Com afecta el gruix de la paret de la funda d'acer inoxidable 316 la trajectòria del corrent de fuga elèctrica i la degradació de la resistència de l'aïllament en entorns d'alta-humitat?

Els inspectors de seguretat elèctrica i els enginyers de garantia de qualitat que treballen amb escalfadors elèctrics d'immersió en aplicacions a l'aire lliure, processament d'aliments i fabricació farmacèutica sempre estan preocupats per la degradació de la resistència de l'aïllament en entorns d'alta humitat. L'aïllament d'òxid de magnesi al voltant del cable de resistència és higroscòpic, el que significa que absorbeix la humitat de l'aire quan l'escalfador no s'activa si la funda no està completament segellada. La humitat absorbida redueix la resistència aïllant. Això fa que flueixi corrent de fuita que podria disparar els sistemes de prevenció de fallades a terra i, en situacions extremes, provocar perills de descàrrega elèctrica. El gruix de la paret del material de la funda d'acer inoxidable 316 afecta tant la taxa d'intrusió d'humitat com la longitud del canal elèctric per al corrent de fuga. Aquest article avalua el gruix de la paret de la coberta, la difusió d'humitat i les relacions de degradació de la resistència a l'aïllament i ofereix suggeriments de selecció per al servei d'alta humitat.

Difusió d'humitat a través de beines 316SS i segells finals
El vapor d'aigua es pot difondre a través de la paret de la funda de l'acer inoxidable 316 o a través dels segells finals on el cable de resistència surt de la funda, impregnant així l'aïllament de MgO. La permeabilitat de l'acer inoxidable 316 al vapor d'aigua és molt baixa, però no zero. La taxa de penetració de vapor d'aigua en estat estacionari a través d'1,0 mm de gruix 316 a 40 graus i 100% d'humitat relativa és d'uns 0,001 g/m2/dia. Això seria menys de 0,4 grams d'aigua difosa per metre quadrat de superfície de la funda en un any, la qual cosa és insignificant per a mides normals d'escalfador. El principal mecanisme d'infiltració de la humitat és a través dels porus microscòpics als segells extrems, especialment al contacte entre la funda, el MgO i les perles terminals de ceràmica. Per a les beines de paret primes per sota d'1, 0 mm, la conformitat mecànica de la funda permet una deformació menor durant el cicle tèrmic que obre i tanca els buits als segells extrems bombejant aire humit al MgO. Tanmateix, la seva major rigidesa prohibeix aquesta acció de bombeig per a les beines de paret gruixuda-per sobre d'1,8 mm, disminuint les taxes d'intrusió d'humitat en un factor de 5 a 10. Per tant, la influència del gruix de la paret en l'entrada d'humitat és indirecta, però important: les parets més gruixudes conserven millor la integritat del segell final sota el cicle tèrmic.

Gruix de la paret de la funda i longitud del recorregut del corrent de fuga
Una vegada que la humitat penetra el MgO, la resistència aïllant es redueix perquè les molècules d'aigua creen canals conductors al llarg de la superfície dels grans de MgO. El corrent de fuga elèctrica des del cable de resistència fins a la funda 316 posada a terra es va guiar radialment a través de la capa de MgO. La resistència d'aquest camí és R=rho x ln(r2/r1) / (2 pi L) on rho és la resistivitat del MgO humit, r2 i r1 són els radis exterior i interior de la capa de MgO i L és la longitud escalfada. Augmentar el gruix de la paret de la funda disminueix realment el gruix de la capa de MgO per a un cert diàmetre de la funda exterior i un diàmetre de cable de resistència fixa, ja que la funda ocupa més espai radial. La paret més gruixuda equival a menys MgO entre el cable i la funda. Aquesta menor distància radial condueix a una menor resistència d'aïllament per a un determinat contingut d'humitat i, per tant, agreuja els problemes de corrent de fuga. Per exemple, considereu una funda de 10 mm de diàmetre exterior amb un cable de resistència de 3 mm de diàmetre. El gruix de la capa de MgO és de 10 - 2×{1.0 - 3=5 mm, mentre que el gruix de la paret és d'1,0 mm. Amb un gruix de paret de 2,0 mm, el gruix de la capa de MgO és de 10 - 4 - 3=3 mm. La capa de MgO més prima disminueix la resistència d'aïllament radial al voltant d'un 40% per a la mateixa resistivitat de MgO. Per tant, les beines de paret gruixuda-són més vulnerables a la baixa resistència a l'aïllament en cas d'infiltració d'humitat, ja que hi ha menys MgO per obstruir el canal de corrent de fuga.

Gruix de paret crític per a la integritat del segell final
La taula següent ofereix uns gruixos de paret de 316 cobertes suggerits per a escalfadors elèctrics d'immersió per a situacions d'alta humitat, depenent de la freqüència del cicle tèrmic previst i de la resistència d'aïllament necessària després d'un emmagatzematge prolongat o un temps d'inactivitat. Els valors assumeixen una construcció de segell final típica amb perles de ceràmica i segells epoxi o silicona.

Entorn d'humitat Nombre previst de cicles tèrmics per any Mínim recomanat de 316 Gruix de paret Màxim recomanat de 316 Gruix de paret Resistència d'aïllament esperada després d'un any amb humitat elevada. Penetració de la humitat 2. Mecanismes dominants
Alta humitat ocasional (menys del 50% del temps) Per sota de 100 0.8 mm 1,6 mm Més de 100 megaohms Difusió del segell final
Humitat constantment alta (80-100% HR)Menys de 100 1.0 mm 2,0 mm 50 - 200 megaohms Segell final de difusió
Humitat elevada constant amb cicles tèrmics diaris 200 – 500 1.4 mm 2,5 mm 10 – 100 megaohms Bombament tèrmic als segells extrems
Humitat de condensació (rentat freqüent o rosada) 100 – 300 1.6 mm 2,5 mm 5 – 50 megaohms Bombament tèrmic i entrada directa
Humitat Compressió Rentat a pressió Qualsevol 2,0 mm 2,5 mm 1 – 20 megaohms Cal tancament hermètic, entrada directa d'aigua
Any humidity Heater always on Any 0.8 mm 2.5 mm >1.000 megaohms La calor elimina la humitat; cap deteriorament
Tanmateix, s'aconsella una funda de 316 d'1,6 mm o més de gruix per a aplicacions amb humitat alta contínua i cicles de temperatura freqüents, fins i tot si el gruix de la capa de MgO es redueixi. L'avantatge de la integritat del segell final supera el desavantatge de la reducció de la longitud de la ruta de fuites. En aquests entorns, els enginyers també haurien d'especificar un disseny de segellat final resistent a la humitat, per exemple, un segell hermètic de vidre-a-metall o una barrera epoxi doble amb una cambra d'assecat intermèdia.

Canvis de disseny per millorar la resistència d'aïllament de les-parets fines
En condicions d'alta-humitat on una funda de 316-paret fina<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.