【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)：1501

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。本文介紹了通過測(cè)量絕緣油和水的界面張力來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)，以及高精密的稱量系統(tǒng)，可以測(cè)量靜態(tài)和依賴于時(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似折射率的兩種液體的界面張力，即無法采用光學(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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