Деионизированная (ДИ) вода имеет очень низкую электропроводность,-обычно 0,1–10 мкСм/см по сравнению с 500–1000 мкСм/см у водопроводной воды. В ситуации замыкания на землю, когда оболочка PFA повреждена и нагревательный элемент контактирует с деионизированной водой, ток утечки намного ниже, чем в водопроводной воде, из-за высокого удельного сопротивления деионизированной воды. Стандартный GFCI на 30 мА (прерыватель цепи замыкания на землю) может не сработать, поскольку ток утечки через деионизированную воду может составлять всего 5–15 мА-, чего недостаточно для достижения порога 30 мА. Нагреватель продолжает работать со скрытой неисправностью, а металлический сердечник медленно корродирует в течение недель или месяцев. В конечном итоге продукты коррозии могут создать токопроводящий путь, или сердечник может выйти из строя, но задержка приводит к загрязнению ванны. Для систем DI-водоснабжения порог срабатывания GFCI должен составлять 5–10 мА, а не 30 мА. В некоторых юрисдикциях разрешен ток 5 мА для защиты оборудования в жидкостях с высоким- удельным сопротивлением.

Проводимость и ток утечки в деионизированной воде

Ток утечки от открытого нагревательного элемента (120 В переменного тока) на землю через деионизированную воду равен I=В/R, где R — сопротивление пути прохождения воды. Сопротивление R=ρ × L/A, где ρ — удельное сопротивление (Ом·см), L — длина пути (см), A — площадь поперечного сечения (см²). Для деионизированной воды с ρ=1 МОм·см (1 000 000 Ом·см), L=10 см, A=1 см², R=1 000 000 × 10 / 1=10 000 000 Ом. Ток утечки I=120 / 10 000,000=0.012 мА-значительно ниже любого порогового значения. Однако, если открытая площадь больше (A=100 см²), а путь короче (L=1 см), R=1000000 × 1/100=10000 Ом, I=120/10,000=12 мА. Это выше 5 мА, но ниже 30 мА. GFCI на 30 мА не сработает; GFCI на 5 мА сработает в течение 200–300 мс.

По мере коррозии сердечника нагревателя ионы металлов (никеля, железа, хрома) растворяются в деионизированной воде, увеличивая проводимость. Небольшая неисправность, начинающаяся с тока 12 мА, может вырасти до 30 мА в течение 24–48 часов. В течение этого времени нагреватель продолжает работать, а ионы металлов загрязняют деионизированную воду. В полупроводниковых или фармацевтических системах DI содержание ионов металлов даже в миллиардных долях может испортить продукт. 5 мА GFCI срабатывает, когда неисправность еще мала, что сводит к минимуму загрязнение.

Сравнение порогов срабатывания GFCI для деионизированной воды

Особые соображения по поводу Ultra-Pure DI

В сверхчистой деионизированной воде (18 МОм·см, используемой на заводах по производству полупроводников) токи утечки из-за неисправностей нагревателей обычно составляют менее 1 мА. Ни 30 мА, ни 5 мА GFCI не отключатся. Для таких систем нагреватель должен иметь несколько барьеров (например, двойные оболочки из PFA) или использовать другой метод нагрева (например, встроенный кварцевый нагреватель). На некоторых объектах вместо GFCI используется мониторинг сопротивления изоляции (IRM): система непрерывно измеряет сопротивление между нагревательным элементом и землей. Когда сопротивление падает ниже порогового значения (например, 10 МОм для сверх-чистого DI), звучит сигнал тревоги. IRM может обнаруживать неисправности, которые никогда не приводят к отключению GFCI, поскольку ток утечки слишком мал (0,5 мА при 120 В и 240 кОм? Подождите: I=120/10e6=0.012 мА). На самом деле, 10 МОм дают 0,012 мА, что определяется чувствительным IRM, но не GFCI. Используются пороги IRM 1–10 МОм.

Для большинства систем деионизированной воды (не-полупроводниковых) удельное сопротивление составляет 0,5–5 МОм·см, а эффективными являются GFCI с током 5–10 мА. Для полупроводниковых сверх-чистых DI используйте IRM (сигнализация при 1–10 МОм) плюс конструкцию с двойным-барьером.

Кодекс и юрисдикционные аспекты

Статья 426 NEC (NFPA 70) требует защиты от замыканий на землю для стационарного электронагревательного оборудования. Для погружных нагревателей максимальный порог срабатывания составляет 30 мА для защиты персонала. Однако статья 427 допускает более низкие пороговые значения (всего 5 мА) для защиты оборудования, когда защита персонала не является основной задачей (например, нагреватели в доступных, но не -зонах контакта с пользователем-). Для систем водоснабжения с прямым подключением укажите «защиту оборудования GFCI» с порогом срабатывания 5–10 мА. В некоторых юрисдикциях для любого нагревателя в воде с проводимостью ниже 100 мкСм/см требуется GFCI на 5 мА. Проверьте местные нормы.

При дооснащении существующих резервуаров для воды DI GFCI на 30 мА замените их на GFCI на 5 мА. Устройства взаимозаменяемы (один и тот же форм-фактор) и стоят 50–100 долларов, что намного меньше, чем стоимость одного случая заражения.

Пример поля

В контуре полировки водой DI на заводе по производству полупроводников использовались нагреватели PFA с GFCI на 30 мА. За 2 года у трех нагревателей возникли небольшие замыкания на землю (ток утечки 10–20 мА), которые не привели к отключению 30-мА GFCI. Операторы не заметили никаких сигналов тревоги. Ионы металлов (железо, никель) попали в деионизированную воду, резко увеличив удельное сопротивление с 18 МОм·см до 2 МОм·см и загрязнив партию пластин. Фаб перешел на 5 мА GFCI. Последующие неисправности нагревателя срабатывали немедленно при токе 5 мА, ограничивая загрязнение до незначительного уровня. Фабрика также добавила IRM с порогом срабатывания сигнализации 10 МОм для сверх-чистых контуров.

Вывод: используйте GFCI 5–10 мА для деионизированной воды.

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 МОм·см), используйте контроль сопротивления изоляции вместо GFCI. Стоимость GFCI на 5 мА минимальна по сравнению со стоимостью загрязнения. Не отправляйте нагреватель PFA для дистиллированной воды с GFCI на 30 мА. Укажите ниже. Путешествуйте рано, путешествуйте часто. Защитите ванну, защитите продукт.