Deionisiertes (DI) Wasser hat eine sehr niedrige elektrische Leitfähigkeit-typischerweise 0,1–10 µS/cm, verglichen mit 500–1.000 µS/cm für Leitungswasser. Bei einem Erdschluss, bei dem die PFA-Hülle durchbrochen wird und das Heizelement mit DI-Wasser in Kontakt kommt, ist der Leckstrom aufgrund des hohen spezifischen Widerstands von DI-Wasser viel geringer als bei Leitungswasser. Ein standardmäßiger 30-mA-FI-Schutzschalter (FI-Schutzschalter) löst möglicherweise nicht aus, da der Leckstrom durch entionisiertes Wasser möglicherweise nur 5–15 mA beträgt-nicht ausreicht, um den 30-mA-Schwellenwert zu erreichen. Das Heizgerät läuft mit einem latenten Fehler weiter und der Metallkern korrodiert langsam über Wochen oder Monate. Letztendlich können die Korrosionsprodukte einen leitenden Pfad bilden oder der Kern kann aufbrechen, aber die Verzögerung führt zu einer Verunreinigung des Bades. Bei DI-Wassersystemen sollten die Auslöseschwellen des FI-Schutzschalters bei 5–10 mA und nicht bei 30 mA liegen. Einige Gerichtsbarkeiten erlauben 5 mA zum Geräteschutz in Flüssigkeiten mit hohem spezifischem Widerstand.
Leitfähigkeit und Leckstrom in DI-Wasser
Der Leckstrom von einem freiliegenden Heizelement (120 VAC) zur Erde durch DI-Wasser beträgt I=V / R, wobei R der Widerstand des Wasserpfads ist. Widerstand R=ρ × L / A, wobei ρ der spezifische Widerstand (Ω·cm), L die Weglänge (cm) und A die Querschnittsfläche (cm²) ist. Für entionisiertes Wasser mit 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. Leckstrom I=120 / 10.000,000=0.012 mA-weit unter jedem Schwellenwert. Wenn jedoch die freiliegende Fläche größer (A=100 cm²) und der Weg kürzer (L=1 cm) ist, beträgt R=1,000.000 × 1 / 100=10,000 Ω, I=120 / 10,000=12 mA. Dieser liegt über 5 mA, aber unter 30 mA. Ein 30-mA-FI-Schutzschalter würde nicht auslösen; Ein 5-mA-FI-Schutzschalter würde innerhalb von 200–300 ms auslösen.
Wenn der Heizkern korrodiert, lösen sich Metallionen (Nickel, Eisen, Chrom) im DI-Wasser auf und erhöhen so die Leitfähigkeit. Ein kleiner Fehler, der bei 12 mA beginnt, kann innerhalb von 24–48 Stunden auf 30 mA anwachsen. Während dieser Zeit läuft die Heizung weiter und Metallionen verunreinigen das DI-Wasser. In Halbleiter- oder pharmazeutischen DI-Systemen können sogar Metallionenmengen im ppb-Bereich das Produkt ruinieren. Ein 5-mA-FI-Schutzschalter löst aus, wenn der Fehler noch klein ist, wodurch die Verschmutzung minimiert wird.
Vergleich der GFCI-Auslöseschwellen für DI-Wasser
| Wassertyp | Leitfähigkeit (µS/cm) | Typischer Leckstrom bei einem kleinen Fehler (mA) | 30-mA-FI-Schutzschalter-Auslösung? | 10-mA-FI-Schutzschalter-Auslösung? | 5-mA-FI-Schutzschalter-Auslösung? | Risiko eines unerkannten Fehlers |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Leitungswasser | 500 | 50–200 | Ja (sofort) | Ja | Ja | Niedrig |
| RO-Wasser | 10–50 | 10–50 | Manchmal (marginal) | Ja (in den meisten Fällen) | Ja | Mäßig |
| DI-Wasser (1 MΩ·cm) | 1 | 1–15 | Selten (nur große Fehler) | Manchmal | Yes (for faults >5mA) | Hoch mit 30 mA |
| Ultra-reines DI (18 MΩ·cm) | 0.055 | 0.1–2 | NEIN | Nein (Fehler<10 mA) | Nein (Fehler<5 mA) | Sehr hoch (FI-Schutzschalter löst möglicherweise nie aus) |
Besondere Überlegungen für Ultra-Pure DI
In ultrareinem DI-Wasser (18 MΩ·cm, verwendet in Halbleiterfabriken) liegen Leckströme aufgrund von Heizungsfehlern typischerweise unter 1 mA. Weder 30-mA- noch 5-mA-FI-Schutzschalter lösen aus. Für solche Systeme muss die Heizung mit mehreren Barrieren ausgelegt sein (z. B. doppelte PFA-Hüllen) oder eine andere Heizmethode verwenden (z. B. Inline-Quarzheizung). Einige Anlagen nutzen die Isolationswiderstandsüberwachung (IRM) anstelle des FI-Schutzschalters: Das System misst kontinuierlich den Widerstand zwischen dem Heizelement und der Erde. Wenn der Widerstand unter einen Schwellenwert fällt (z. B. 10 MΩ für ultrareines DI), ertönt ein Alarm. IRM kann Fehler erkennen, die niemals einen FI-Schutzschalter auslösen würden, weil der Leckstrom zu niedrig ist (0,5 mA bei 120 V bis 240 kΩ? Warten Sie: I=120/10e6=0.012 mA). Tatsächlich ergeben 10 MΩ 0,012 mA, was von empfindlichem IRM, aber nicht von GFCI erkannt werden kann. Es werden IRM-Schwellenwerte von 1–10 MΩ verwendet.
Für die meisten DI-Wassersysteme (keine -Halbleiter) beträgt der spezifische Widerstand 0,5–5 MΩ·cm, und FI-Schutzschalter mit 5–10 mA sind wirksam. Für ultrareines Halbleiter-DI verwenden Sie IRM (Alarm bei 1–10 MΩ) plus doppelte Barrierekonstruktion.
Überlegungen zum Kodex und zur Gerichtsbarkeit
NEC (NFPA 70) Artikel 426 erfordert einen Erdschlussschutz für ortsfeste elektrische Heizgeräte. Bei Tauchheizgeräten beträgt die maximale Auslöseschwelle zum Personenschutz 30 mA. Artikel 427 erlaubt jedoch niedrigere Schwellenwerte (so niedrig wie 5 mA) für den Geräteschutz, wenn der Schutz des Personals nicht im Vordergrund steht (z. B. Heizgeräte in zugänglichen Bereichen, in denen der Benutzer jedoch nicht damit in Berührung kommt). Geben Sie für DI-Wassersysteme einen „Geräteschutz-FI-Schutzschalter“ mit einer Auslöseschwelle von 5–10 mA an. In einigen Ländern ist für jede Heizung in Wasser mit einer Leitfähigkeit unter 100 µS/cm ein 5-mA-FI-Schutzschalter erforderlich. Überprüfen Sie die örtlichen Vorschriften.
Um vorhandene DI-Wassertanks mit 30-mA-FI-Schutzschaltern nachzurüsten, ersetzen Sie diese durch 5-mA-FI-Schutzschalter. Die Einheiten sind austauschbar (gleicher Formfaktor) und kosten 50–100 US-Dollar, weit weniger als die Kosten einer einzelnen Kontamination.
Feldbeispiel
Der DI-Wasserpolierkreislauf einer Halbleiterfabrik verwendete PFA-Heizungen mit 30-mA-FI-Schutzschaltern. Im Laufe von zwei Jahren traten bei drei Heizgeräten kleine Erdschlüsse auf (Leckstrom 10–20 mA), die die 30-mA-FI-Schutzschalter nicht auslösten. Die Bediener bemerkten keine Alarme. Metallionen (Eisen, Nickel) wurden in das entionisierte Wasser ausgelaugt, wodurch der spezifische Widerstand von 18 MΩ·cm auf 2 MΩ·cm anstieg und eine Charge von Wafern kontaminiert wurde. Die Fabrik wurde auf 5-mA-FI-Schutzschalter umgestellt. Nachfolgende Heizungsfehler lösten sofort bei 5 mA aus, wodurch die Verschmutzung auf ein vernachlässigbares Maß begrenzt wurde. Die Fabrik fügte außerdem IRM mit einem Alarmschwellenwert von 10 MΩ für ultrareine Schleifen hinzu.
Fazit: Verwenden Sie einen 5–10-mA-FI-Schutzschalter für entionisiertes Wasser
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), verwenden Sie eine Isolationswiderstandsüberwachung anstelle eines FI-Schutzschalters. Die Kosten eines 5-mA-FI-Schutzschalters sind im Vergleich zu den Kosten einer Kontamination minimal. Versenden Sie keine PFA-Heizung für die DI-Wasserversorgung mit einem 30-mA-FI-Schutzschalter. Geben Sie niedriger an. Reisen Sie früh, reisen Sie oft. Schützen Sie das Bad, schützen Sie das Produkt.
