Gedeïoniseerd (DI) water heeft een zeer lage elektrische geleidbaarheid-doorgaans 0,1–10 µS/cm, vergeleken met 500–1000 µS/cm voor leidingwater. In een aardleksituatie waarbij de PFA-mantel wordt doorbroken en het verwarmingselement in contact komt met DI-water, is de lekstroom veel lager dan bij kraanwater vanwege de hoge weerstand van DI-water. Een standaard aardlekschakelaar van 30 mA (aardlekschakelaar) mag niet uitschakelen omdat de lekstroom door DI-water slechts 5–15 mA -onvoldoende is om de drempel van 30 mA te bereiken. De verwarming blijft werken met een latente fout en de metalen kern corrodeert langzaam gedurende weken of maanden. Uiteindelijk kunnen de corrosieproducten een geleidend pad creëren, of kan de kern openvallen, maar de vertraging maakt badverontreiniging mogelijk. Voor DI-watersystemen moeten de uitschakeldrempels van de GFCI 5–10 mA zijn, niet 30 mA. In sommige rechtsgebieden is 5 mA toegestaan voor apparatuurbescherming in vloeistoffen met hoge weerstand.
Geleidbaarheid en lekstroom in DI-water
De lekstroom van een blootliggend verwarmingselement (120 VAC) naar aarde via DI-water is I=V / R, waarbij R de weerstand van het waterpad is. Weerstand R=ρ × L / A, waarbij ρ de soortelijke weerstand is (Ω·cm), L de padlengte (cm), A het dwars-doorsnedeoppervlak (cm²). Voor DI-water met 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. Lekstroom I=120 / 10.000,000=0.012 mA-ver onder elke drempel. Als het blootgestelde gebied echter groter is (A=100 cm²) en het pad korter (L=1 cm), R=1.000.000 × 1 / 100=10.000 Ω, I=120 / 10,000=12 mA. Dit is boven 5 mA maar onder 30 mA. Een aardlekschakelaar van 30 mA zou niet trippen; een aardlekschakelaar van 5 mA zou binnen 200-300 ms uitschakelen.
Terwijl de verwarmingskern corrodeert, lossen metaalionen (nikkel, ijzer, chroom) op in het DI-water, waardoor de geleidbaarheid toeneemt. Een kleine fout die begint bij 12 mA kan in 24-48 uur uitgroeien tot 30 mA. Gedurende die tijd blijft de verwarming werken en vervuilen metaalionen het DI-water. In halfgeleider- of farmaceutische DI-systemen kunnen zelfs ppb-niveaus van metaalionen het product bederven. Een aardlekschakelaar van 5 mA schakelt uit wanneer de fout nog klein is, waardoor besmetting tot een minimum wordt beperkt.
Vergelijking van de GFCI-tripdrempel voor DI-water
| Watertype | Geleidbaarheid (µS/cm) | Typische lekstroom door kleine fout (mA) | 30 mA GFCI-uitschakeling? | 10 mA GFCI-uitschakeling? | 5 mA GFCI-uitschakeling? | Risico op onopgemerkte fouten |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kraanwater | 500 | 50–200 | Ja (onmiddellijk) | Ja | Ja | Laag |
| RO-water | 10–50 | 10–50 | Soms (marginaal) | Ja (de meeste gevallen) | Ja | Gematigd |
| DI-water (1 MΩ·cm) | 1 | 1–15 | Zeldzaam (alleen grote fouten) | Soms | Yes (for faults >5mA) | Hoog met 30 mA |
| Ultra-zuivere DI (18 MΩ·cm) | 0.055 | 0.1–2 | Nee | Nee (fouten<10 mA) | Nee (fouten<5 mA) | Zeer hoog (GFCI zal mogelijk nooit struikelen) |
Speciale overwegingen voor Ultra-Pure DI
In ultra-zuiver DI-water (18 MΩ·cm, gebruikt in halfgeleiderfabrieken) liggen de lekstromen als gevolg van verwarmingsfouten doorgaans onder de 1 mA. Noch 30 mA noch 5 mA aardlekschakelaars zullen trippen. Voor dergelijke systemen moet de verwarmer worden ontworpen met meerdere barrières (bijvoorbeeld dubbele PFA-mantels) of een andere verwarmingsmethode gebruiken (bijvoorbeeld in-inline kwartsverwarmer). Sommige faciliteiten maken gebruik van isolatieweerstandsmonitoring (IRM) in plaats van aardlekschakelaar: het systeem meet voortdurend de weerstand tussen het verwarmingselement en de grond. Wanneer de weerstand onder een drempel daalt (bijvoorbeeld 10 MΩ voor ultra-pure DI), klinkt er een alarm. IRM kan fouten detecteren die nooit een aardlekschakelaar zouden activeren omdat de lekstroom te laag is (0,5 mA bij 120 V tot 240 kΩ? Wacht: I=120/10e6=0.012 mA). Eigenlijk levert 10 MΩ 0,012 mA op, wat detecteerbaar is door gevoelige IRM maar niet door GFCI. Er worden IRM-drempels van 1–10 MΩ gebruikt.
Voor de meeste DI-watersystemen (niet-halfgeleiders) bedraagt de weerstand 0,5–5 MΩ·cm, en zijn aardlekschakelaars van 5–10 mA effectief. Voor halfgeleider ultra-pure DI gebruik je IRM (alarm bij 1–10 MΩ) plus dubbele-barrièreconstructie.
Code en juridische overwegingen
NEC (NFPA 70) Artikel 426 vereist aardfoutbeveiliging voor vaste elektrische verwarmingsapparatuur. Voor dompelbare verwarmingstoestellen bedraagt de maximale uitschakeldrempel 30 mA voor personeelsbescherming. Artikel 427 staat echter lagere drempels toe (zo laag als 5 mA) voor de bescherming van apparatuur waarbij de bescherming van het personeel niet de voornaamste zorg is (bijvoorbeeld verwarmingstoestellen in toegankelijke maar niet-gebruikers-contactgebieden). Voor DI-watersystemen specificeert u "apparatuurbeveiliging GFCI" met een uitschakeldrempel van 5–10 mA. In sommige rechtsgebieden is een aardlekschakelaar van 5 mA vereist voor elke verwarming in water met een geleidbaarheid lager dan 100 µS/cm. Controleer lokale codes.
Voor het achteraf uitrusten van bestaande DI-watertanks met 30 mA aardlekschakelaars, vervang deze door 5 mA aardlekschakelaars. De eenheden zijn uitwisselbaar (dezelfde vormfactor) en kosten $ 50-100, veel minder dan de kosten van een enkele besmettingsgebeurtenis.
Veldvoorbeeld
De DI-waterpolijstlus van een halfgeleiderfabriek maakte gebruik van PFA-verwarmers met 30 mA aardlekschakelaars. Gedurende twee jaar ontwikkelden drie verwarmingen kleine aardfouten (lekstroom 10–20 mA) waardoor de aardlekschakelaars van 30 mA niet werden geactiveerd. Operators hebben geen alarm opgemerkt. Metaalionen (ijzer, nikkel) logen in het DI-water, waardoor de soortelijke weerstand steeg van 18 MΩ·cm naar 2 MΩ·cm en een partij wafers vervuilde. De fabriek schakelde over op 5 mA aardlekschakelaars. Daaropvolgende verwarmingsstoringen traden onmiddellijk op bij 5 mA, waardoor de verontreiniging tot verwaarloosbare niveaus werd beperkt. De fabriek heeft ook IRM toegevoegd met een alarmdrempel van 10 MΩ voor ultra-zuivere lussen.
Conclusie: Gebruik 5–10 mA aardlekschakelaar voor DI-water
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), gebruik isolatieweerstandsbewaking in plaats van aardlekschakelaar. De kosten van een 5 mA aardlekschakelaar zijn minimaal vergeleken met de kosten van vervuiling. Verzend geen PFA-verwarmer voor DI-watervoorziening met een aardlekschakelaar van 30 mA. Geef lager op. Reis vroeg, reis vaak. Bescherm het bad, bescherm het product.
