Kako debelina stene plašča iz nerjavečega jekla 316 vpliva na pot električnega toka uhajanja in poslabšanje izolacijske upornosti v okoljih z visoko -vlažnostjo?

Inšpektorji za električno varnost in inženirji za zagotavljanje kakovosti, ki delajo z električnimi potopnimi grelniki v zunanjih aplikacijah, predelavi hrane in farmacevtski proizvodnji, so vedno zaskrbljeni zaradi poslabšanja izolacijske upornosti v okoljih z visoko vlažnostjo. Izolacija iz magnezijevega oksida okoli uporovne žice je higroskopna, kar pomeni, da absorbira vlago iz zraka, ko grelec ni pod napetostjo, če ovoj ni popolnoma zatesnjen. Absorbirana vlaga zmanjša izolacijski upor. To povzroči pretok toka uhajanja, ki lahko sproži sisteme za preprečevanje ozemljitvenih napak in v ekstremnih situacijah povzroči nevarnost električnega udara. Debelina stene materiala plašča iz nerjavečega jekla 316 vpliva tako na stopnjo vdora vlage kot na dolžino električnega kanala za uhajajoči tok. Ta članek ocenjuje razmerja med debelino stene plašča, difuzijo vlage in degradacijo izolacijske odpornosti ter ponuja izbirne predloge za uporabo pri visoki vlažnosti.

Difuzija vlage skozi ovoje in končna tesnila iz 316SS
Vodna para lahko difundira skozi steno plašča iz nerjavečega jekla 316 ali skozi končna tesnila, kjer uporovna žica izstopa iz plašča, in tako prežema izolacijo MgO. Prepustnost nerjavečega jekla 316 za vodno paro je zelo nizka, vendar ne enaka nič. Stopnja prodiranja vodne pare v stabilnem stanju skozi 1,0 mm debel 316 pri 40 stopinjah in 100 % relativni vlažnosti je okoli 0,001 g/m2/dan. To bi bilo manj kot 0,4 grama vode, razpršene na kvadratni meter površine plašča v enem letu, kar je zanemarljivo pri običajnih velikostih grelnikov. Glavni mehanizem infiltracije vlage je skozi mikroskopske pore na končnih tesnilih, zlasti na stiku med ovojom, MgO in keramičnimi končnimi kroglicami. Pri tankostenskih plaščih pod 1,0 mm mehanska prožnost plašča omogoča manjšo deformacijo med toplotnim ciklom, ki odpira in zapira reže na končnih tesnilih, ki črpajo vlažen zrak v MgO. Vendar pa njihova večja togost prepoveduje to delovanje črpanja pri debelo{16}}ohišjih nad 1,8 mm, kar zmanjša stopnjo vdora vlage za faktor od 5 do 10. Zato je vpliv debeline stene na vdor vlage posreden, vendar pomemben: debelejše stene bolje ohranijo celovitost končnega tesnila pri termičnem ciklu.

Debelina stene plašča in dolžina poti toka uhajanja
Ko vlaga prodre v MgO, se izolacijska upornost zmanjša, ker molekule vode ustvarijo prevodne kanale vzdolž površine zrn MgO. Električni tok uhajanja od uporovne žice do ozemljenega ovoja 316 je bil radialno voden skozi plast MgO. Upornost te poti je R=rho x ln(r2/r1) / (2 pi L), kjer je rho upornost vlažnega MgO, r2 in r1 sta zunanji in notranji polmer plasti MgO, L pa je segreta dolžina. Povečanje debeline stene plašča dejansko zmanjša debelino plasti MgO za določen premer zunanjega plašča in fiksni premer uporovne žice, saj plašč zavzame več radialnega prostora. Debelejša stena pomeni manj MgO med žico in plaščem. Ta manjša radialna razdalja vodi do nižje izolacijske upornosti za določeno vsebnost vlage in s tem poslabša težave z uhajanjem toka. Na primer, upoštevajte plašč z zunanjim premerom 10 mm z uporovno žico s premerom 3 mm. Debelina plasti MgO je 10 - 2×{1.0 - 3=5 mm, medtem ko je debelina stene 1,0 mm. Pri debelini stene 2,0 mm je debelina sloja MgO 10 - 4 - 3=3 mm. Tanjša plast MgO zmanjša radialno izolacijsko upornost za približno 40 % pri enaki upornosti MgO. Zato so debelostenski plašči bolj občutljivi na nizko izolacijsko upornost v primeru infiltracije vlage, saj je manj MgO, ki bi oviral kanal za uhajanje toka.

Kritična debelina stene za celovitost končnega tesnila
Naslednja tabela podaja predlagane 316 debeline stene plašča za električne potopne grelnike za situacije z visoko vlažnostjo, odvisno od pričakovane frekvence toplotnega cikla in potrebne izolacijske upornosti po daljšem skladiščenju ali času mirovanja. Vrednosti predvidevajo tipično konstrukcijo končnega tesnila s keramičnimi kroglicami in epoksi ali silikonskimi tesnili.

Vlažnost Okolje Pričakovano število toplotnih ciklov na leto Priporočeno najmanj 316 Priporočena debelina stene Največja priporočena debelina stene 316 Pričakovana izolacijska upornost po enem letu v visoki vlažnosti Prodiranje vlage 2. Prevladujoči mehanizmi
Občasna visoka vlažnost (manj kot 50 % časa) Pod 100 0.8 mm 1,6 mm Več kot 100 megohmov Difuzija končnega tesnila
Konstantno visoka vlažnost (80–100 % RH) Manj kot 100 1.0 mm 2,0 mm 50 - 200 megohmov Difuzijsko končno tesnilo
Konstantna visoka vlažnost z dnevnim toplotnim ciklom 200 – 500 1.4 mm 2,5 mm 10 – 100 megohmov Toplotno črpanje na končnih tesnilih
Vlažnost kondenzacije (pogosto izpiranje ali rosa) 100 – 300 1.6 mm 2,5 mm 5 – 50 megohmov Toplotno črpanje in neposredni vhod
Vlažnost Kompresija Tlak Pranje Poljubno 2,0 mm 2,5 mm 1 – 20 megohmov Potrebno hermetično tesnjenje, neposreden vhod vode
Any humidity Heater always on Any 0.8 mm 2.5 mm >1.000 megohmov Toplota odstranjuje vlago; brez poslabšanja
Vendar pa je za aplikacije s stalno visoko vlažnostjo in pogostimi temperaturnimi cikli priporočljivo uporabiti ovoj iz 316 debeline 1,6 mm ali več, tudi če bi bila debelina sloja MgO nižja. Prednost celovitosti končnega tesnila premaga pomanjkljivost zmanjšane dolžine poti puščanja. V takšnih nastavitvah bi morali inženirji določiti tudi zasnovo končnega tesnila, odpornega na vlago, npr. hermetično steklo-na-kovinsko tesnilo ali dvojno epoksi pregrado z vmesno sušilno komoro.

Oblikovanje sprememb za izboljšanje izolacijske odpornosti tankostenskih plaščev
V pogojih visoke-vlažnosti, kjer je tankostenski ovoj 316<1.2 mm is generally employed for thermal response reasons, three design adjustments exist for maintaining insulation resistance. The first is to apply a moisture barrier coating over the whole sheath and end seal assembly. A conformal coating of parylene or silicone, 50 to 100 microns thick, reduces moisture intrusion by a factor of 10 to 50. The second change is the fitting of a low wattage stand-by heater circuit to maintain the sheath temperature at 50-60 deg C when idling. This keeps the MgO heated enough to avoid condensation of moisture and chases off any water that has been absorbed. Normally the power required is 5-10% of the full heater rating. The third change is the addition of a desiccant filled breather vent to the terminal housing. The desiccant takes moisture before it can get to the end seals. A color-indicating desiccant will change colour when saturated, so that it may be seen inspected and replaced in a timely manner. For essential applications where insulation resistance below 1 megohm can pose a safety threat, engineers should design a heater-service-rated ground fault circuit interrupter. If the MgO insulation has decayed, this provides some protection if there is a leakage over 5-30 mA the GFCI trips. When ordering heaters for high humidity locations, always obtain the insulation resistance test results after 48 hours exposure to 95% relative humidity at 40°C. Most industrial uses call for a heater that will hold 10 megohms or higher under these conditions. If the heater is below 1 megohm it may need more sealing or a different wall thickness.