Kuidas mõjutab 316 roostevabast terasest ümbrise seina paksus elektrilekkevoolu teed ja isolatsioonitakistuse halvenemist kõrge õhuniiskusega keskkondades?

Elektriohutuse inspektorid ja kvaliteedi tagamise insenerid, kes töötavad elektriliste sukelsoojenditega välistingimustes, toiduainete töötlemisel ja farmaatsiatööstuses, on alati mures isolatsioonitakistuse halvenemise pärast kõrge õhuniiskuse korral. Magneesiumoksiidi isolatsioon takistustraadi ümber on hügroskoopne, mis tähendab, et kui ümbris ei ole täielikult suletud, võtab see õhust niiskust, kui kütteseade ei ole pingestatud. Imendunud niiskus alandab isolatsioonitakistust. See põhjustab lekkevoolu, mis võib maandusviga vältimise süsteemid välja lülitada ja äärmuslikes olukordades põhjustada elektrilöögi ohtu. Roostevabast terasest 316 kesta materjali seina paksus mõjutab nii niiskuse sissetungimise kiirust kui ka lekkevoolu elektrikanali pikkust. Selles artiklis hinnatakse ümbrise seina paksuse, niiskuse difusiooni ja isolatsioonitakistuse halvenemise seoseid ning antakse valikusoovitusi kõrge õhuniiskuse korral.

Niiskuse difusioon läbi 316SS kestade ja otsatihendite
Veeaur võib difundeeruda läbi roostevaba terase 316 mantli seina või läbi otsatihendite, kus takistustraat väljub kestast, läbides seeläbi MgO isolatsiooni. Roostevaba terase 316 veeauru läbilaskvus on väga madal, kuid mitte null. Püsiseisundi veeauru läbitungimiskiirus läbi 1,0 mm paksuse 316 40 kraadise ja 100% suhtelise õhuniiskuse juures on umbes 0,001 g/m2/päevas. See oleks vähem kui 0,4 grammi vett, mis hajub ühe ümbrise pinna ruutmeetri kohta ühe aasta jooksul, mis on tavaliste küttekehade puhul tühine. Peamine niiskuse imbumismehhanism on läbi mikroskoopiliste pooride otsatihendites, eriti ümbrise, MgO ja keraamiliste terminali helmeste vahelisel kokkupuutel. Õhukese seinaga ümbriste puhul, mille paksus on alla 1,0 mm, võimaldab ümbrise mehaaniline vastavus termilise tsükli ajal väiksemat deformatsiooni, mis avab ja sulgeb vahed otsatihendites, pumbates MgO-sse niisket õhku. Kuid nende suurem jäikus ei võimalda seda pumpamist paksude -seinaga ümbriste puhul, mille paksus on üle 1,8 mm, vähendades niiskuse sissetungimise määra 5–10 korda. Seetõttu on seina paksuse mõju niiskuse sissepääsule kaudne, kuid oluline: paksemad seinad säilitavad termilise tsükli ajal paremini otsatihendi terviklikkust.

Mantli seina paksus ja lekkevoolu tee pikkus
Kui niiskus tungib MgO-sse, väheneb isolatsioonitakistus, kuna veemolekulid loovad juhtivaid kanaleid piki MgO terade pinda. Elektriline lekkevool takistusjuhtmest maandatud 316 ümbrisesse juhiti radiaalselt läbi MgO kihi. Selle tee takistus on R=rho x ln(r2/r1) / (2 pi L), kus rho on niiske MgO eritakistus, r2 ja r1 on MgO kihi välimine ja sisemine raadius ning L on kuumutatud pikkus. Mantli seina paksuse suurendamine vähendab tegelikult MgO kihi paksust teatud väliskesta läbimõõdu ja fikseeritud takistustraadi läbimõõdu korral, kuna kest võtab rohkem radiaalset ruumi. Paksem sein võrdub vähem MgO-ga traadi ja ümbrise vahel. See väiksem radiaalne kaugus toob kaasa madalama isolatsioonitakistuse antud niiskusesisalduse korral ja süvendab seega lekkevoolu probleeme. Näiteks kaaluge 10 mm välisläbimõõduga kesta 3 mm läbimõõduga takistustraadiga. MgO kihi paksus on 10 - 2×1.0 - 3=5 mm, seina paksus aga 1,0 mm. Seina paksusega 2,0 mm on MgO kihi paksus 10 - 4 - 3=3 mm. Õhem MgO kiht vähendab radiaalset isolatsioonitakistust umbes 40% sama MgO eritakistuse korral. Seetõttu on paksude seintega ümbrised niiskuse imbumise korral tundlikumad madala isolatsioonitakistuse suhtes, kuna lekkevoolukanalit takistav MgO on vähem.

Kriitiline seinapaksus otsatihendi terviklikkuse tagamiseks
Järgmises tabelis on toodud soovitatavad 316 kesta seinapaksused elektriliste sukelsoojendite jaoks kõrge õhuniiskuse korral, sõltuvalt eeldatavast soojustsükli sagedusest ja vajalikust isolatsioonitakistusest pärast pikemat ladustamist või tühikäigu aega. Väärtused eeldavad tüüpilist otsatihendi konstruktsiooni keraamiliste helmeste ja epoksü- või silikoontihenditega.

Niiskuskeskkond Eeldatav soojustsüklite arv aastas Soovitatav minimaalne seinapaksus 316 soovitatav maksimaalne seinapaksus 316 oodatav isolatsioonitakistus pärast üheaastast kõrge õhuniiskusega niiskuse läbitungimist 2. Domineerivad mehhanismid
Aeg-ajalt kõrge õhuniiskus (alla 50% ajast) Alla 100 0.8 mm 1,6 mm Üle 100 megaoomi Otstihendi difusioon
Pidevalt kõrge õhuniiskus (80–100% suhteline õhuniiskus) vähem kui 100 1.0 mm 2,0 mm 50 - 200 megohmi difusiooniotsa tihend
Pidev kõrge õhuniiskus igapäevase termotsükliga 200–500 1.4 mm 2,5 mm 10–100 megaoomi Termiline pumpamine otsatihendites
Kondensatsiooniniiskus (sagedane pesu või kaste) 100–300 1.6 mm 2,5 mm 5–50 megaoomi Termopumpamine ja otsesissepääs
Niiskus Survesurvepesu Mis tahes 2,0 mm 2,5 mm 1–20 megaoomi Nõutav hermeetiline tihend, otsene vee sissepääs
Any humidity Heater always on Any 0.8 mm 2.5 mm >1000 megaoomi Kuumus eemaldab niiskuse; halvenemist pole
Pidevalt kõrge õhuniiskuse ja sagedaste temperatuuritsüklite korral on soovitatav kasutada 316 ümbrist, mille paksus on 1,6 mm või paksem, isegi kui MgO kihi paksust vähendatakse. Otsatihendi terviklikkuse eelis ületab lekketee pikkuse vähenemise puuduse. Sellistes seadistustes peaksid insenerid määrama ka niiskuskindla otsatihendi konstruktsiooni, nt hermeetiline klaas---metalli tihend või kahekordne epoksütõke koos vahepealse kuivatuskambriga.

Muudatuste kavandamine õhukeste{0}}kestade isolatsioonitakistuse parandamiseks
Kõrge-niiskusega tingimustes, kus õhukese-seinaga 316 ümbris<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.