L'aggiunta di un sottile rivestimento in PTFE tra il filo riscaldante e il PFA può ridurre la migrazione ionica nel servizio ad alta-tensione?

La migrazione ionica attraverso lo strato isolante è il motivo principale del guasto dei riscaldatori PFA ad alta-tensione (da 480 V CA a 6,6 kV). Sotto il campo elettrico gli ioni (sodio, potassio, cloruro) fluiscono attraverso il PFA, formando infine canali conduttivi, che provocano la rottura dielettrica. Un sottile rivestimento in PTFE (0,1-0,3 mm) posizionato tra il filo riscaldante e la guaina principale in PFA può ridurre la migrazione ionica del 60-80%. Il PTFE ha una minore concentrazione di impurità ioniche (solitamente 0,1–0,5% rispetto al. 1–3% del PFA convenzionale) e una struttura cristallina più stabile che ostacola il movimento degli ioni. Il rivestimento è uno strato barriera; gli ioni che si muovono attraverso il PFA esterno vengono arrestati o ritardati sull'interfaccia PTFE. Per i riscaldatori che funzionano a una tensione superiore a 1.000 V CA o in ambienti con umidità elevata, si consiglia il rivestimento in PTFE. Il costo aggiuntivo (10-15%) è giustificato dalla maggiore durata nel servizio critico ad alta tensione.

Meccanismo di migrazione ionica nella PFA
Il PFA assorbe l'umidità dall'ambiente circostante sotto un campo elettrico elevato. I contaminanti in tracce (sali metallici, residui catalitici) vengono idrolizzati dalle molecole d'acqua in ioni mobili. Il campo fa sì che gli ioni si dirigano verso l'elettrodo di polarità opposta. Nel tempo gli ioni si accumulano sul contatto metallico del PFA- (filo riscaldante) e sulla superficie esterna del PFA. Gli ioni accumulati formano un percorso conduttivo con ridotta rigidità dielettrica. Infine si verifica una scarica parziale (tracciamento), che carbonizza il PFA e ne provoca la disgregazione completa. La velocità di migrazione è data dall'equazione di Fick con potenziamento del campo: J=mu x C x E, dove mu è la mobilità ionica, C la concentrazione ed E il campo elettrico. Il tempo necessario per il cedimento dovuto alla migrazione ionica del PFA a 480 V CA e 100 gradi è generalmente compreso tra 5.000 e 15.000 ore, a seconda della purezza.

Il PTFE ha una mobilità ionica inferiore a causa della sua maggiore cristallinità (60–80% contro 40–50% per il PFA) e dell'inerzia chimica, che ostacola il trasporto degli ioni. Il rivestimento in PTFE cattura gli ioni prima che possano raggiungere il filo riscaldato. Tuttavia, gli ioni che perforano l'aggregato PFA esterno nell'interfaccia PFA-PTFE dove non producono tracciamento poiché il campo è ridotto (lo strato di PTFE diminuisce una certa tensione). Il PTFE inoltre assorbe meno acqua (0,01% contro 0,05-0,10% per il PFA), riducendo così la fonte di ioni mobili.

Confronto delle prestazioni: con o senza rivestimento in PTFE Design del riscaldatore Tensione nominale Temp. operativa Tempo di rottura dielettrica (ore, 85% UR) Rigidità dielettrica (kV/mm, iniziale) Modalità di guasto
Solo PFA (2 mm) 480 V CA 100 gradi 8.000–12,000 20–25 Tracciamento ionico Solo PFA (2 mm) resina ad elevata-purezza 480 V CA 100 gradi 15.000–20,000 22–28 Tracciamento ritardato
480 PFA + rivestimento in PTFE (0,15 mm) V CA 100 gradi 25.000-40,000 25-30 Nessun tracciamento (rivestimento intatto)
Solo PFA (2 mm) 4 kV 80 gradi 500-1,500 15-20 Tracciamento rapido
Rivestimento in PFA + PTFE (0,3 mm) 4 kV 80 gradi 4.000-8,000 22-28 Tracciamento tramite rivestimento
Esclusivamente PFA (elevata-purezza) 4 kV 80 gradi 1.000-2,500 18-22 tracciamento moderato
PFA + PTFE + assorbitore di umidità 6,6 kV 60 gradi 10.000-15,000 25-30 Accettabile per una durata limitata
PTFE solo (1 mm) 480 V CA 100 gradi 20.000–30,000 25–30 Il PTFE si deforma, striscia
Applicazione nel mondo reale-
Prima dell'estrusione del PFA, il rivestimento in PTFE viene posizionato come un tubo sottile (termorestringibile o con accoppiamento scorrevole) sul gruppo del filo di resistenza. Il rivestimento dovrà essere senza giunzioni o saldato con una sovrapposizione (minimo 5 mm) per impedire il bypass ionico. Il PTFE deve essere di elevata purezza (senza riempitivi, né riciclato). Il PFA si attacca alla superficie del PTFE durante l'estrusione. Il legame è meccanico (nessun legame chimico), ma è sufficiente per la funzione barriera poiché il contatto è stretto.

Per i riscaldatori superiori a 1.000 VCA specificare:

Spessore rivestimento in PTFE: 0,15-0,30 mm (più spesso per una maggiore tensione)

Purezza del PTFE: vergine, elevata purezza, senza aggiunte

Cucitura della fodera: saldatura sovrapposta, verificata continuità

Raccoglitore di umidità nelle regioni fredde per ridurre al minimo la fonte di ioni (vedere Articolo n. 81)

Per i riscaldatori che funzionano al di sotto di 240 V CA, il rivestimento in PTFE offre pochi vantaggi poiché la migrazione ionica è lenta e il campo è basso.

Prova sul campo
Un forno a semiconduttore con riscaldatori PFA da 4 kV è stato impiegato in un'atmosfera umida (80% UR). I riscaldatori PFA standard si sono guastati a 800-1200 h a causa del tracciamento ionico che appare come tracce di carbonio nero sulla guaina. La fabbrica è passata ai riscaldatori con rivestimento in PTFE da 0,25 mm. Il tempo di guasto è aumentato a 6.000-8.000 ore – miglioramento 6 volte maggiore. Inoltre, la fabbrica ha installato uno spurgo di azoto nell'area fredda che ha ulteriormente aumentato la durata fino a 12,000+ ore.

### Svantaggi dei rivestimenti in PTFE
Il rivestimento in PTFE non è la risposta completa per l'utilizzo ad alta tensione estrema o ad alta temperatura. A temperature superiori a 180 gradi, il PTFE si ammorbidisce e striscia, perdendo quindi la sua integrità di barriera. Per tensioni superiori a 10 kV, il rivestimento potrebbe non proteggere dal tracciamento, poiché il campo elettrico può ionizzare lo spazio tra PFA e PTFE. Per queste applicazioni utilizzare riscaldatori isolati in ceramica-(ossido di magnesio), non riscaldatori isolati in polimero-.

Il rivestimento fornisce anche resistenza termica: 0,25 mm di PTFE (k=0.25 W/m·K) aggiungono R=0.001 m 2 ·K/W, aumentando la temperatura della superficie interna del PFA di 5-10 gradi con flussi di calore tipici. Ciò limita marginalmente la capacità di densità di potenza del riscaldatore.

Conclusione: la migrazione ionica è sostanzialmente ridotta (60-80%) dal rivestimento in PTFE
Un sottile rivestimento in PTFE (0,15-0,30 mm) tra il filo riscaldante e la guaina in PFA riduce la migrazione ionica del 60-80% nei riscaldatori ad alta tensione. Ciò aumenta il tempo di guasto dielettrico da 8.000-12.000 ore a 25.000-40.000 ore a 480 V CA. Il rivestimento costituisce una barriera agli ioni mobili che sono la causa principale del fallimento del tracciamento in situazioni umide. Per qualsiasi riscaldatore funzionante a una tensione superiore a 1.000 V CA o in servizio con umidità elevata (maggiore o uguale all'80% di umidità relativa), fornire un rivestimento in PTFE. Il costo aggiuntivo del 10-15% è compensato da una maggiore durata e da minori tempi di inattività. Il rivestimento è opzionale per le comuni tensioni industriali (120 – 240 V CA) e condizioni asciutte. Gli ioni sono nemici dell'alta tensione. La barriera è PTFE. Ferma gli ioni, ferma il fallimento. Specificare la fodera