Quin és l'efecte d'un pic d'-alta tensió sobre l'aïllament intern de MgO d'un escalfador de PTFE?

Un escalfador d'immersió de PTFE pot funcionar de manera fiable durant anys dins d'un bany de revestiment agressiu, convertint en silenci l'energia elèctrica en calor de procés estable. Aleshores, en una fracció de microsegon, un transitori elèctric violent corre pel cablejat de la instal·lació. Una sobretensió de commutació d'un motor d'arrencada gran, una pertorbació de la xarxa pública o un llamp proper envia un pols de sobretensió breu però extrem directament al circuit de l'escalfador.

La funda externa de PTFE de l'escalfador pot semblar intacte. El cable de resistència de nicrom encara pot romandre físicament intacte. Tanmateix, a l'interior de l'element, l'intens pic elèctric pot destruir l'aïllament compactat d'òxid de magnesi que envolta el conductor de calefacció. Dins de la pols densa de MgO, un arc elèctric microscòpic pot tallar una via conductora permanent directament cap al nucli posat a terra de l'escalfador.

En el món de les fallades de l'escalfador de PTFE d'aïllament de MgO amb pic de tensió, el dany sovint és instantani, invisible i irreversible.

El paper del MgO dins d'un escalfador de PTFE
L'òxid de magnesi, comunament anomenat MgO, forma el sistema d'aïllament elèctric intern principal dins de molts dissenys d'escalfadors d'immersió.

El material compleix diverses funcions crítiques simultàniament:

Aïlla elèctricament el cable de calefacció de nicrom

Condueix la calor de manera eficient cap a la funda

Manté el suport mecànic del conductor

Resisteix a temperatures de funcionament elevades

A l'interior de l'escalfador, la pols de MgO compactada envolta el cable de resistència densament, creant una via tèrmica altament eficient alhora que evita el contacte elèctric entre el conductor energitzat i l'estructura del nucli metàl·lic posat a terra.

Sota una tensió de funcionament normal, el MgO funciona excepcionalment bé com a aïllant.

Per què els pics de tensió són perillosos
Cada material aïllant té una rigidesa dielèctrica finita. Aquesta qualificació dielèctrica defineix el camp elèctric màxim que pot suportar el material abans que es produeixi una avaria elèctrica.

És important destacar que la rigidesa dielèctrica està classificada per a un determinat:

Nivell de tensió

Forma d'ona

Freqüència

Durada

Un esdeveniment transitori greu pot superar aquests límits de manera espectacular.

El pic de tensió és una bala silenciosa i invisible que deixa una cicatriu permanent i conductora a l'interior del cor aïllant de l'escalfador.

Com es desenvolupa la sobretensió transitòria
Diversos esdeveniments industrials poden generar pics perjudicials:

Font de sobretensió Causa típica
Activitat transitòria{0}}induïda per llamps a prop
Sobretensió de commutació del motor Gran parada de càrrega inductiva
Pertorbació de la xarxa pública Fluctuació de potència externa
Esdeveniment de commutació SCR Transició ràpida de l'electrònica de potència
Commutat del transformador Col·lapse del camp magnètic
Tot i que aquests esdeveniments poden durar només uns microsegons, la tensió màxima pot augmentar molt per sobre del valor nominal de funcionament normal de l'escalfador.

Com es produeix l'avaria de MgO
Intensificació del camp elèctric
Dins de l'escalfador, la pols de MgO consta de partícules microscòpiques densament compactades. Hi ha petits buits i buits d'aire naturalment entre aquestes partícules.

Sota un transitori greu, el camp elèctric a través d'aquests buits microscòpics pot arribar a ser prou intens com per ionitzar l'aire atrapat.

Un cop comença la ionització:

Es produeix un arc localitzat

Es formen canals de plasma

L'avaria elèctrica es propaga ràpidament

Les temperatures internes augmenten a l'instant

L'arc es comporta eficaçment com un llamp en miniatura que es produeix dins de l'escalfador.

Formació de la Pista Carbonitzada
L'intens arc localitzat vaporitza petites quantitats de:

material MgO

Conductor de nicrom

Contaminants interns

Aquest procés deixa enrere un residu carbonitzat conductor que sovint es descriu com una pista-com el grafit.

Aquesta pista canvia permanentment el comportament elèctric de l'escalfador.

En lloc de funcionar com a aïllant, la via danyada ara es comporta com:

Un curtcircuit permanent

Un camí de corrent de fuga-alta

Un canal de falla a terra parcial

Un cop formada, la pista conductora no es pot invertir ni reparar.

Símptomes de falla interna de MgO
Un escalfador danyat per un fort pic de tensió sovint falla de forma sobtada i completament.

Els símptomes típics inclouen:

Disparació instantània del GFCI

Alarmes de-falla a terra

Viatges molestos del trencador

Resistència d'aïllament extremadament baixa

Prova hipot fallida

Corrent de fuga visible

Com que la fallada es produeix internament, la funda de PTFE pot semblar visualment perfecta durant la inspecció externa.

Resultats de megaohmímetre i hipotisme
Les proves de diagnòstic solen revelar una degradació catastròfica de l'aïllament.

Una prova de megòhmetre pot mostrar:

Resistència d'aïllament molt baixa

Lectures de resistència inestables

Indicació immediata de connexió a terra

Una prova de resistència dielèctrica sovint produeix un fracàs immediat perquè la via carbonitzada condueix el corrent directament a través del sistema d'aïllament.

En molts casos, l'escalfador no pot ni tan sols suportar proves de baixa tensió sense avaria.

Per què el dany és permanent
A diferència de la contaminació per humitat o les fuites superficials, el seguiment de l'arc carbonitzat altera permanentment l'estructura interna del sistema d'aïllament.

La via conductora roman incrustada profundament dins de la capa de MgO compactada.

L'operació de calefacció després de l'esdeveniment generalment empitjora els danys perquè:

El corrent es concentra a través de la zona danyada

Augmenta la calefacció localitzada

Es desenvolupa una carbonització addicional

El corrent de fuga augmenta progressivament

Per aquest motiu, no existeix cap reparació pràctica de camp per als danys interns de l'arc de MgO.

Un escalfador que presenta una avaria interna confirmada s'ha de treure del servei i substituir-lo completament.

El paper dels dispositius de protecció contra sobretensions
Com que el mecanisme de fallada prové d'una sobretensió transitòria, la prevenció depèn principalment de la protecció externa contra sobretensions.

Com els SPD protegeixen l'escalfador
Un dispositiu de protecció contra sobretensions (SPD) instal·lat correctament limita la tensió transitòria abans que arribi als circuits de l'escalfador.

Els SPD de tipus 1 i tipus 2 s'utilitzen habitualment per als esquemes de protecció industrial.

Aquests dispositius funcionen per:

Detecció de condicions de sobretensió

Subjecció de l'espiga transitòria

Desviant l'energia de sobretensió de manera segura a terra

Limitació de l'exposició a la tensió màxima

Sense la supressió de sobretensions, fins i tot un escalfador-ben dissenyat continua sent vulnerable als esdeveniments elèctrics originats en altres llocs del sistema elèctric de la instal·lació.

Ubicacions típiques de protecció
Els sistemes d'escalfadors industrials solen col·locar els SPD a:

Funció de protecció de la ubicació de la instal·lació
Protecció contra sobretensions a nivell de l'-edifici de l'entrada principal del servei
Panell de distribució Supressió de transitoris localitzat
Armari de control de la calefacció Protecció final de l'equip
Circuits de control sensibles Protecció electrònica
La protecció contra sobretensions en capes proporciona la màxima fiabilitat per a equips de calefacció de processos crítics.

Per què la protecció química sola no és suficient
Els escalfadors d'immersió de PTFE sovint es seleccionen específicament per la seva excel·lent resistència química.

Tanmateix, la durabilitat química no protegeix el sistema d'aïllament elèctric intern dels transitoris elèctrics.

Un escalfador pot sobreviure:

Àcids forts

Química del revestiment corrosiu

Temperatures elevades

Servei d'immersió contínua

No obstant això, encara falla a l'instant per un únic pic de tensió incontrolat.

La vulnerabilitat no existeix a la superfície de la funda, sinó a l'interior de l'estructura d'aïllament intern de l'escalfador.

Conclusió
Un transitori d'alta tensió - representa un dels mecanismes de fallada més destructius que afecten el sistema d'aïllament intern de MgO d'un escalfador d'immersió de PTFE. Quan la tensió transitòria supera la rigidesa dielèctrica de l'aïllament d'òxid de magnesi compactat, es pot produir un arc intern microscòpic entre el conductor energitzat i els components connectats a terra dins de l'escalfador.

Aquest arc crea una via conductora carbonitzada permanent que transforma el sistema d'aïllament en un camí de fuites o de curt{0}}circuit. La fallada resultant és generalment immediata i irreversible, i sovint provoca desplaçaments instantanis del GFCI, fallades del interruptor i una pèrdua catastròfica de resistència d'aïllament.

Com que el dany intern de l'arc de MgO no es pot reparar, la prevenció esdevé d'una importància crítica. Els dispositius de protecció contra sobretensions de tipus 1 o tipus 2 instal·lats correctament proporcionen la defensa principal subjectant transitoris de tensió perillosos abans que puguin arribar al circuit de l'escalfador.

Els escalfadors d'immersió industrials han de sobreviure no només a la química agressiva i a l'estrès tèrmic, sinó també a les violentes pertorbacions elèctriques amagades als sistemes d'alimentació moderns. Protegir l'escalfador de la corrosió ja no és suficient; Les sobretensions invisibles que viatgen per la xarxa elèctrica també s'han d'aturar abans de fer cicatrius l'aïllament enterrat a l'interior del nucli de l'escalfador.