Avjoniserat (DI) vatten har mycket låg elektrisk ledningsförmåga-vanligtvis 0,1–10 µS/cm, jämfört med 500–1 000 µS/cm för kranvatten. I en jordfelssituation där PFA-manteln är bruten och värmeelementet kommer i kontakt med DI-vatten, är läckströmmen mycket lägre än i kranvatten på grund av den höga resistiviteten hos DI-vatten. En standard 30 mA GFCI (jordfelsbrytare) kanske inte löser ut eftersom läckströmmen genom DI-vatten kanske bara är 5–15 mA-otillräcklig för att nå tröskeln på 30 mA. Värmaren fortsätter att fungera med ett latent fel, och metallkärnan korroderar långsamt under veckor eller månader. Så småningom kan korrosionsprodukterna skapa en ledande bana, eller så kan kärnan misslyckas med att öppnas, men fördröjningen tillåter badkontamination. För DI-vattensystem bör GFCI-utlösningströskelvärdena vara 5–10 mA, inte 30 mA. Vissa jurisdiktioner tillåter 5 mA för utrustningsskydd i hög{21}}vätskor med hög resistivitet.
Konduktivitet och läckström i DI-vatten
Läckströmmen från ett exponerat värmeelement (120 VAC) till jord genom DI-vatten är I=V / R, där R är motståndet för vattenvägen. Resistans R=ρ × L/A, där ρ är resistivitet (Ω·cm), L är väglängd (cm), A är tvärsnittsarea (cm²). För DI-vatten med 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. Läckström I=120 / 10 000,000=0.012 mA-långt under varje tröskelvärde. Men om det exponerade området är större (A=100 cm²) och banan kortare (L=1 cm), R=1,000,000 × 1 / 100=10,000 Ω, I=120 / 10,000=12 mA. Detta är över 5 mA men under 30 mA. En 30 mA GFCI skulle inte lösa ut; en 5 mA GFCI skulle lösa ut inom 200–300 ms.
När värmeelementets kärna korroderar löses metalljoner (nickel, järn, krom) upp i DI-vattnet, vilket ökar ledningsförmågan. Ett litet fel som börjar vid 12 mA kan växa till 30 mA under 24–48 timmar. Under den tiden fortsätter värmaren att fungera och metalljoner förorenar DI-vattnet. I halvledar- eller farmaceutiska DI-system kan till och med ppb-nivåer av metalljoner förstöra produkten. En 5 mA GFCI löser ut när felet fortfarande är litet, vilket minimerar kontaminering.
Jämförelse av GFCI-utlösningströskel för DI-vatten
| Vattentyp | Konduktivitet (µS/cm) | Typisk läckström från litet fel (mA) | 30 mA GFCI Trip? | 10 mA GFCI Trip? | 5 mA GFCI Trip? | Risk för oupptäckt fel |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kranvatten | 500 | 50–200 | Ja (omedelbart) | Ja | Ja | Låg |
| RO vatten | 10–50 | 10–50 | Ibland (marginal) | Ja (de flesta fall) | Ja | Måttlig |
| DI-vatten (1 MΩ·cm) | 1 | 1–15 | Sällsynt (endast stora fel) | Ibland | Yes (for faults >5 mA) | Hög med 30 mA |
| Ultra-ren DI (18 MΩ·cm) | 0.055 | 0.1–2 | Inga | Nej (fel<10 mA) | Nej (fel<5 mA) | Mycket hög (GFCI kanske aldrig snurrar) |
Särskilda överväganden för Ultra-Pure DI
I ultra-rent DI-vatten (18 MΩ·cm, används i halvledarfabriker) är läckströmmar från värmarfel vanligtvis under 1 mA. Varken 30 mA eller 5 mA GFCI kommer att lösa ut. För sådana system måste värmaren utformas med flera barriärer (t.ex. dubbla PFA-mantel) eller använda en annan uppvärmningsmetod (t.ex. in{11}}kvartsvärmare). Vissa anläggningar använder isolationsresistansövervakning (IRM) istället för GFCI: systemet mäter kontinuerligt motståndet mellan värmeelementet och marken. När motståndet faller under ett tröskelvärde (t.ex. 10 MΩ för ultra-ren DI) ljuder ett larm. IRM kan upptäcka fel som aldrig skulle lösa ut en GFCI eftersom läckströmmen är för låg (0,5 mA vid 120 V till 240 kΩ? Vänta: I=120/10e6=0.012 mA). Egentligen ger 10 MΩ 0,012 mA, vilket kan detekteras av känslig IRM men inte av GFCI. IRM-trösklar på 1–10 MΩ används.
För de flesta DI-vattensystem (icke-halvledare) är resistiviteten 0,5–5 MΩ·cm och 5–10 mA GFCI är effektiva. För ultra-halvledarren DI, använd IRM (larm vid 1–10 MΩ) plus dubbel-barriärkonstruktion.
Kod och jurisdiktionsöverväganden
NEC (NFPA 70) Artikel 426 kräver jordfelsskydd för fast elektrisk värmeutrustning. För dränkbara värmare är den maximala utlösningströskeln 30 mA för personalskydd. Artikel 427 tillåter dock lägre tröskelvärden (så låga som 5 mA) för utrustningsskydd där personalskyddet inte är det primära problemet (t.ex. värmare i tillgängliga men icke-{9}}användare-kontaktområden). För DI-vattensystem, specificera "utrustningsskydd GFCI" med 5–10 mA utlösningströskel. I vissa jurisdiktioner krävs en 5 mA GFCI för alla värmare i vatten med konduktivitet under 100 µS/cm. Kontrollera lokala koder.
För eftermontering av befintliga DI-vattentankar med 30 mA GFCI, ersätt med 5 mA GFCI. Enheterna är utbytbara (samma formfaktor) och kostar $50–100, mycket mindre än kostnaden för en enskild kontamineringshändelse.
Fältexempel
En halvledarfabriks DI-vattenpoleringsslinga använde PFA-värmare med 30 mA GFCI. Under 2 år utvecklade tre värmare små jordfel (läckström 10–20 mA) som inte utlöste 30 mA GFCI. Operatörer märkte inga larm. Metalljoner (järn, nickel) lakade in i DI-vattnet, vilket ökade resistiviteten från 18 MΩ·cm till 2 MΩ·cm och kontaminerade en sats av wafers. Fabriken bytte till 5 mA GFCI. Efterföljande värmarfel löste ut omedelbart vid 5 mA, vilket begränsar kontamineringen till försumbara nivåer. Fabriken lade också till IRM med 10 MΩ larmtröskel för ultra-rena loopar.
Slutsats: Använd 5–10 mA GFCI för DI-vatten
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), använd isolationsresistansövervakning istället för GFCI. Kostnaden för en 5 mA GFCI är minimal jämfört med kostnaden för kontaminering. Skicka inte en PFA-värmare för DI-vattenservice med en 30 mA GFCI. Ange lägre. Resa tidigt, resa ofta. Skydda badet, skydda produkten.
