不同气压条件下变压器油闪点的变化规律研究

2020-12-29杨雪滢宋玉锋程雪婷何运华

绝缘材料 2020年7期

杨雪滢，宋玉锋，程雪婷，何运华

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650217）

0 引言

变压器油、汽轮机油、抗燃油、液压油等电力用油广泛应用于电厂及电网设备中，起着冷却、绝缘、散热、抗燃、润滑等作用。通过对这些电力用油闪点的表征，能够判断相关电力设备的着火危险点，若闪点过低，遇明火可能会导致电气设备着火甚至爆炸，因而闪点的准确测定对于电力设备的安全稳定运行意义重大。

根据油品轻质、重质馏分的不同，目前闪点的测定方法主要分为两种，分别为开口闪点法和闭口闪点法，其对应的测试标准分别为GB/T 3536—2008和GB/T 261—2008，这两个标准对于闪点的大气压修正适用范围均为98.0～104.7 kPa[1-2]。而实际上，对于云南、西藏等高海拔地区，其大气压均低于98.0 kPa，若根据标准中的气压修正公式对油品闪点进行修正，得到的修正值与实际闪点值将存在较大偏差。因此，目前所制定的石油产品闪点测定标准中的气压修正公式不适用于高海拔低气压地区，给这些地区油品闪点的检测带来很大的困扰。

相关研究学者针对高海拔低气压特殊环境开展了大量可燃液体燃烧特性的研究。胡小康[3]通过在合肥、拉萨、当雄等高海拔低压地区进行油池火实验，测量不同环境气压下可燃液体燃烧的相关参数。结果表明，液体燃烧的速度和燃烧效率随环境压力的下降而降低。周志辉[4]通过在合肥、拉萨两地开展低压特殊环境下的航空煤油和正庚烷油盆火实验发现，不同环境压力下可燃液体燃烧的质量燃烧速率正比于压力的2/3次方，并基于沸腾理论进行了阐释。虽然低压特殊环境下可燃液体的燃烧特性和闪点的研究已经取得了不少成果，但是主要研究对象为纯净物以及航空煤油，低压环境下电力用油闪点的研究则较少，并且缺乏电力用油闪点在不同环境压力下的修正模型研究。

本文通过实验室模拟实验和高海拔实地实验进行变压器油开、闭口闪点测试，研究变压器油闪点与环境气压的关系，同时结合理论分析，对低压环境下变压器油闪点的气压修正模型进行研究。

1 实验

1.1 实验装置

闪点是指大气压下可燃液体挥发出的可燃蒸气与空气的混合物与明火源（或电火花）接触时发生闪燃的最低温度。受条件限制，不能进行不同气压自然环境的实地实验。相对于不同气压的实地实验，通过气压模拟进行测量实验，具有可实现环境压力范围广、实验成本低、周期短、重复性高、可控性好等优点。因此本研究采用可模拟不同气压环境的闪点测试系统进行实验，以满足不同气压下的测量要求。该系统包含调压舱和闪点测试仪，调压舱的调节范围为40～110 kPa，且具备压力补偿功能，可自动监测舱内压力，并能与自动控制系统连动，保持实验过程中的压力恒定，同时能够自动和手动调节舱内氧气体积分数，使舱内氧气体积分数在实验过程中维持在（21.0±1.0）%。闪点测试仪的精度为5%，分辨率≤0.1℃，其中开口、闭口闪点测试仪的测试范围分别为室温至400℃、室温至300℃，分别符合GB/T 3536—2008、GB/T 261—2008的要求。

1.2 实验方法

实验室模拟实验：利用调压舱模拟设定的环境气压，然后接通闪点仪电源，根据标准要求设定闪点仪的测试参数，在连续搅拌的情况下，以恒定升温速率加热样品。以规定的温度间隔，在中断搅拌的情况下，将火源引入试验杯开口处，使样品蒸气发生瞬间闪火。当试样出现闪燃时，显示温度值立即被锁定，同时闪点仪自动切断电加热系统和高压打火系统电源，此时对应的温度即为被测试样在模拟气压下的开、闭口闪点值。

实地实验：选取云南范围内海拔高度较高的香格里拉地区（3 600 m）、海拔高度中等的昆明地区（1 800 m）及海拔高度较低的河口地区（80 m）分别进行样品的开、闭口闪点测试。

2 实验结果

通过实验室模拟实验和高海拔实地实验测试了辽河25#变压器油及克拉玛依25#变压器油的开、闭口闪点，结果如表1～2所示。

表1 高海拔实地环境和模拟环境下辽河25#变压器油开、闭口闪点测量值Tab.1 The flash point of Liaohe 25#transformer oil in high altitude and simulated environment

表2 高海拔实地环境和模拟环境下克拉玛依25#变压器油开、闭口闪点测量值Tab.2 The flash point of Kelamayi 25#transformer oil in high altitude and simulated environment

3 分析及讨论

3.1 辽河25#变压器油实验数据的处理

图1是辽河25#变压器油在实验室模拟条件及高海拔实地实验情况下开口闪点（TF′）、闭口闪点（TF）随环境压力（P）的变化关系。

图1 辽河25#变压器油开、闭口闪点与气压的关系Fig.1 The relation between open and closed cup flash point and air pressure of Liaohe 25#transformer oil

从图1可以看出，模拟条件下的测试结果与实地环境下的测试结果符合性较好，辽河25#变压器油开、闭口闪点均随环境气压的升高而升高，并且其闪点随着环境压力的变化不是呈现出简单的线性变化，而是复杂的非线性关系。

利用数据处理方法，对以上几组数据分别进行闪点与环境压力及闪点倒数与环境压力对数的线性关系拟合，结果见表3。

表3 辽河25#变压器油闪点数据处理结果Tab.3 The processed result of flash point data of Liaohe 25#transformer oil

3.2 克拉玛依25#变压器油实验数据的处理

图2为克拉玛依25#变压器油在实验室模拟条件及高海拔实地实验情况下开、闭口闪点随环境压力的变化关系。从图2可以看出，与辽河25#变压器油相同，模拟条件下克拉玛依25#变压器油的闪点测试结果与实地环境下的测试结果符合性较好，其开、闭口闪点均随环境气压升高而升高，且闪点随着环境压力的变化不是呈现出简单的线性变化，而是复杂的非线性关系。

图2 克拉玛依25#变压器油开、闭口闪点测量值Fig.2 Measurement of open and colsed cup flash point of Kelamayi 25#transformer oil

采用与3.1相同的数据处理方法，对以上几组数据分别进行闪点与环境压力及闪点倒数与环境压力对数的线性关系拟合，结果见表4。

表4 克拉玛依25#变压器油闪点数据处理结果Tab.4 The processed result of flash point data of Kelamayi 25#transformer oil

由表3及表4可以看出，闪点倒数与环境压力对数的线性相关性要明显优于闪点与环境压力的线性相关性。

3.3 理论分析

根据Clausius-Clapeyron方程，可燃液体的饱和蒸气压与液体温度之间的关系可以表示为式（1）。

式（1）中：P1是液体温度为T1（298 K）时的饱和蒸气压；hfg是蒸发潜热，单位为kJ/kg，蒸发潜热只随温度变化，在温度变化不大的情况下，对于纯净物来说hfg可视为常数[5]；R是通用气体常数，其值为8.314 J/(K·mol)；Pf是液体在温度为Tf时的饱和蒸气压；Tf是液体达到闪点时的温度。

另，燃空比f[6]可表示为式（2）。

式（2）中：Mf为可燃液体的摩尔质量，单位为g/mol；nf为可燃液体的物质的量，单位为mol；Mair为空气的摩尔质量，单位为g/mol；nair为空气的物质的量，单位为mol。

又知物质的量之比等于气体体积分压比，如式（3）所示。

式（3）中：P为环境压力。

整理式（1）和式（3），可得式（4）。

当可燃液体温度达到闪点时，由式（4）变为式（5）。

式（5）中：fLFL为燃烧下限时的燃空比。

简化式（5）可得式（6）。

3.4 分析与讨论

由理论分析得到的式（6）与实验数据拟合得到的关系曲线均说明闪点倒数与环境压力的对数之间存在着较好的线性关系。

根据式（6），不同环境气压下闪点测量的修正公式应为（7）。

而目前国内外可燃液体闪点对压力的修正模型均为式（8），即闪点（TF）与环境压力（P）的线性函数，这将导致低气压环境下测量闪点的修正结果相对于真实值发生较大偏差。

以本次实验所测辽河25#变压器油闭口闪点为例，利用式（8）进行修正的结果与环境压力为101.4 kPa下的测量值之差，随着环境压力的下降越来越大，而利用式（7）进行修正的结果与环境压力为101.4 kPa下的测量值之差则始终相差不大，见表5。由此说明，非线性的修正关系要优于线性的修正关系，在低压环境下尤其明显。