietigen. Een aardlekschakelaar van 5 mA zal uitschakelen voordat de fout te groot wordt, waardoor vervuiling wordt geminimaliseerd.

DI Water GFCI-tripdrempelvergelijking
Watertype Geleidbaarheid (µS/cm) Typische lekstroom door kleine fout (mA) 30 mA GFCI-trip? 10 mA GFCI-uitschakeling? 5 mA GFCI-trip? Ongedetecteerd foutrisico
Kraanwater 500 50-200 Ja (direct) Ja Ja Laag
RO-water 10-50 10-50 Soms (marginaal) Ja (de meeste gevallen) Ja Matig
DI water (1 MΩ·cm) 1 1-15 Rare (only huge faults) Sometimes Yes (for faults >5 mA) Hoog met 30 mA Ultra-pure DI (18 MΩ·cm) 0.055 0.1-2 Nee Nee (storingen<10 mA) No (faults <5 mA) Very high (GFCI may never trip)
Speciale overwegingen voor Ultra-Pure DI
Lekstromen als gevolg van verwarmingsdefecten in ultra-puur DI-water (18 MΩ·cm, zoals gebruikt in halfgeleiderfabrieken) zijn doorgaans<1 mA. "30 mA or 5 mA GFCI's will not trip." For such systems the heater has to be developed with numerous barriers (e.g. double PFA sheaths) or with a different heating mechanism (e.g. in-line quartz heater). Some facilities employ insulation resistance monitoring (IRM) instead of GFCI: the system continually measures resistance between the heating element and earth ground. If the resistance is below a certain threshold (e.g. 10 MΩ for ultra-pure DI), an alarm is raised. IRM can detect GFC issues that would never trip a GFCI because the leakage current is too low (0.5 mA at 120 V through 240 kΩ? Wait: I=120/10e6=0.012 mA). Actually, at 10 MΩ you get 0.012 mA that the IRM can detect but the GFCI cannot. 1–10 MΩ IRM thresholds are utilised.

De soortelijke weerstand voor de meeste DI-watersystemen (niet-halfgeleiders) is 0,5–5 MΩ·cm en er worden aardlekschakelaars van 5–10 mA gebruikt. Voor halfgeleider ultra-pure DI gebruik je IRM (alarm bij 1-10 MΩ) + dubbele barrièreconstructie.

Code en implicaties voor rechtsgebieden
NEC (NFPA 70) 3. Artikel 426 roept op tot aardfoutpreventie voor geïnstalleerde elektrische verwarmingsapparatuur. De maximale uitschakelinstelling voor onderwaterverwarmers voor de veiligheid van het personeel is 30 mA. Artikel 427 voorziet echter in lagere drempels (tot 5 mA) voor de bescherming van apparatuur wanneer de bescherming van personeel niet de hoofdprioriteit is (bijvoorbeeld verwarmingstoestellen in toegankelijke gebieden waar geen gebruikerscontact is). Voor DI-watersystemen specificeert u "apparatuurbeveiliging GFCI" met een uitschakeldrempel van 5 tot 10 mA. Sommige rechtsgebieden vereisen een aardlekschakelaar van 5 mA voor elke verwarming in water met een geleidbaarheid van minder dan 100 microsiemens/cm. "Controleer de lokale codes.

Gebruik voor het vervangen van bestaande DI-watertanks 5 mA aardlekschakelaars in plaats van 30 mA aardlekschakelaars. De eenheden zijn vervangbaar (identieke vormfactor) en kosten $ 50- $ 100, aanzienlijk minder dan de kosten van een enkele besmetting.

Veldvoorbeeld
30 mA aardlekschakelaars werden gebruikt voor de PFA-verwarmers in de DI-waterpolijstlus van een halfgeleiderfabriek. De 3 verwarmers vertoonden gedurende 2 jaar kleine aardfoutjes (lekstroom 10-20 mA), waardoor de aardlekschakelaars van 30 mA niet uitschakelden. Geen alarmen gerapporteerd door operators. Metaalionen (ijzer, nikkel) logen in het DI-water, waardoor de weerstand steeg van 18 MΩ*cm naar 2 MΩ*cm en een partij wafers vervuilde. De fabriek schakelde over op 5 mA aardlekschakelaars. Storingen in de verwarming traden daarna snel op bij 5 mA en de vervuiling werd tot onbeduidende niveaus teruggebracht. De fabriek integreerde ook IRM met een waarschuwingsdrempel van 10 MΩ voor extreem zuivere lussen.

Conclusie: 5-10 mA aardlekschakelaar voor DI-water
The poor conductivity of deionised water restricts ground fault currents to 5 to 20 mA for normal breach sizes. A 30 mA GFCI may not trip, and the heater continues to run with an undetected fault, which can corrode the core and contaminate the bath. For DI water systems (0.5 to 5 MΩ·cm resistivity) provide a GFCI with a 5 to 10 mA trip point . For ultra-pure DI water (>10 MΩ-cm) maakt gebruik van isolatieweerstandsbewaking, en niet van aardlekschakelaar. De kosten van een 5 mA aardlekschakelaar zijn vrij laag vergeleken met de kosten van vervuiling. Stuur geen PFA-verwarmer met een aardlekschakelaar van 30 mA voor DI-watervoorziening. Lagere specificeren Reis vroeg, reis vaak. Bescherm het bad Bescherm het product.