Deionizovaná (DI) voda má velmi nízkou elektrickou vodivost-typicky 0,1–10 µS/cm ve srovnání s 500–1 000 µS/cm u vody z vodovodu. V situaci zemního spojení, kdy je porušen plášť PFA a topné těleso je v kontaktu s deionizovanou vodou, je svodový proud mnohem nižší než u vodovodní vody kvůli vysokému odporu deionizované vody. Standardní 30 mA GFCI (přerušovač obvodu zemního spojení) nemusí sepnout, protože svodový proud deionizovanou vodou může být pouze 5–15 mA- nedostatečný k dosažení prahové hodnoty 30 mA. Ohřívač pokračuje v provozu s latentní poruchou a kovové jádro během týdnů nebo měsíců pomalu koroduje. Nakonec mohou korozní produkty vytvořit vodivou cestu nebo jádro může selhat při otevření, ale zpoždění umožňuje kontaminaci lázně. U systémů DI vody by prahové hodnoty GFCI měly být 5–10 mA, nikoli 30 mA. Některé jurisdikce povolují 5 mA pro ochranu zařízení v kapalinách s vysokým{21}}odporem.
Vodivost a svodový proud v deionizované vodě
Svodový proud z exponovaného topného článku (120 VAC) do země skrz deionizovanou vodu je I=V / R, kde R je odpor vodní cesty. Odpor R=ρ × L / A, kde ρ je měrný odpor (Ω·cm), L je délka dráhy (cm), A je plocha průřezu -(cm²). Pro deionizovanou vodu s ρ=1 MΩ·cm (1 000 000 Ω·cm), L=10 cm, A=1 cm², R=1 000 000 × 10 / 1=10 000 000 Ω. Svodový proud I=120 / 10 000,000=0.012 mA- hluboko pod jakoukoli prahovou hodnotou. Pokud je však exponovaná oblast větší (A=100 cm²) a dráha kratší (L=1 cm), R=1,000,000 × 1 / 100=10,000 Ω, I=120 / 10,000=12 mA. To je nad 5 mA, ale pod 30 mA. GFCI 30 mA by se nevypnulo; 5 mA GFCI se vypne během 200–300 ms.
Jak jádro ohřívače koroduje, kovové ionty (nikl, železo, chrom) se rozpouštějí v deionizované vodě a zvyšují vodivost. Malá porucha, která začíná na 12 mA, může během 24–48 hodin narůst na 30 mA. Během této doby ohřívač pokračuje v provozu a ionty kovů kontaminují deionizovanou vodu. V polovodičových nebo farmaceutických DI systémech mohou dokonce i úrovně ppb kovových iontů zničit produkt. GFCI 5 mA se vypne, když je chyba stále malá, čímž se minimalizuje kontaminace.
Porovnání GFCI Trip Threshold pro DI vodu
| Typ vody | Vodivost (µS/cm) | Typický svodový proud z malé poruchy (mA) | 30 mA GFCI Trip? | 10 mA GFCI Trip? | 5 mA GFCI Trip? | Riziko neodhalené závady |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Voda z kohoutku | 500 | 50–200 | Ano (okamžitě) | Ano | Ano | Nízký |
| RO voda | 10–50 | 10–50 | Někdy (okrajové) | Ano (většina případů) | Ano | Mírný |
| DI voda (1 MΩ·cm) | 1 | 1–15 | Vzácné (pouze velké chyby) | Někdy | Yes (for faults >5 mA) | Vysoká s 30 mA |
| Ultra{0}}čisté DI (18 MΩ·cm) | 0.055 | 0.1–2 | Žádný | Ne (chyby<10 mA) | Ne (chyby<5 mA) | Velmi vysoká (GFCI se nemusí nikdy spustit) |
Zvláštní požadavky na ultra{0}}čisté DI
V ultra-čisté deionizované vodě (18 MΩ·cm, používané v továrnách na výrobu polovodičů) jsou svodové proudy z poruch ohřívače obvykle nižší než 1 mA. Ani 30 mA ani 5 mA GFCI se nevypnou. U takových systémů musí být ohřívač navržen s více bariérami (např. dvojité PFA pláště) nebo musí používat jiný způsob ohřevu (např. řadový křemenný ohřívač). Některá zařízení používají monitorování izolačního odporu (IRM) místo GFCI: systém nepřetržitě měří odpor mezi topným článkem a zemí. Když odpor klesne pod prahovou hodnotu (např. 10 MΩ pro ultra-čisté DI), zazní alarm. IRM dokáže detekovat poruchy, které by nikdy nevypnuly GFCI, protože svodový proud je příliš nízký (0,5 mA při 120 V až 240 kΩ? Počkejte: I=120/10e6=0.012 mA). Ve skutečnosti 10 MΩ dává 0,012 mA, což je detekovatelné citlivým IRM, ale ne GFCI. Používají se prahové hodnoty IRM 1–10 MΩ.
U většiny systémů DI vody (ne-polovodičových) je měrný odpor 0,5–5 MΩ·cm a účinné jsou hodnoty GFCI 5–10 mA. Pro polovodičové ultra-čisté DI použijte IRM (alarm na 1–10 MΩ) plus dvojitou-bariérovou konstrukci.
Zákoník a jurisdikce
NEC (NFPA 70) článek 426 vyžaduje ochranu proti zemnímu spojení pro pevná elektrická topná zařízení. U ponorných ohřívačů je maximální vypínací prahová hodnota 30 mA pro ochranu osob. Článek 427 však povoluje nižší prahové hodnoty (až 5 mA) pro ochranu zařízení tam, kde ochrana personálu není primárním zájmem (např. topná tělesa v přístupných, ale -uživatelských{10}}kontaktních oblastech). Pro systémy DI vody specifikujte "ochranu zařízení GFCI" s prahovou hodnotou 5–10 mA. V některých jurisdikcích je pro jakýkoli ohřívač ve vodě s vodivostí nižší než 100 µS/cm vyžadován 5 mA GFCI. Zkontrolujte místní kódy.
Pro dovybavení stávajících vodních nádrží DI s 30 mA GFCI vyměňte za 5 mA GFCI. Jednotky jsou zaměnitelné (stejný tvarový faktor) a stojí 50–100 USD, což je mnohem méně než náklady na jednu kontaminaci.
Příklad pole
Smyčka DI vodního leštění polovodičové továrny používala ohřívače PFA s 30 mA GFCI. Během 2 let se u tří ohřívačů vyvinuly malé zemní poruchy (svodový proud 10–20 mA), které nevypnuly 30 mA GFCI. Operátoři nezaznamenali žádné alarmy. Kovové ionty (železo, nikl) se vyluhovaly do deionizované vody, zvýšily měrný odpor z 18 MΩ·cm na 2 MΩ·cm a kontaminovaly dávku waferů. Fabrika přešla na 5 mA GFCI. Následné poruchy ohřívače se okamžitě spustily při 5 mA, což omezilo kontaminaci na zanedbatelnou úroveň. Fabrika také přidala IRM s prahem alarmu 10 MΩ pro ultra-čisté smyčky.
Závěr: Použijte 5–10 mA GFCI pro DI vodu
Deionized water's low conductivity limits ground fault currents to 5–20 mA for typical breach sizes. A standard 30 mA GFCI may not trip, leaving the heater operating with a latent fault, corroding the core, and contaminating the bath. For DI water systems (0.5–5 MΩ·cm resistivity), specify a GFCI with 5–10 mA trip threshold. For ultra-pure DI water (>10 MΩ·cm), použijte sledování izolačního odporu místo GFCI. Náklady na 5 mA GFCI jsou minimální ve srovnání s náklady na kontaminaci. Neposílejte ohřívač PFA pro DI vodu s 30 mA GFCI. Zadejte nižší. Výlet brzy, výlet často. Chraňte koupel, chraňte výrobek.
