變壓器油閃點測定值的一種基于1/T-lnP線性關系的壓力修正方法研究

張少杰，郭新良，楊雪瀅，程雪婷，何運華

（云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 引言

可燃液體的閃點是指其在被加熱到有足夠可燃氣體產(chǎn)生，且可燃氣體與空氣混合物能在一定外界點火條件下發(fā)生瞬間閃火燃燒的最低溫度，是衡量可燃液體揮發(fā)性和受熱安定性的重要指標。變壓器絕緣油是變壓器絕緣系統(tǒng)的重要組成部分，其實質(zhì)是一類石油精煉加工產(chǎn)品，主要組成為碳氫化合物。目前我國變壓器油相關標準中對其著火點尚無要求，但對其閃點值則做出了明確規(guī)定（投運前油/運行油閉口閃點≥135℃）[1]?？梢姡儔浩饔烷W點是電力設備投運過程中需要考慮的安全穩(wěn)定指標，其準確測定具有重要意義。

目前大多數(shù)情況下獲得的閃點數(shù)據(jù)仍為經(jīng)驗測定值，對同種可燃液體，其閃點大小受測試方法、測試設備、升溫速率和點火方式等多種因素的影響。此外，相關研究表明，環(huán)境因素（海拔、大氣壓力等）對閃點測定有顯著影響，如劉振翼等[2]通過研究發(fā)現(xiàn)柴油的測定閃點隨著測定海拔和氣壓呈線性變化。現(xiàn)行國內(nèi)變壓器油閃點測定標準方法主要是克利夫蘭開口杯法（GB/T 3536—2008）和賓斯基-馬丁閉口杯法（GB/T 261—2008）[3-4]，而國內(nèi)市售的閃點測定儀也主要依據(jù)上述標準進行生產(chǎn)。上述標準對不同大氣壓下測定的閃點均采用式（1）進行修正，其適用氣壓范圍為98.0～104.7 kPa。顯然，以上修正方法僅能夠在接近標準大氣壓的較窄壓力范圍內(nèi)進行修正，在國內(nèi)高海拔低氣壓地區(qū)的使用存在局限性。

式（1）中：P為實驗壓力，kPa；TF-exp為實驗壓力P下的測定閃點，℃；TF-rev為修正到101.3 kPa下的閃點，℃。

針對上述壓力修正公式存在使用范圍局限性的問題，丁超等[5-6]從描述可燃液體飽和蒸氣壓與液體溫度的克勞修斯-克拉佩龍（Clausius-Clapeyron）關系出發(fā)，考慮混合氣體閃燃時的燃料空氣比（fLFL）和分壓定律，理論推導得到描述液體閃燃時的溫度和環(huán)境壓力關系，如式（2）所示。

對式（2）兩邊取對數(shù)并整理得式（3）。

式（3）中，修正系數(shù)c1、c2分別通過式（4）、式（5）計算。

式（2）～（5）中：P為液體達到閃點溫度TF-exp時的外界環(huán)境壓力，kPa；P1為可燃液體溫度為T1（可取T1=298 K）時的飽和蒸氣壓，kPa；Mf、Mair分別為可燃液體和空氣的摩爾質(zhì)量，g/mol；fLFL為燃燒下限時的燃料空氣質(zhì)量比，g/g；hfg為可燃液體氣化潛熱，J/mol；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)。

在液體溫度變化范圍不大時，可將氣化潛熱hfg視為常數(shù)，則在燃料空氣比fLFL為定值的假設下，式（3）中c1、c2近似為常量。顯然，在此推導下液體閃點倒數(shù)值與環(huán)境壓力對數(shù)值存在1/TF-exp-lnP線性關系。根據(jù)以上推導，可通過式（6）將試驗壓力下的測定閃點值修正為101.3 kPa下的標準閃點值。

針對上述理論，丁超等[7]研究了低壓條件下航空煤油和柴油的開口、閉口閃點值隨環(huán)境壓力變化的規(guī)律，結果表明高原低氣壓環(huán)境下，燃油開口、閉口閃點與環(huán)境壓力相較于TF-exp-P線性關系，更加符合1/TF-exp-lnP線性關系；楊雪瀅等[8]研究了未投運的25#新變壓器油（遼河油、克拉瑪依油）的閃點隨環(huán)境壓力的變化規(guī)律，結果發(fā)現(xiàn)對于測定閃點和環(huán)境壓力，其1/TF-exp-lnP數(shù)值具有良好的線性關系，采用上述關系式對測定閃點值進行壓力修正，修正后的閃點值更接近于在101.3 kPa下的實測值，其在低氣壓下的閃點修正結果明顯優(yōu)于現(xiàn)行國標方法。

雖然前期新變壓器油的實驗數(shù)據(jù)一定程度上支持了1/TF-exp-lnP線性壓力修正理論對變壓器油閃點修正的初步適用性[8]，但變壓器絕緣油為多種烴類成分混合物，在變壓器運行過程中絕緣油會發(fā)生老化變質(zhì)，生成大量過氧化物及醇、醛、酮、酸等氧化物，在與設備材料的接觸中部分油溶雜質(zhì)會進入油相。研究表明[9-10]，混合有機液體隨著體系組分和混合程度的變化會表現(xiàn)出不同的閃點，且目前采用1/TF-exp-lnP線性方法對運行變壓器油閃點進行壓力修正的研究還未見詳細報道。以上原因導致實際情況下式（3）中修正系數(shù)c1值的大小和范圍難以確定，從而局限了上述方法在實際閃點修正過程中的使用。

本研究通過對新變壓器油和不同運行油樣在實驗壓力下的開口/閉口閃點進行測定，以驗證1/TF-exp-lnP線性壓力修正理論對于運行變壓器油的適用性，得到不同油樣的修正系數(shù)c1值，為c1值的選取提供參考，并進一步探討上述修正方法（式（6））對運行變壓器油的開口/閉口閃點進行壓力修正的可行性。

1 實驗

1.1 主要儀器

實現(xiàn)不同環(huán)境壓力下變壓器絕緣油閃點測定的主要實驗設備為調(diào)壓系統(tǒng)及全自動開口/閉口閃點測定儀。其中，調(diào)壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)范圍為40～110 kPa，調(diào)壓艙密封性在該壓力范圍滿足泄漏量≤1 kPa/h，氧氣含量控制范圍為1%～25%（體積分數(shù)），壓力控制精度為±1.0 kPa。閃點測定儀主要參數(shù)見表1。

表1 閃點測試儀主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of flash point tester

1.2 實驗方法

圖1為采用可模擬不同氣壓環(huán)境的調(diào)壓系統(tǒng)測定不同氣壓下絕緣油閃點的原理圖，其中以調(diào)壓艙為主要構成部分的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可通過抽取內(nèi)部空氣或增補氧氮實現(xiàn)不同氣壓和氧氣含量的模擬，通過真空壓力表測量艙內(nèi)壓力，壓力自動控制系統(tǒng)保持實驗過程中壓力恒定。實驗過程中每次換樣，待艙內(nèi)實驗壓力和氧含量穩(wěn)定后，通過無線連接系統(tǒng)控制全自動開口/閉口閃點測定儀實現(xiàn)不同壓力條件下油樣閃點的測定。

圖1 不同氣壓條件下絕緣油開口/閉口閃點測定的實驗原理圖Fig.1 Schematic diagram of flash point determination of insulating oil under different air pressure

取25#新變壓器油（標記為#1）以及取自云南文山和臨滄地區(qū)不同運行條件下的變壓器油（分別標記為#2～#6）進行試驗，其開口、閉口閃點的測定和重復性實驗分別遵循GB/T 3536—2008和GB/T 261—2008。實驗過程中每次更換油樣只進行一次閃點測定，發(fā)生閃火后棄去本次實驗樣品，以同一批油樣潤洗油杯數(shù)次并換樣，調(diào)節(jié)壓力艙至另一實驗壓力，待壓力和氧含量（體積分數(shù)為20%）穩(wěn)定后利用無線連接系統(tǒng)控制自動閃點測定儀開始測試，閃點測試儀讀數(shù)為101.3 kPa下的修正值TF-rev，依據(jù)式（1）的修正方法可得實驗壓力下的實測閃點值TF-exp，用于式（3）中1/TF-exp-lnP關系的擬合。

2 結果及分析

圖2～3分別為不同油樣在不同壓力下的測定開口/閉口閃點按照式（3）中1/TF-exp-lnP線性關系進行擬合的結果，其表達式及相關系數(shù)匯總于表2。從表2可以看出，對于不同油樣，其開口閃點比閉口閃點表現(xiàn)出更好的1/TF-exp-lnP線性相關性，開口閃點數(shù)據(jù)的1/TF-exp-lnP斜率c1值在(-2.31～-1.22)×10-4范圍內(nèi)，閉口閃點的c1值在(-6.68～-2.32)×10-5范圍內(nèi)，不同油樣的開口/閉口閃點c1值穩(wěn)定在各自的數(shù)量級，但其各自數(shù)值存在較大差異，仍需獲得大量不同變壓器油樣在不同壓力下的開口/閉口閃點數(shù)據(jù)，才能總結出適用性良好的修正系數(shù)c1的經(jīng)驗范圍，以便于得到確定的閃點壓力修正式（6）用于不同壓力下變壓器油閃點的修正；此外，從本實驗中新變壓器油樣品#1以及文獻[8]的實驗數(shù)據(jù)可以看出，相較于運行變壓器油樣#2～#6，新油開口/閉口閃點的實驗數(shù)據(jù)具有更好的1/TF-exp-lnP擬合度，原因可能是相較于新變壓器油，運行變壓器油在投運過程中副產(chǎn)物和雜質(zhì)組分增多，由于不同組分揮發(fā)性不同，油樣液相組成隨著閃點測試過程中溫度升高發(fā)生改變，造成油樣對應氣化潛熱hfg的大小發(fā)生更為明顯的變化，上述非理想性導致式（3）中修正系數(shù)c1值不嚴格為常數(shù)，從而使得運行變壓器油的1/TF-exp-lnP數(shù)據(jù)線性相關性較新油差。

圖2 實驗油樣開口閃點1/TF-exp-lnP線性擬合結果Fig.2 The 1/TF-exp-lnP linear fitting results of open cup flash point of each insulating oil sample

圖3 實驗油樣閉口閃點1/TF-exp-lnP線性擬合結果Fig.3 The 1/TF-exp-lnP linear fitting results of closed cup flash point of each insulating oil sample

表2 開/閉口閃點實驗數(shù)據(jù)的1/TF-exp-lnP擬合關系匯總Tab.2 The 1/TF-exp-lnP fitting results of flash point data of each experimental insulating oil sample

表3～4給出了不同測定壓力下開口/閉口閃點的測定值、101.3 kPa下測定的標準閃點值、通過TF-exp-P關系（式（1））修正所得閃點值及其偏差值(修正值-標準值)、通過1/TF-exp-lnP關系（式（6））和表2中對應斜率值c1修正所得閃點值及其偏差值。

表3 不同壓力修正方法下開口閃點修正結果比較Tab.3 Comparison of open cup flash point correction results obtained by different pressure correction methods

表4 不同壓力修正方法下閉口閃點修正結果比較Tab.4 Comparison of closed cup flash point correction results obtained by different pressure correction methods

從表3～4可以看出，當采用TF-exp-P方法對不同測定壓力下所得開口/閉口閃點值進行修正時，修正偏差隨著閃點測定壓力與標準大氣壓（101.3 kPa）差值的增大而顯著增大；而采用1/TF-exp-lnP方法時修正偏差較小且隨壓力變化不大，在低壓條件下，其修正偏差遠小于TF-exp-P方法的偏差，故該1/TF-explnP修正方法在低氣壓下的適用性明顯提高；此外，采用1/TF-exp-lnP修正方法對閉口閃點的修正偏差總體上小于其對開口閃點的修正偏差，鑒于目前國內(nèi)標準中變壓器油閃點測定均采用閉口杯法，故此修正方法對變壓器油閃點的準確測定具有良好的實用意義。

3 結論

本研究通過自主設計的可模擬不同氣壓環(huán)境的閃點測試系統(tǒng)，測定了25#新變壓器油和運行變壓器絕緣油在不同實驗壓力（60.0～102.0 kPa）下的開口/閉口閃點，研究和對比了1/TF-exp-lnP的閃點-壓力修正方法對不同變壓器油樣在不同氣壓下測定閃點值的壓力修正情況，得到以下結論：

（1）不同實驗油樣的測定閃點和測定壓力數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出1/TF-exp-lnP線性關系，說明了上述理論對于新變壓器油和運行變壓器油都具有良好的適用性，且新變壓器油的閃點數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出更好的1/TF-explnP線性關系。

（2）對不同實驗油樣，其開口閃點比閉口閃點表現(xiàn)出更好的1/TF-exp-lnP線性相關性，開口閃點的1/TF-exp-lnP斜率c1值在(-2.31～-1.22)×10-4范圍內(nèi)，閉口閃點的c1值在(-6.68～-2.32)×10-5范圍內(nèi)；不同油樣的開口/閉口閃點修正系數(shù)c1值穩(wěn)定在各自的數(shù)量級，但在數(shù)值上仍存在較大差異。

（3）采用1/TF-exp-lnP修正方法，對新變壓器油和運行變壓器油在不同壓力下測定的閃點值進行修正，發(fā)現(xiàn)該法相對于現(xiàn)行國標使用的TF-exp-P修正方法具有更小的修正偏差和更寬的適用壓力范圍，且對閉口閃點值的壓力修正偏差更?。辉诂F(xiàn)行標準規(guī)定下變壓器油閃點均采用閉口杯法進行測定，因此采用1/TF-exp-lnP方法可以得出更為準確的變壓器油閃點的壓力修正值。

（4）采用1/TF-exp-lnP修正方法的不足之處在于需要確定不同油樣閃點數(shù)據(jù)對應的1/TF-exp-lnP斜率c1值；后續(xù)研究還應對大量的運行變壓器油樣進行分類討論，研究油樣本身的因素（如含水量、主要組成等）對其1/TF-exp-lnP斜率值c1的影響規(guī)律，以便從大量實驗數(shù)據(jù)中獲得可直接使用的修正系數(shù)c1的經(jīng)驗值范圍，提升該修正方法的實用性。