Môže pridanie tenkej PTFE vložky medzi vyhrievací drôt a PFA znížiť migráciu iónov vo vysokonapäťovom-službe?

Migrácia iónov cez izolačnú vrstvu je hlavným dôvodom zlyhania vysokonapäťových ohrievačov PFA (480 VAC až 6,6 kV). Pod elektrickým poľom prúdia cez PFA ióny (sodík, draslík, chlorid), ktoré nakoniec vytvárajú vodivé kanály, ktoré vedú k dielektrickému rozpadu. Tenká (0,1-0,3 mm) PTFE vložka umiestnená medzi vyhrievacím drôtom a hlavným PFA plášťom môže znížiť migráciu iónov o 60-80%. PTFE má menšiu koncentráciu iónových nečistôt (zvyčajne 0,1 – 0,5 % oproti . 1 – 3 % pre konvenčné PFA) a stabilnejšiu kryštalickú štruktúru, ktorá bráni pohybu iónov. Vložka je bariérová vrstva; ióny pohybujúce sa cez vonkajší PFA sú zastavené alebo spomalené na rozhraní PTFE. Pre ohrievače pracujúce nad 1 000 VAC alebo s vysokou vlhkosťou sa odporúča vložka z PTFE. Pridané náklady (10 – 15 %) sú odôvodnené predĺženou životnosťou v kritickej vysokonapäťovej prevádzke.

Mechanizmus iónovej migrácie v PFA
PFA absorbuje vlhkosť z okolia pod vysokým elektrickým poľom. Stopové kontaminanty (soli kovov, zvyšky katalyzátorov) sú hydrolyzované molekulami vody na mobilné ióny. Pole spôsobí, že ióny sa posunú k elektróde s opačnou polaritou. Ióny sa časom vytvárajú na kovovom kontakte PFA- (vyhrievací drôt) a na vonkajšom povrchu PFA. Nahromadené ióny tvoria vodivú cestu so zníženou dielektrickou silou. Nakoniec dôjde k čiastočnému vybitiu (sledovaniu), karbonizácii PFA a úplnému rozpadu. Rýchlosť migrácie je daná Fickovou rovnicou so zosilnením poľa: J=mu x C x E, kde mu je pohyblivosť iónov, C koncentrácia a E elektrické pole. Čas do zlyhania v dôsledku migrácie iónov pre PFA pri 480 VAC a 100 stupňoch je zvyčajne 5 000 až 15 000 hodín, v závislosti od čistoty.

PTFE má horšiu iónovú pohyblivosť v dôsledku vyššej kryštalinity (60–80 % oproti 40–50 % pre PFA) a chemickej inertnosti, ktorá bráni transportu iónov. PTFE vložka zachytáva ióny skôr, ako sa dostanú k vyhrievanému drôtu. Avšak ióny, ktoré prepichnú vonkajší agregát PFA na rozhraní PFA-PTFE, kde nevytvárajú sledovanie, pretože pole je znížené (vrstva PTFE znižuje určité napätie). PTFE tiež absorbuje menej vody (0,01% oproti 0,05-0,10% pre PFA), čo znižuje zdroj mobilných iónov.

Porovnanie výkonu: S vs. bez PTFE vložky Konštrukcia ohrievača Menovité napätie Prevádzková teplota Čas do dielektrického rozpadu (hodiny, 85 % relatívnej vlhkosti) Dielektrická pevnosť (kV/mm, počiatočná) Režim zlyhania
Len PFA (2 mm) 480 VAC 100 stupňov 8 000–12,000 20–25 Iónové sledovanie Len PFA (2 mm) vysoká-živica s vysokou čistotou 480 VAC 100 stupňov 15 000–20,000 22–28 Oneskorené sledovanie
480 PFA + PTFE vložka (0,15 mm) VAC 100 stupňov 25 000-40,000 25-30 Bez sledovania (vložka neporušená)
Len PFA (2 mm) 4 kV 80 stupňov 500-1,500 15-20 Rýchle sledovanie
PFA + PTFE vložka (0,3 mm) 4 kV 80 stupňov 4 000-8,000 22-28 Sledovanie cez vložku
Výhradne PFA (vysoká{0}}čistota) 4 kV 80 stupňov 1 000-2,500 18-22 Stredné sledovanie
PFA + PTFE + zachytávač vlhkosti 6,6 kV 60 stupňov 10 000-15,000 25-30 Prijateľné pre obmedzenú životnosť
PTFE len (1 mm) 480 VAC 100 stupňov 20 000–30,000 25–30 PTFE sa deformuje, tečie
Aplikácia v reálnom{0}}svete
Pred extrúziou PFA sa vložka z PTFE vloží ako tenká trubica (teplom zmrštiteľná alebo klzným uložením) na zostavu odporového drôtu. Vložka musí byť bezšvíková alebo zváraná s presahom (minimálne 5 mm), aby sa zabránilo obchádzaniu iónov. PTFE musí mať vysokú čistotu (bez plnív, bez recyklácie). PFA sa pripojí k povrchu PTFE počas vytláčania. Spojenie je mechanické (žiadna chemická väzba), ale pre funkciu bariéry to stačí, pretože kontakt je tesný.

Pre ohrievače nad 1 000 VAC špecifikujte:

Hrúbka PTFE vložky: 0,15-0,30 mm (hrubšia pre vyššie napätie)

Čistota PTFE: Panenský, vysoká čistota, bez prísad

Vložkový šev: prekrývací zvar, kontrola kontinuity

Getter vlhkosti v chladnej oblasti na minimalizáciu zdroja iónov (pozri článok #81)

Pre ohrievače pracujúce pod 240 VAC ponúka PTFE vložka len malú výhodu, pretože migrácia iónov je pomalá a pole je nízke.

Test v teréne
Vo vlhkej atmosfére (80 % RH) bola použitá polovodičová pec s 4 kV PFA ohrievačmi. Štandardné ohrievače PFA zlyhali pri 800 - 1200 h v dôsledku iónového sledovania, ktoré sa javí ako stopy čierneho uhlíka na plášti. Továreň sa zmenila na ohrievače s 0,25 mm PTFE vložkou. Doba zlyhania sa zvýšila na 6 000 – 8 000 hodín – 6× zlepšenie. Továreň tiež nainštalovala do chladnej oblasti preplachovanie dusíkom, čo ďalej predĺžilo životnosť na 12,{14}} hodín.

### Nevýhody PTFE vložiek
PTFE vložka nie je úplnou odpoveďou na extrémne vysoké napätie alebo použitie pri vysokej teplote. Pri teplotách nad 180 stupňov PTFE mäkne a plazí sa, čím stráca svoju bariérovú integritu. Pri napätí presahujúcom 10 kV nemusí vložka chrániť pred stopovaním, pretože elektrické pole môže ionizovať medzeru medzi PFA a PTFE. Pre tieto aplikácie používajte keramické-ohrievače s izoláciou (oxid horečnatý), nie polymérne-izolačné ohrievače.

Vložka tiež poskytuje tepelnú odolnosť: 0,25 mm PTFE (k=0.25 W/m·K) pridáva R=0.001 m2 ·K/W, čím sa teplota vnútorného povrchu PFA pri typických tepelných tokoch zvyšuje o 5-10 stupňov. To okrajovo obmedzuje výkonovú hustotu ohrievača.

Záver: Iónová migrácia je podstatne znížená (60-80%) PTFE vložkou
Tenká (0,15-0,30 mm) PTFE vložka medzi vyhrievacím drôtom a PFA plášťom znižuje migráciu iónov o 60-80 % vo vysokonapäťových ohrievačoch. Toto zvyšuje čas dielektrického prerušenia z 8 000 – 12 000 hodín na 25 000 – 40 000 hodín pri 480 VAC. Vložka je bariérou pre mobilné ióny, ktoré sú hlavnou príčinou zlyhania sledovania vo vlhkých situáciách. Pre každý ohrievač s napätím vyšším ako 1 000 VAC alebo v prevádzke s vysokou vlhkosťou (RH väčšia alebo rovná 80 %) použite vložku z PTFE. Dodatočných 10 – 15 % nákladov sa kompenzuje predĺženou životnosťou a kratšími prestojmi. Vložka je voliteľná pre bežné priemyselné napätia (120 – 240 VAC) a suché podmienky Ióny sú nepriateľom vysokého napätia. Bariéra je PTFE. Zastavte ióny, zastavte zlyhávanie. Uveďte podšívku