Γιατί ο διακόπτης σφάλματος γείωσης για έναν θερμαντήρα PFA πρέπει να έχει κατώφλι διαδρομής χαμηλότερο από 30 mA για απιονισμένο νερό;

Το απιονισμένο νερό (DI) έχει πολύ χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα-συνήθως 0,1-10 μS/cm, σε σύγκριση με 500-1.000 μS/cm για το νερό της βρύσης. Ένα σφάλμα γείωσης όταν η θήκη PFA είναι σε κίνδυνο και το θερμαντικό στοιχείο αγγίζει το νερό DI έχει ως αποτέλεσμα ένα σημαντικά μικρότερο ρεύμα διαρροής από ό,τι στο νερό της βρύσης, λόγω της υψηλής ειδικής αντίστασης του νερού DI. Ένας κανονικός GFCI 30 mA (διακόπτης κυκλώματος σφάλματος γείωσης) μπορεί να μην ενεργοποιηθεί επειδή η διαρροή μέσω του νερού DI μπορεί να είναι μόνο 5-15 mA-πολύ χαμηλή για να περάσει το όριο των 30 mA. Ο θερμαντήρας εξακολουθεί να λειτουργεί με λανθάνουσα βλάβη και ο μεταλλικός πυρήνας διαβρώνεται προοδευτικά μέσα σε εβδομάδες ή μήνες. Τελικά τα προϊόντα διάβρωσης μπορεί να σχηματίσουν ένα αγώγιμο κανάλι ή ο πυρήνας να μην ανοίξει, αλλά η καθυστέρηση επιτρέπει τη μόλυνση του λουτρού. Η διαδρομή GFCI για συστήματα νερού DI πρέπει να είναι 5-10 mA, όχι 30 mA. Ορισμένες χώρες επιτρέπουν 5 mA σε υγρά υψηλής ειδικής αντίστασης για προστασία του εξοπλισμού.

Ρεύμα διαρροής και αγωγιμότητα στο νερό DI
Το ρεύμα διαρροής προς τη γείωση μέσω του νερού DI από ένα εκτεθειμένο θερμαντικό στοιχείο (120 VAC) δίνεται από το I=V / R, όπου R είναι η αντίσταση του καναλιού νερού. Αντίσταση R=ρ × L / A Όπου ρ=ειδική αντίσταση (Ω·cm) L=μήκος διαδρομής (cm) A =-εμβαδόν διατομής (cm 2) Για νερό DI με ρ=1 MΩ{10}}cm (1.000.000 A1 {4}Ω{5} cm)=1 cm2 R=1,000,000 x 10 / 1=10,000,000 Ω Ρεύμα διαρροής I=120 / 10.000,000=0.012 mA-πολύ κάτω από οποιοδήποτε όριο. Αλλά αν η ανοιχτή περιοχή είναι μεγαλύτερη (A=100 cm 2 ) και η διαδρομή είναι μικρότερη (L=1 cm), R=1,000,000 x 1 / {100=10,000 Ohms I=120 / 10,000=12 mA. Αυτό είναι περισσότερο από 5 mA αλλά λιγότερο από 30 mA. Ένα GFCI 30 mA δεν θα σκόνταρε, αλλά ένα GFCI 5 mA, μέσα σε 200 έως 300 ms.

Καθώς ο πυρήνας του θερμαντήρα διαβρώνει τα μεταλλικά ιόντα (νικέλιο, σίδηρος, χρώμιο) διαλύονται στο νερό DI αυξάνοντας την αγωγιμότητα. Ένα μικροσκοπικό ελάττωμα που ξεκινά από τα 12 mA μπορεί να αυξηθεί στα 30 mA σε 24 έως 48 ώρες. Ο θερμαντήρας παραμένει αναμμένος κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου και το νερό DI μολύνεται με μεταλλικά ιόντα. Ακόμη και ποσότητες ppb μεταλλικών ιόντων μπορούν να καταστρέψουν το προϊόν σε ημιαγωγικά ή φαρμακευτικά συστήματα DI. Ένα GFCI 5 mA θα σβήσει πριν το σφάλμα είναι πολύ μεγάλο, ελαχιστοποιώντας τη ρύπανση.

Σύγκριση ορίου ταξιδιού DI Water GFCI
Αγωγιμότητα τύπου νερού (μS/cm) Τυπικό ρεύμα διαρροής από μικρό σφάλμα (mA) 30 mA GFCI Trip; Ταξίδι GFCI 10 mA; Ταξίδι 5 mA GFCI; Μη ανιχνεύσιμος κίνδυνος σφάλματος
Νερό βρύσης 500 50-200 Ναι (άμεσο) Ναι Ναι Χαμηλό
RO νερό 10-50 10-50 Μερικές φορές (οριακό) Ναι (τις περισσότερες περιπτώσεις) Ναι Μέτρια
DI water (1 MΩ·cm) 1 1-15 Rare (only huge faults) Sometimes Yes (for faults >5 mA) Υψηλό με 30 mA Ultra-καθαρό DI (18 MΩ·cm) 0.055 0.1-2 Όχι Όχι (βλάβες<10 mA) No (faults <5 mA) Very high (GFCI may never trip)
Ειδικές εκτιμήσεις για το Ultra-Pure DI
Τα ρεύματα διαρροής από ελαττώματα του θερμαντήρα σε εξαιρετικά-καθαρό νερό DI (18 MΩ·cm, όπως χρησιμοποιείται στα εργοστάσια ημιαγωγών) είναι συνήθως<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.

Η ειδική αντίσταση για τα περισσότερα συστήματα νερού DI (μη-ημιαγωγών) είναι 0,5–5 MΩ·cm και χρησιμοποιούνται GFCI 5–10 mA. Για υπερ-καθαρό DI ημιαγωγών, χρησιμοποιήστε IRM (συναγερμός στα 1-10 MΩ) + κατασκευή διπλού φραγμού.

Κώδικας και συνέπειες για τις δικαιοδοσίες
NEC (NFPA 70) 3. Το άρθρο 426 ζητά την πρόληψη σφαλμάτων γείωσης για εγκατεστημένο ηλεκτρικό εξοπλισμό θέρμανσης. Η μέγιστη ρύθμιση διαδρομής για υποβρύχιες θερμάστρες για την ασφάλεια του προσωπικού είναι 30 mA. Ωστόσο, το άρθρο 427 προβλέπει χαμηλότερα κατώφλια (έως 5 mA) για την προστασία του εξοπλισμού όταν η προστασία του προσωπικού δεν είναι η κύρια προτεραιότητα (π.χ. θερμαντήρες σε προσβάσιμες περιοχές όπου δεν υπάρχει επαφή με τον χρήστη). Για συστήματα νερού DI, καθορίστε την "Προστασία εξοπλισμού GFCI" με όριο διακοπής 5 έως 10 mA. Ορισμένες δικαιοδοσίες απαιτούν GFCI 5 mA για κάθε θερμαντήρα σε νερό που έχει αγωγιμότητα μικρότερη από 100 microsiemens/cm. "Ελέγξτε τους τοπικούς κωδικούς.

Για την επανατοποθέτηση υφιστάμενων δεξαμενών νερού DI χρησιμοποιήστε GFCI 5 mA αντί για GFCI 30 mA.

Παράδειγμα πεδίου
Χρησιμοποιήθηκαν GFCI 30 mA για τους θερμαντήρες PFA σε βρόχο στίλβωσης νερού DI της Fab ημιαγωγών. Οι 3 θερμάστρες ανέπτυξαν μικροσκοπικά σφάλματα γείωσης (ρεύμα διαρροής 10-20 mA) σε διάστημα 2 ετών που δεν σκόπευαν τα GFCI των 30 mA. Δεν αναφέρθηκαν συναγερμοί από τους χειριστές. Μεταλλικά ιόντα (σίδηρος, νικέλιο) εκπλύθηκαν στο νερό DI αυξάνοντας την ειδική αντίσταση από 18 MΩ*cm σε 2 MΩ*cm και μόλυναν μια παρτίδα γκοφρέτες. Το fab άλλαξε σε GFCI 5 mA. Τα σφάλματα του θερμαντήρα στη συνέχεια ενεργοποιήθηκαν γρήγορα στα 5 mA και η ρύπανση μειώθηκε σε ασήμαντα επίπεδα. Η fab ενσωμάτωσε επίσης IRM με όριο ειδοποίησης 10 MΩ για εξαιρετικά καθαρούς βρόχους.

Συμπέρασμα: 5-10 mA GFCI για 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) χρησιμοποιούν παρακολούθηση αντίστασης μόνωσης, όχι GFCI. Το κόστος ενός GFCI 5 mA είναι αρκετά χαμηλό σε σύγκριση με το κόστος μόλυνσης. Μην στέλνετε θερμάστρα PFA με GFCI 30 mA για υπηρεσία νερού DI. Χαμηλότερα ορίστε Ταξίδι νωρίς, ταξίδι συχνά. Προστατέψτε το μπάνιο Προστατέψτε το προϊόν.