Deioniseret (DI) vand har meget lav elektrisk ledningsevne-typisk 0,1-10 µS/cm sammenlignet med 500-1.000 µS/cm for postevand. I en jordfejlssituation, hvor PFA-kappen er brudt, og varmeelementet kommer i kontakt med DI-vand, er lækstrømmen meget lavere end i postevand på grund af DI-vandets høje resistivitet. En standard 30 mA GFCI (jordfejlsafbryder) udløses muligvis ikke, fordi lækstrømmen gennem DI-vand måske kun er 5-15 mA-utilstrækkelig til at nå tærsklen på 30 mA. Varmelegemet fortsætter med at fungere med en latent fejl, og metalkernen korroderer langsomt over uger eller måneder. Til sidst kan korrosionsprodukterne skabe en ledende bane, eller kernen kan svigte åben, men forsinkelsen tillader badkontamination. For DI-vandsystemer skal GFCI-udløsningstærskler være 5-10 mA, ikke 30 mA. Nogle jurisdiktioner tillader 5 mA til udstyrsbeskyttelse i væsker med høj-resistivitet.
Ledningsevne og lækstrøm i DI-vand
Lækstrømmen fra et blotlagt varmeelement (120 VAC) til jord gennem DI-vand er I=V / R, hvor R er modstanden af vandvejen. Modstand R=ρ × L/A, hvor ρ er resistivitet (Ω·cm), L er vejlængde (cm), A er tværsnitsareal (cm²). For DI-vand 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. Lækstrøm I=120 / 10.000,000=0.012 mA-langt under enhver tærskel. Men hvis det eksponerede område er større (A=100 cm²) og stien kortere (L=1 cm), R=1,000.000 × 1 / 100=10,000 Ω, I=120 / 10,000=12 mA. Dette er over 5 mA, men under 30 mA. En 30 mA GFCI ville ikke udløses; en 5 mA GFCI ville udløse inden for 200–300 ms.
Når varmelegemets kerne korroderer, opløses metalioner (nikkel, jern, krom) i DI-vandet, hvilket øger ledningsevnen. En lille fejl, der starter ved 12 mA, kan vokse til 30 mA i løbet af 24-48 timer. I løbet af den tid fortsætter varmeren med at fungere, og metalioner forurener DI-vandet. I halvleder- eller farmaceutiske DI-systemer kan selv ppb-niveauer af metalioner ødelægge produktet. En 5 mA GFCI udløses, når fejlen stadig er lille, hvilket minimerer forurening.
GFCI Trip Threshold Sammenligning for DI-vand
| Vandtype | Ledningsevne (µS/cm) | Typisk lækstrøm fra lille fejl (mA) | 30 mA GFCI Trip? | 10 mA GFCI Trip? | 5 mA GFCI Trip? | Risiko for uopdaget fejl |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Postevand | 500 | 50–200 | Ja (umiddelbart) | Ja | Ja | Lav |
| RO vand | 10–50 | 10–50 | Nogle gange (marginalt) | Ja (de fleste tilfælde) | Ja | Moderat |
| DI-vand (1 MΩ·cm) | 1 | 1–15 | Sjælden (kun store fejl) | Undertiden | Yes (for faults >5 mA) | Høj med 30 mA |
| Ultra-ren DI (18 MΩ·cm) | 0.055 | 0.1–2 | Ingen | Nej (fejl<10 mA) | Nej (fejl<5 mA) | Meget høj (GFCI falder muligvis aldrig) |
Særlige overvejelser for Ultra-Pure DI
I ultra-rent DI-vand (18 MΩ·cm, brugt i halvlederfabrikater) er lækstrømme fra varmelegemefejl typisk under 1 mA. Hverken 30 mA eller 5 mA GFCI udløses. For sådanne systemer skal varmeren være designet med flere barrierer (f.eks. dobbelte PFA-kapper) eller bruge en anden opvarmningsmetode (f.eks. in{11}}kvartsvarmer). Nogle faciliteter bruger isolationsmodstandsovervågning (IRM) i stedet for GFCI: Systemet måler kontinuerligt modstanden mellem varmeelementet og jorden. Når modstanden falder under en tærskel (f.eks. 10 MΩ for ultra-ren DI), lyder en alarm. IRM kan detektere fejl, der aldrig vil udløse en GFCI, fordi lækstrømmen er for lav (0,5 mA ved 120 V til 240 kΩ? Vent: I=120/10e6=0.012 mA). Faktisk giver 10 MΩ 0,012 mA, som kan detekteres af følsom IRM, men ikke af GFCI. Der anvendes IRM-tærskler på 1-10 MΩ.
For de fleste DI-vandsystemer (ikke-halvledere) er resistiviteten 0,5-5 MΩ·cm, og 5-10 mA GFCI'er er effektive. For halvleder ultra-ren DI, brug IRM (alarm ved 1-10 MΩ) plus dobbelt-barrierekonstruktion.
Kodeks og jurisdiktionsovervejelser
NEC (NFPA 70) Artikel 426 kræver jordfejlsbeskyttelse for fast elektrisk varmeudstyr. For dykvarmere er den maksimale udløsningstærskel 30 mA for personalebeskyttelse. Imidlertid tillader artikel 427 lavere tærskler (så lave som 5 mA) for udstyrsbeskyttelse, hvor personelbeskyttelse ikke er det primære problem (f.eks. varmeapparater i tilgængelige, men ikke{9}}bruger-kontaktområder). For DI-vandsystemer, specificer "udstyrsbeskyttelse GFCI" med 5–10 mA udløsningstærskel. I nogle jurisdiktioner er en 5 mA GFCI påkrævet for ethvert varmeapparat i vand med ledningsevne under 100 µS/cm. Tjek lokale koder.
For eftermontering af eksisterende DI-vandtanke med 30 mA GFCI'er, udskiftes med 5 mA GFCI'er. Enhederne er udskiftelige (samme formfaktor) og koster $50-100, langt mindre end prisen for en enkelt forureningshændelse.
Eksempel på felt
En halvlederfabriks DI-vandpoleringssløjfe brugte PFA-varmere med 30 mA GFCI'er. I løbet af 2 år udviklede tre varmeapparater små jordfejl (lækstrøm 10-20 mA), der ikke udløste 30 mA GFCI'erne. Operatører bemærkede ingen alarmer. Metalioner (jern, nikkel) udvaskes i DI-vandet, øgede modstandsevnen fra 18 MΩ·cm til 2 MΩ·cm og forurenede en batch af wafers. Fabrikken skiftede til 5 mA GFCI'er. Efterfølgende varmelegemefejl udløste øjeblikkeligt ved 5 mA, hvilket begrænsede forurening til ubetydelige niveauer. Fabrikken tilføjede også IRM med 10 MΩ alarmtærskel for ultra-rene sløjfer.
Konklusion: Brug 5–10 mA GFCI til DI-vand
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), brug overvågning af isolationsmodstand i stedet for GFCI. Omkostningerne ved en 5 mA GFCI er minimal sammenlignet med omkostningerne ved forurening. Send ikke en PFA-varmer til DI-vandservice med en 30 mA GFCI. Angiv lavere. Tur tidligt, tur ofte. Beskyt badet, beskyt produktet.
