Какви са електроизолационните свойства на PTFE и защо са важни за потопяемите нагреватели?

Ако поставите нагревател с електрическо захранване в проводяща течност (като киселинен или солен разтвор), трябва да сте напълно електрически изолирани. Всеки ток на утечка може да причини дефекти на покритието, корозия на блуждаещ ток или опасности от токов удар на персонала. Отличните електроизолационни качества на PTFE предлагат тази жизненоважна бариера. Без надеждно изолиращо покритие, самият потопяем нагревател е източник на замърсяване на процеса и опасност за безопасността. Диелектричната якост е основна характеристика, която трябва да знаете за функционирането на PTFE електроизолационни потопяеми нагреватели.

Какво е диелектрична якост и защо ни е необходима?
Диелектричната якост е най-голямото електрическо поле, на което материалът може да издържи, преди да се разпадне и да стане проводим. Това обикновено се посочва в киловолта на милиметър (kV/mm). Ако електрическото поле през изолатор надвишава диелектричната якост на този изолатор, електроните се задвижват през материала, за да образуват проводящ канал. Това може да се провали незабавно и катастрофално.

Краткотрайната диелектрична якост на PTFE е най-малко 15 kV/mm. Тази цифра е доста над средните работни напрежения на потопяеми нагреватели, които са в диапазона от 110 V до 480 V AC. Дори при 480 V дебелината на изолацията, необходима за избягване на повреда, е по-малка от 0,05 mm, ако материалът е правилен. На практика PTFE обвивките се изработват с дебелина от 1 до 3 mm и по този начин се постига широк запас на безопасност.

Важно е да се отбележи, че числото от 15 kV/mm е за краткосрочно излагане на постоянен ток или изключително кратко излагане на променлив ток. При непрекъсната работа с променлив ток при мощностни честоти (50/60 Hz), дългосрочната-диелектрична якост се намалява поради частичен разряд и ефекти на стареене. Въпреки това, дори консервативните оценки на непрекъснатата работна диелектрична якост на PTFE са 4-6 kV/mm, много повече от достатъчно за типичните напрежения на нагревателите.

Как PTFE предотвратява изтичане на ток в проводящи вани
Много от приложенията на потопяемите нагреватели включват силно проводими течности: галванични разтвори (никел, мед, хром), анодизиращи вани (сярна или фосфорна киселина) и разтвори за декапиране (солна или азотна киселина). Тези течности имат съпротивление толкова ниско, колкото няколко ома cm. Ако има прекъсване на изолацията на нагревателя, тогава ще има директна електрическа връзка на съпротивителния проводник вътре в нагревателя към ваната.

За да се избегне такова изтичане, PTFE електроизолационният потопяем нагревател има три важни електрически свойства:

Висока диелектрична якост - Предотвратява електрически пробив през дебелината на обвивката.

Високо обемно съпротивление- Няма ток, протичащ през насипен материал.

Високо повърхностно съпротивление - Предотвратява проследяването на тока върху външната повърхност, особено при влажни или замърсени условия.

PTFE има обемно съпротивление повече от 10^18 ohm-cm, една от най-високите стойности за всеки твърд изолационен материал. За сравнение, типични изолатори като найлон имат обемно съпротивление от приблизително 10¹²–10¹4 ohm-cm. PTFE има много високо съпротивление, следователно дори много тънък слой от неповреден PTFE ще предложи практически неограничено съпротивление на преминаването на електричество.

Какво се случва, когато изолацията се повреди?
Опитът от практиката показва, че последствията от повреда на PTFE изолацията рядко са едва доловими. Отвори, пукнатини или тънки места по обвивката може да предизвикат протичане на ток във ваната. Няколко отделни трудности се развиват в зависимост от приложението:

Дефекти в обшивката - Блуждаещ ток от нагревателя променя разпределението на тока върху детайла в резервоари за галванопластика. Това може да доведе до неравномерна дебелина на отлаганията, образуване на възли или изгорели отлагания.

Корозия на блуждаещ ток - Изтичащият ток се отклонява към земята от други метални компоненти в-топлообменниците на резервоара, стените или стелажите на резервоара. Това ускорява корозията в текущите изходни точки.

Опасност от токов удар на персонала - Ако ваната е заземена (както е обичайно в много линии за покритие), ток на утечка създава градиент на напрежението в течността. Ако се докоснете до ваната и нещо заземено, може да получите токов удар.

Повреда на нагревателя преди края на жизнения му цикъл - Токът на утечка обикновено предизвиква локализирано нагряване в зоната на разрушаване на изолацията, което допълнително разгражда PTFE и в крайна сметка създава отворена верига или заземяване.

Всъщност първата индикация за недостатъчна изолация често е свързана с процеса, а не с нагревателя. Операторите по нанасяне на покритие често забелязват лошо качество на депозита, преди каквото и да е електрическо защитно устройство да се задейства.

PTFE изолация в сравнение с други материали
PTFE не е единственият флуорополимер, използван за изолация на потопяем нагревател. PFA (перфлуороалкокси) и FEP (флуориран етилен пропилен) са химически и електрически подобни. Независимо от това, PTFE остава най-често посочваният поради комбинацията от електрически характеристики, достъпност и наличност. Таблицата по-долу представя диелектричната якост и обемното съпротивление за популярните изолационни материали, използвани в потопяеми нагреватели.

Диелектрична якост на изолационния материал (kV/mm, краткосрочно) Обемно съпротивление (ohm-cm) Максимална непрекъсната работна температура (градуси)
PTFE 15 – 20 > 10^18 260 PFA 15 – 20 > 10^18 260
FEP 15 – 20 > 10^18 200
ETFE 15 – 18 1016 – 1017 150
Полипропилен 18 – 22 (химически разгражда) 10¹⁵ – 10¹⁷ 80 (във вода)
Силиконова гума 14–20 1014–1015 180
Забележка: Диелектричните якости са за чисти, сухи проби, измерени в лаборатория. Резултатите в реалния свят се влияят от температура, влажност и излагане на химикали.

Интересното е, че дори ако диелектричната якост на полипропилена и ETFE е равна или дори по-добра от PTFE в сухи условия, те не са химически устойчиви, нито имат висока термична стабилност като PTFE. Единствените реалистични възможности за агресивни химически вани при повишени температури са PTFE и неговите флуорополимерни роднини, PFA и FEP.

Защо високата диелектрична якост не е достатъчна
PTFE има отлична диелектрична якост, по-голяма или равна на 15 kV/mm, въпреки че разчитането изключително на това за електрическа безопасност би било непълно. Факторите, които влияят върху ефективността на ефективната изолация на практика, включват:

Температура - Диелектричната якост на PTFE намалява с повишаване на температурата. При 200 градуса може да се намали до около 50–60 % от стойността на околната температура.

Абсорбция на влага - PTFE е хидрофобен и почти не абсорбира вода. Въпреки това, ако има замърсяване или повърхностно напукване, влагата може да образува проводими канали около обемната изолация.

Механични повреди - Драскотини, абразия или неправилно огъване могат локално да намалят дебелината на обвивката и по този начин да увеличат напрежението на електрическото поле.

Стареене и частично разреждане - Частичното разреждане в микроскопични пространства бавно разгражда PTFE в продължение на много години работа с променлив ток, което води до намалена ефективна диелектрична якост.

Опитът на място показва, че повечето повреди на изолацията в PTFE потопяеми нагреватели не са причинени от прекъсване на напрежението през непокътнат материал. По-скоро те произлизат от механични повреди, химическа атака върху уплътнителните повърхности или топлинна деградация. Високата диелектрична якост на PTFE дава добра граница на безопасност, но не освобождава необходимостта от правилно боравене, монтаж и поддръжка.

Роля на системния дизайн: Заземяване и GFCI защита
Дори и най-добрият дизайн на PTFE електрически изолационен потопяем нагревател може да има недостатък. Следователно механизмите за вторична защита трябва да бъдат интегрирани в правилния дизайн на системата:

Заземяване на оборудване - Външните метални части на нагревателя (фланец, монтажна скоба или заземяващ проводник) трябва да бъдат свързани към заземителната система на съоръжението. Това осигурява канал с нисък импеданс обратно към източника за всеки ток на утечка. Това кара устройствата за свръхток да работят.

Прекъсвач на веригата при повреда на земята (GFCI) или защита от повреда на земята - GFCI устройствата отчитат дисбаланси между линия и неутрален ток до 5-30 mA. Защитата от заземяване е необходима във влажни зони, като резервоари за покритие за безопасност на хората.

Periodic insulation resistance testing - Testing insulation resistance with a megohmmeter between the heater leads and ground (heater dry and de-energised) can detect insulation degradation before failure. Typical acceptable values are >1 мегаом за нагреватели с ниско напрежение, докато новите PTFE нагреватели често са в района на гигаома.

Важно е да разберете, че нито една изолация не е идеална и всички материали се разграждат с времето. Заземяването и GFCI защитата дават втори защитен слой, който остава ефективен дори след разрушаване на PTFE изолацията.

Практически изводи за избора и работата на нагревател
Електрическите изолационни качества на PTFE имат пряко отношение към избора на дизайн при избора на потопяем нагревател за проводима вана:

Дебелина на обвивката Дебелите обвивки осигуряват повишена диелектрична якост и механична устойчивост, по-нисък топлопренос. Правилният баланс трябва да се намери в зависимост от работното напрежение и химическата среда.

Номинално напрежение - Колкото по-високо е напрежението, толкова по-нисък е токът за същата мощност на нагревателя и толкова по-ниски са резистивните загуби в проводниците. Но колкото по-високо е напрежението, толкова по-голямо е напрежението върху изолацията от електрическото поле. Повечето PTFE потопяеми нагреватели са оценени или на 240 V, или на 480 V AC, като последното изисква специално внимание на качеството на обвивката.

Интервали за проверка и смяна - Бани с висока проводимост и агресивна химия изискват по-редовен тест за изолация. Ако съпротивлението на изолацията намалява, тогава трябва да планирате подмяна на нагревателя.

Всъщност много оператори на резервоари приемат, че нагревателят с тефлон-обвивка е електрически „невидим“ за ваната. Това е вярно само докато изолацията е суха и ненарушена. Всяко прекъсване, колкото и незначително да е, веднага свързва електрическата верига на нагревателя с ваната.

Заключение
PTFE предлага отлични електрически изолационни способности, като диелектрична якост от най-малко 15 kV/mm и обемно съпротивление от по-голямо от 10^18 ohm-cm, които са важни за безопасно и -незамърсяващо нагряване чрез потапяне. Тези качества ограничават изтичането на ток от вътрешния съпротивителен проводник във високопроводими химически вани, като по този начин елиминират дефектите на покритието, корозията на блуждаещия ток и опасностите от удар.

Но добрите качества на материала не осигуряват безопасност. Потапящият нагревател с електрическа изолация от PTFE разчита на правилната дебелина на обвивката, внимателно производство, за да се избегнат дупки и правилен монтаж, за да се избегнат механични повреди. Няма такова нещо като надеждна изолация, поради което заземяването и защитата от повреда на земята са ключови части на всяка потопяема отоплителна система.

Електрическата безопасност във влажна среда е въпрос на добри материали и подходящ дизайн на системата. PTFE е първата линия на защита – електрическа бариера, която е изключително здрава. Вторият е чрез вторични защитни механизми. Заедно те позволяват на потопяемите нагреватели да функционират надеждно в продължение на години в някои от най-трудните химически и електрически условия в индустрията.