【應(yīng)用】根據(jù)ASTM D971測(cè)量絕緣油與水的界面張力用于絕緣油質(zhì)量的評(píng)估

更新時(shí)間：2023-09-22 點(diǎn)擊次數(shù)：2532

根據(jù)ASTM D971測(cè)量絕緣油與水的

界面張力用于絕緣油質(zhì)量的評(píng)估

由于界面張力（IFT）對(duì)污染物和雜質(zhì)的高度敏感性，通常作為評(píng)估絕緣油等液體樣品隨時(shí)間老化而變質(zhì)的有效指標(biāo)，用于檢測(cè)絕緣油的劣化從而對(duì)變壓器的故障進(jìn)行排除和避免災(zāi)難性故障的發(fā)生。本文介紹了通過(guò)測(cè)量絕緣油和水的界面張力來(lái)判斷正在使用的絕緣油是否到了更換的期限。

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ASTM D971標(biāo)準(zhǔn)^[1]：是一種廣泛使用的用吊環(huán)法測(cè)定絕緣油與水界面張力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，是檢驗(yàn)絕緣油質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)方法。以下為采用德國(guó)德飛Dataphysics的DCAT系列表/界面張力儀根據(jù)ASTM D971標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行絕緣油質(zhì)量檢驗(yàn)的應(yīng)用。

測(cè)量方法

根據(jù)ASTM D971標(biāo)準(zhǔn)，Du Noüy環(huán)法可用于測(cè)量油與水的界面張力。界面張力是通過(guò)測(cè)量當(dāng)金屬絲環(huán)被拉出液體時(shí)，液膜對(duì)金屬絲環(huán)施加的最大力（Fmax）來(lái)評(píng)估的。當(dāng)環(huán)半徑 R 大于金屬絲半徑 r時(shí)，界面張力 σ可由下式計(jì)算：

式中

L：環(huán)的周長(zhǎng)；

m_max：被拉的液膜的最大質(zhì)量；

g：重力加速度，約為 9.81 m/s²。

表觀張力和“實(shí)際"界面張力之間的差異通過(guò)環(huán)校正因子f進(jìn)行校正。表/界面張力儀軟件DCATS中內(nèi)置有不同參考文獻(xiàn)（如Huh-Mason, Zuidema-Waters或Harkins-Jordan）提供校正因子。

德國(guó)德飛Dataphysics公司DCAT系列的表/界面張力儀是一種基于力的界面參數(shù)和現(xiàn)象研究的通用測(cè)量系統(tǒng)。憑借全面的軟件模塊和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試附件，如Wilhelmy板或Du Noüy環(huán)，以及高精密的稱(chēng)量系統(tǒng)，可以測(cè)量靜態(tài)和依賴(lài)于時(shí)間、溫度的動(dòng)態(tài)界面張力（IFT）。這種基于力學(xué)的表/界面張力儀特別適用于研究不透明液體的表面張力或具有類(lèi)似折射率的兩種液體的界面張力，即無(wú)法采用光學(xué)輪廓法進(jìn)行分析的體系。

因此，根據(jù) ASTM D971 標(biāo)準(zhǔn) , 德國(guó)德飛Dataphysics公司的DCAT系列表/界面張力儀是測(cè)量變壓器油與水的界面張力的理想設(shè)備。

實(shí) 驗(yàn)

在本應(yīng)用中，采用DCAT 8T（圖1）和 Du Noüy 環(huán)RG11進(jìn)行變壓器油與水的界面張力的測(cè)定。根據(jù)ASTM D971的要求，環(huán)材質(zhì)應(yīng)由鉑或鉑銥合金制成，最小周長(zhǎng)為40毫米，環(huán)絲直徑0.3毫米左右。此外，外圈半徑（R）與環(huán)絲直徑（r）的比值（R/r）至少要知道三個(gè)有效數(shù)字。Du Noüy環(huán)RG 11滿(mǎn)足ASTM D971的要求。

（圖1）表界面張力儀 DCAT8T

為了計(jì)算環(huán)校正系數(shù)f，必須知道水和油的密度差。因此，實(shí)驗(yàn)分為兩部分進(jìn)行：（一）樣品油的密度測(cè)定；（二）油-水界面張力測(cè)量。

注意事項(xiàng)：樣品容器需用水清洗，然后用丙酮沖洗，然后再用自來(lái)水和蒸餾水沖洗干凈，并在使用前干燥。

（一）樣品油的密度測(cè)定

使用DCAT 8T 張力儀，配合液體密度測(cè)量附件 DIS 11（圖2）在DCATS 34軟件模塊中，全自動(dòng)測(cè)量室溫下樣品油的密度，結(jié)果為0.875g/cm³。

（二）油-水界面張力測(cè)量

1）環(huán)清洗

環(huán)在使用之前，需對(duì)其進(jìn)行清洗并直接在本生燈的火焰中退火（圖3）。

2）水的純度確定

為了保證蒸餾水的純度、樣品容器的清潔度和環(huán)尺寸的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了初步試驗(yàn)。將室溫下的蒸餾水倒入深度約為10 - 15mm的干凈容器中。水面上不能有泡沫。泡沫表明水被污染了，或者容器不干凈。樣品容器放置在DCAT 8T的樣品臺(tái)上，將環(huán)放入測(cè)量天平的聯(lián)軸鎖中。選擇“界面張力"軟件模塊中的“法向環(huán)- RG 11"方法，自動(dòng)測(cè)定蒸餾水的表面張力為72.8 mN/m，與文獻(xiàn)值吻合較好^[2]。

3）油相分層

重復(fù)步驟1）后，將環(huán)放入測(cè)量天平的聯(lián)軸鎖中。選擇“界面張力"軟件模塊中的“ASTM D971"方法進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)自動(dòng)上升樣品臺(tái)，直到環(huán)浸入深度為3.5 mm (< 6 mm) 的水中。然后，系統(tǒng)等待油的加入。用移液管將絕緣油小心地分層加到水面上。與此同時(shí)，環(huán)仍然淹沒(méi)在水中（圖4左）。加油至厚度約11mm（> 10mm），因為油相不應(yīng)覆蓋測(cè)試環(huán)的橫桿（圖4右）。完成油相加入后，保持油-水界面30秒左右不受干擾。

4）自動(dòng)測(cè)量

在軟件中點(diǎn)擊繼續(xù)，軟件控制樣品臺(tái)以0.2 mm/s 的速度自動(dòng)下降并記錄液膜重量隨位置的變化。軟件自動(dòng)檢測(cè)液膜的最大質(zhì)量（圖5），并自動(dòng)根據(jù)所選的環(huán)校正因子計(jì)算界面張力。

結(jié) 果

本實(shí)驗(yàn)中測(cè)定了變壓器油與水的界面張力（IFT）為32.86 ± 0.01 mN/m。據(jù)相關(guān)研究，新鮮絕緣油與水的界面張力（IFT）為40 ~ 50 mN/m，當(dāng)絕緣油與水的界面張力（IFT）低于25 mN/m時(shí)，則可認(rèn)為絕緣油已到使用期限^[3]。因此，本實(shí)驗(yàn)中所測(cè)試的變壓器油質(zhì)量仍可繼續(xù)使用。

結(jié) 論

德國(guó)德飛Dataphysics公司的DCAT系列表/界面張力儀及其專(zhuān)業(yè)的軟件可用于根據(jù)ASTM D971輕松可靠地測(cè)量油與水的界面張力，從而提供了一種快速簡(jiǎn)便的方法來(lái)評(píng)估確定絕緣油的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] ASTM Standard D971, 2020, Standard TestMethod for Interfacial Tension of Insulating Liquids Against Water by the RingMethod ASTM International, DOI: 10.1520/D0971-20, www.astm.org.

[2] N. B. Vargaftik, B. N. Volkov, and L. D.Voljak , International Tables of the Surface Tension of Water, Journal ofPhysical and Chemical Reference Data 12, 817-820 (1983), DOI: 10.1063/1.555688

[3] T. O. Rouse, Mineral insulating oil intransformers, in IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 14, no. 3, pp. 6-16,May-June 1998, DOI: 10.1109/57.675572.

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