Varför ska jordfelsbrytaren för en PFA-värmare ha en utlösningströskel lägre än 30mA för avjoniserat vatten?

Avjoniserat (DI) vatten har mycket låg elektrisk ledningsförmåga-vanligtvis 0,1-10 µS/cm, jämfört med 500-1 000 µS/cm för kranvatten. Ett jordfel när PFA-manteln äventyras och värmeelementet vidrör DI-vatten resulterar i en väsentligt mindre läckström än i kranvatten, på grund av den höga resistiviteten hos DI-vatten. En normal 30 mA GFCI (jordfelsbrytare) kanske inte utlöses eftersom läckaget genom DI-vatten kanske bara är 5-15 mA-för lågt för att passera 30 mA-tröskeln. Värmaren fungerar fortfarande med ett latent fel och metallkärnan korroderar gradvis under veckor eller månader. Så småningom kan korrosionsprodukterna bilda en ledande kanal eller så kan kärnan misslyckas med att öppnas, men fördröjningen tillåter badkontamination. GFCI-utlösningen för DI-vattensystem bör vara 5-10 mA, inte 30 mA. Vissa länder tillåter 5 mA i högresistivitetsvätskor för utrustningsskydd.

Läckström och ledningsförmåga i DI-vatten
Läckströmmen till jord genom DI-vatten från ett exponerat värmeelement (120 VAC) ges av I=V / R, där R är motståndet i vattenkanalen. Resistans R=ρ × L/A Där ρ=resistivitet (Ω·cm) L=banlängd (cm) A=tvärsnittsarea (cm 2) För DI-vatten med ρ=1 MΩ-cm (1,0}Ω){000,{000,L=10 cm A=1 cm2 R=1,000,000 x 10 / 1=10,000,000 Ω Läckström I=120 / 10,000,000=0.012 mA-väl under alla tröskelvärden. Men om det öppna området är större (A=100 cm 2 ) och rutten är kortare (L=1 cm), R=1,000,000 x 1 / 100=10,000 Ohms I=120 / 10,000=12 mA. Detta är mer än 5 mA men mindre än 30 mA. En 30 mA GFCI skulle inte lösa ut, men en 5 mA GFCI skulle inom 200 till 300 ms.

När värmeelementets kärna korroderar löses metalljoner (nickel, järn, krom) upp i DI-vattnet och ökar konduktiviteten. En liten defekt som börjar vid 12 mA kan öka till 30 mA på 24 till 48 timmar. Värmaren förblir på under denna period och DI-vattnet blir förorenat med metalljoner. Även ppb-mängder av metalljoner kan förstöra produkten i halvledar- eller farmaceutiska DI-system. En 5 mA GFCI kommer att lösa ut innan felet är för stort, vilket minimerar föroreningarna.

DI Vatten GFCI Trip Threshold Jämförelse
Vattentyp ledningsförmåga (µS/cm) Typisk läckström från litet fel (mA) 30 mA GFCI-utlösning? 10 mA GFCI Trip? 5 mA GFCI-utlösning? Oupptäckt felrisk
Kranvatten 500 50-200 Ja (omedelbart) Ja Ja Låg
RO vatten 10-50 10-50 Ibland (marginal) Ja (de flesta fall) Ja Måttlig
DI water (1 MΩ·cm) 1 1-15 Rare (only huge faults) Sometimes Yes (for faults >5 mA) Hög med 30 mA Ultra-ren DI (18 MΩ·cm) 0.055 0.1-2 Nej Nej (fel<10 mA) No (faults <5 mA) Very high (GFCI may never trip)
Särskilda överväganden för Ultra-Pure DI
Läckströmmar från värmardefekter i ultra-rent DI-vatten (18 MΩ·cm, som används i halvledarfabriker) är vanligtvis<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.

Resistiviteten för de flesta DI-vattensystem (icke-halvledare) är 0,5–5 MΩ·cm och 5–10 mA GFCI används. För ultra-halvledarren DI, använd IRM (larm vid 1-10 MΩ) + dubbelbarriärkonstruktion.

Kod och konsekvenser för jurisdiktioner
NEC (NFPA 70) 3. Artikel 426 kräver förebyggande av jordfel för installerad elektrisk uppvärmningsutrustning. Den maximala utlösningsinställningen för dränkbara värmare för personalsäkerhet är 30 mA. I artikel 427 föreskrivs dock lägre trösklar (ned till 5 mA) för utrustningsskydd när skyddet av personal inte är den främsta prioriteringen (t.ex. värmare i tillgängliga områden där det inte finns någon användarkontakt). För DI-vattensystem, specificera "utrustningsskydd GFCI" med 5 till 10 mA utlösningströskel. Vissa jurisdiktioner kräver en 5 mA GFCI för alla värmare i vatten med konduktivitet mindre än 100 mikrosiemens/cm. "Kontrollera lokala koder.

För återmontering av befintliga DI-vattentankar använd 5 mA GFCI istället för 30 mA GFCI. Enheterna är utbytbara (identisk formfaktor) och kostar $50–$100, betydligt mindre än kostnaden för en enskild förorening.

Fältexempel
30 mA GFCI användes för PFA-värmare i en halvledarfabriks DI-vattenpoleringsslinga. De 3 värmarna utvecklade små jordfel (läckström 10-20 mA) under 2 år som inte löste ut 30 mA GFCI. Inga larm rapporterade av operatörer. Metalljoner (järn, nickel) lakade in i DI-vattnet och ökade resistiviteten från 18 MΩ*cm till 2 MΩ*cm och förorenade en sats av wafers. Fabriken ändrades till 5 mA GFCI. Värmefel utlöstes därefter snabbt vid 5 mA och föroreningarna reducerades till obetydliga nivåer. Fabriken inkorporerade också IRM med 10 MΩ varningströskel för extremt rena loopar.

Slutsats: 5-10 mA GFCI för DI-vatten
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) använder isolationsresistansövervakning, inte GFCI. Kostnaden för en 5 mA GFCI är ganska låg jämfört med kostnaden för kontaminering. Skicka inte en PFA-värmare med en 30 mA GFCI för DI-vattenservice. Nedre specificera Resa tidigt, resa ofta. Skydda badet Skydda produkten.