Определение углеродного состава в соответствии с ASTM D2140 и параметров вязкости в соответствии с ASTM D3487 и IEC 60296.
1. Зачем измерять вязкость и другие параметры трансформаторных масел?
Трансформаторные масла выполняют две важные функции: являются.электрическим изолятором и охлаждающей жидкостью для трансформатора. Эффективное охлаждение увеличивает срок службы трансформатора, поэтому охлаждающая жидкость должна быть способна отводить максимальное количество тепла от трансформатора.
Кроме того, углеродный состав трансформаторных масел также является важным параметром . Критические эксплуатационные свойства трансформаторных масел коррелируются с углеродным составом. Для определения углеродного состава изоляционных масел нефтяного происхождения используется стандартная практика ASTM D2140 (метод VGC-ri; вязкостно - гравитационная постоянная-перехват преломления) "Расчет углеродного состава изоляционных масел нефтяного происхождения".
Для расчета углеродного состава масла необходимы следующие основные параметры:
- кинематическая вязкость при 37,78 °C (100 °F) (получена с помощью SVM 3001)
- коэффициент преломления при 20 °C (полученный с помощью рефрактометра)
- плотность при 20 °C (рассчитывается по функциям API с помощью программного обеспечения SVM)
- удельный вес при 15,56 °C (60 °F; рассчитывается с помощью функций API программного обеспечения SVM)
- вязкость-гравитационная постоянная (VGC) в соответствии с ASTM D2501, рассчитанная по удельному весу (SG) при 15,56 °C (60 °F) и кинематической вязкости при 37,78 °C (100 °F)
- перехват преломления (рассчитывается по показателю преломления при 20 °C (68 °F) и по плотности при 20 °C (68 °F)
В этой статье подробно описывается, как тестировать масла с помощью SVM 3001 (в соответствии с ASTM D7042, D4052 и D2501) в сочетании с рефрактометром Abbemat Anton Paar для получения углеродного состава в соответствии с ASTM D2140.
2. Какое оборудование применялось?
Для измерения вязкости и плотности использовали вискозиметр-плотномер Штабингера SVM 3001.
Для измерения коэффициента преломления использовали Abbemat 550, подключенный через интерфейс CAN, как модуль, к SVM 3001
Совет: Можно использовать любой другой рефрактометр Anton Paar из линейки Performance/ Performance Plus (300/350 или 500) или из линейки Heavy Duty (450, 650).
3. Какие образцы были измерены?
Были измерены 5 образцов масел представленные ниже:| Образец | |
|---|---|
| Nytro 4000X | Изоляционное масло высокой степени гидроочистки |
| T110 | Базовое масло высокой степени гидроочистки |
| Nyflex 3150 | Технологическое масло высокой степени гидроочистки |
| Nypar 315 | Технологическое масло высокой степени гидроочистки |
| Nytro 10XN | Изоляционное масло высокой степени гидроочистки |
Образцы были любезно предоставлены компанией Nynas AB, Швеция.
4. Измерения
4.1 Настройка оборудования
Углеродный состав
Метод: SVM + Abbemat
SVM 3001 ( ASTM D7042)
По умолчанию заданы следующие параметры:
- Температура измерения: 37,78 °C
- Класс точности "Точный"
- Предел RDV 0,10 %
- Предел RDD 0,0002 г/см3
- Автоматическое предварительное увлажнение: да
- Коррекция серы: активирована (если в маслах содержание серы составляет 0,8% или выше, введите здесь значение для повышения точности расчета CTC)
- Время высыхания: 150 с (встроенный воздушный насос) при использовании сжатого воздуха при 2 бар: 60 с.
Метод SVM + Abbemat включает в себя следующие настройки для рефрактометра:
- Температура: 20 °C
- Точность измерения "Наиболее точная"
- Время удержания: 1 с
- Время ожидания: 200 с
- Длина волны: 589,3 нм (фиксированный параметр)
Эти тесты могут быть выполнены с помощью температурного сканирования. Создайте метод с настройками, перечисленными ниже:
- Режим измерения: Сканирование по таблице температур
- Измерение температуры: по мере необходимости
- Класс точности "Точный"
- Время уравновешивания: 120 с
- Автоматическое предварительное увлажнение: да
- встроенный воздушный насос без осушительного картриджа: 120 с Не рекомендуется сушить при температуре ячейки ниже точки росы.
- встроенный воздушный насос с осушительным картриджем: 120 с Для случаев осушки при температуре ниже точки росы
- сжатый воздух при давлении 0,3 бар с комплектом для подготовки воздуха: 120 с Для осушки при низких температурах.
При температурах измерениях выше -20 °C внешнее контр охлаждение не требуется. Однако для повышения производительности охлаждения возможно дополнительно подключить жидкостной термостат.
Для измерений при температурах ниже -20 °C требуется внешний контр охлаждающий термостат .Если последняя температура сканирования таблицы выше точки росы, оборудование для подготовки (осушки) воздуха не требуется. Для случаев осушки ниже точки росы достаточно осушительного картриджа. Для постоянной осушки ниже точки росы или при низких температурах требуется установка для подготовки воздуха.
Для настройки измерений при низких температур обратитесь к справочному руководству SVM X001 и - если применимо - к руководству по эксплуатации устройства для контр охлаждения.
4.2 Калибровка
Используйте только откалиброванный прибор. Калибровка должна проводиться периодически с использованием сертифицированных эталонных стандартов. В соответствии с ASTM D7042 эталонные стандарты должны быть сертифицированы лабораторией, которая соответствует требованиям ISO/IEC 17025 или соответствующему национальному стандарту. Стандарты вязкости должны быть прослежены до основных процедур вискозиметрии. Неопределенность для стандартов плотности не должна превышать 0,0001 г/см3. Для каждого сертифицированного значения должна быть указана неопределенность (k = 2; уровень достоверности 95%). Используйте один или несколько стандартов в диапазоне вязкости вашего образца (образцов) масла. При необходимости примените калибровочную коррекцию для улучшения воспроизводимости. Для выполнения калибровки обратитесь к справочному руководству SVM X001.
Для рефрактометра выполните, по крайней мере, проверку по воде. Для проверки и настройки Abbemat обратитесь к документации по данному прибору.
4.3 Подготовка образца
Как правило, если образец не был только что извлечен из производственной линии или другого резервуара, гомогенизация испытуемого образца может улучшить повторяемость измерений. Для некоторых образцов может потребоваться дегазация. Обратитесь к справочному руководству SVM X001...
4.4 Заполнение
Достаточно одноразовых пластиковых шприцев. Никогда не используйте шприцы с резиновыми уплотнениями, так как резина химически не устойчива, что приводит к попаданию в измерительные ячейки посторонних частиц и пузырьков газов. Чтобы иметь достаточный объем образца для идеального предварительного смачивания и для заполнения, используйте шприц объемом 10 мл.
Убедитесь, что система (измерительные ячейки и шланги) герметична, чистая и сухая.
Для проточного наполнения введите приблизительно 3,5 мл. После предварительного смачивания введите не менее 1 мл или до тех пор, пока образец в шланге для отходов не освободится от пузырьков. Ориентировочное количество образца для достоверных результатов составляет 6-7 мл, объем может варьироваться в зависимости от образца.
4.5 Очистка
4.5.1 Растворители
Бензин 100/140 (алифатический углеводородный растворитель, смесь в основном н-алканов C7, C8, C9 с диапазоном кипения от 100 °C до 140 °C соответственно от 212 °F до 284 °F) является универсальным растворителем, подходящим для большинства масел.
Некоторым маслам может потребоваться ароматический растворитель, так как они не полностью растворимы в бензине. Если это так, используйте толуол или ксилол в качестве первого растворителя и алифатический углеводородный растворитель (например, н-гептан) в качестве второго (осушающего) растворителя.
Для очистки при низких температурах рекомендуется окончательная промывка высоколетучим углеводородным растворителем.
Обычно необходимый объем растворителя составляет 10-12 мл на образец.
Избегайте использования ацетона или этанола, так как эти растворители не подходят для большинства масел.
Дополнительные сведения см. в Справочном руководстве SVM X001.
4.5.2 Процедура очистки
Обратите внимание, что ячейки SVM и рефрактометра работают при разных температурах. Это требует большего внимания к процедуре очистки.
- Нажмите кнопку очистки, чтобы открыть экран очистки. Ориентируйтесь по данному экрану во время процедуры очистки, чтобы получить информацию о состоянии очистки SVM.
- Извлеките образец из ячеек (протолкните его с помощью шприца, наполненного воздухом).
- Заполните прибл. 3 мл растворителя с помощью шприца и оставьте шприц подключенным.
- Нажмите кнопку вращения двигателя, чтобы улучшить производительность очистки в ячейке вязкости. Экран очистки показывает изменения вязкости смеси растворителя и остатка образца. Значение плотности указывает, правильно ли заполнена ячейка растворителем. Выключите мотор.
- Перемещайте плунжер шприца вперед и назад, чтобы улучшить производительность очистки в ячейках SVM и Abbemat.
- Продуйте воздух через ячейки в течение нескольких секунд, чтобы удалить смесь образец-растворитель.
- Повторяйте процедуру до тех пор, пока результат на экране не достигнет вязкости растворителя.
- Выполните заключительную промывку осушающим растворителем для удаления остатков.
- Обратите внимание на экран очистки. Осушайте измерительные ячейки до тех пор, пока значение очистки не станет зеленым и не останется устойчиво зеленым.
Дополнительные сведения см. в Справочном руководстве SVM X001..
5. Результаты
В данной статье сравниваются результаты измерений и расчетов, полученные с помощью SVM 3001 и Abbemat 550, а также эталонные значения (PDS, CoA).Углеродный состав:
| Образец | CA [%] | CN [%] | CP [%] |
|---|---|---|---|
| T110 | 14.50 | 33.25 | 52.20 |
| Nypar 315 | 1.38 | 30.00 | 68.60 |
| Nyflex 3150 | 9.33 | 30.05 | 60.65 |
| Nytro 4000X |
2.63 |
44.98 | 52.40 |
| Образец | CA [%] | CN [%] | CP [%] | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| ст. | откл. | ст. | откл. | ст. | откл. | |
| T110 | 11.7 | 2,80 | 38.2 | -4,95 | 50.1 | 2,10 |
| Nypar 315 | 1 | 0,38 | 34 | -4,00 | 65 | 3,60 |
| Nyflex 3150 | 7 | 2,33 | 33 | -2,95 | 60 | 0,65 |
| Nytro 4000X |
4 |
-1,38 | 45 | -0,02 | 51 | 1,40 |
Коэффициент преломления:
| Образец | RI изм. [nD] | RI ст. [nD] | Dev. [nD] |
|---|---|---|---|
| T110 | 1.503635 | 1.502 | 0.0016 |
| Nypar 315 | 1.468229 | 1.468 | 0.0002 |
| Nyflex 3150 | 1.495011 | 1.494 | 0.0010 |
| Nytro 4000X |
1.474635 |
n.a. |
n.a. |
ASTM D2501 Вязкостно-гравитационная постоянная (VGC):
| Образец |
результат (SVM 3001) |
стандарт (спецификация) |
отклонение |
|---|---|---|---|
| T110 | 0.85587 | n.a. | |
| Nypar 315 | 0.80144 | 0.804 | 0.00256 |
| Nyflex 3150 | 0.83008 | 0.829 | 0.00108 |
| Nytro 4000X |
0.83852 |
n.a. |
Кинематическая вязкость:
В таблицах приведены результаты измерения вязкости двух изоляционных масел, соответствующих требованиям стандартов ASTM D3487 и IED60296 (Ред. 3). Оба масла измерены при температуре -30 °C, где Nytro 10XN имеет более строгую низкотемпературную спецификацию кинематической вязкости, приведенную в его техническом паспорте, как указано в IEC 60296.
| Образец | Темп. [°C] |
Кин. вяз. изм. [мм2/с] |
Вяз. по спец. макс. [мм2/с] |
соответст. |
|---|---|---|---|---|
| Nytro 4000X | 100 | 2.3800 | 3 | OK |
| 40 | 9.0995 | 12 | OK | |
| 0 | 57.048 | 76 | OK | |
| Nytro 10XN | 100 | 2.0664 | 3 | OK |
| 40 | 7.5818 | 12 | OK | |
| 0 | 46.275 | 76 | OK |
| Образец | Темп. [°C] |
Кин. вяз. изм. [мм2/с] |
Вяз. по спец. макс. [мм2/с] |
соответст. |
|---|---|---|---|---|
| Nytro 4000X | 0 | 57.255 |
|
|
| -20 | 272.45 | |||
| -30 | 769.28 | 1800 | OK | |
| -40 | 2704.7 | |||
| Nytro 10XN | 0 | 46.462 |
|
|
| -20 | 229.60 |
|
||
| -30 | 687.31 | 800* | OK | |
| -40 | 2669.4 |
* Nytro 10XN: макс. 800 мм2/с при температуре -30 °C в соответствии с паспортом продукта.
6. Заключение
Комплекс SVM 3001 с Abbemat идеально подходит для определения углеродного состава и низкотемпературной вязкости изоляционных масел при условии выполнения всех требований в соответствии с разделом 4 "Измерения"
.7. Литературные источники
- ASTM D7042
- ASTM D2140: Standard Practice for Calculating Carbon-Type Composition of Insulating Oils of Petroleum Origin
- ASTM D2501: Standard Test Method for Calculation of Viscosity-Gravity Constant (VGC) of Petroleum Oils
- ASTM D3487: Standard Specification for Mineral Insulating Oil Used in Electrical Apparatus
- IEC 60296: Fluids for electrotechnical applications - unused mineral insulating oils for transformers and switchgear
- IEC 61868: Mineral insulating oils - Determination of kinematic viscosity at very low temperatures
- Anton Paar Application Report Carbon Type Distribution of Petroleum Oils with SVM 4001 and Abbemat Doc. No. D89IA012EN.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Приложение А. Трансформаторные маслаБольшинство трансформаторных масел на минеральной основе, как правило, получают путем фракционной дистилляции и последующей гидроочистки. Существует две основные группы: нафтеновые и парафиновые изоляционные масла.
Кроме того, можно различать ингибированные и свободные масла. Ингибированные масла содержат присадки, которые улучшают свойства масла, такие как депрессоры температуры застывания, ингибиторы коррозии и многое другое.
Нафтеновые масла обладают отличным поведением при низких температурах (например, низкой вязкостью), в то время как парафиновые масла имеют более высокую температуру застывания из-за их воскообразного содержания. Так парафиновые масла нуждаются в снижении температуры застывания, если они используются при низкой температуре.
В то же время существуют и другие типы изоляционных масел, например синтетические сложные эфиры или натуральные сложные эфиры, но они не рассматривались в данной статье.
Анализ углеродного состава выражает среднее количество атомов углерода, которые встречаются в ароматических, нафтеновых и парафиновых структурах, определяя процент атомов углерода в ароматических кольцевых структурах (%CA), процент в нафтеновых кольцевых структурах (%CN) и процент в парафиновых цепях (%CP). Существует несколько корреляций физических свойств для анализа типа углерода.
Помимо метода VGC-ri (вязкостно - гравитационная постоянная-перехват преломления) в соответствии с ASTM D2140 существует еще одна эмпирическая процедура, которая используется в основном для технологических масел, метод n-d-M (показатель преломления – плотность – средняя относительная молекулярная масса), стандартизированный как ASTM D3238. См. AP Отчет о применении "Распределение по типу углерода нефтяных масел с помощью SVM 4001 и Abbemat",
Doc. No. D89IA012EN, доступен в Экстранете AP.
ASTM D2140 (VGC-ri)
“Стандартная процедура расчета углеродного состава "Состав изоляционных масел нефтяного происхождения”. Она предназначена для использования со свежими маслами, ингибированными или не ингибированными, и применяется к маслам со средней молекулярной массой от 200 до более 600 и от 0 до 50 ароматических атомов углерода.
Вязкость, плотность, относительная плотность (удельный вес) и показатель преломления являются единственными экспериментальными данными, необходимыми для использования этого метода. Из этих измеренных свойств путем расчета получают Вязкостно-Гравитационную Постоянную (VGC) и коэффициент преломления (ri).
Вязкостно-Гравитационная Постояннаяявляется полезной функцией для приближенной характеристики вязких фракций нефти. Она относительно нечувствительна к молекулярной массе. Значения VGC около 0,8 указывают на образцы парафинового характера, значения, близкие к 1,0, указывают на преобладание ароматических структур.
VGC рассчитывается по удельному весу и кинематической вязкости.
Минеральные масла классифицируются следующим образом:
| Минеральное масло | VGC |
|---|---|
| Парафиновое минеральное масло: | 0.790 - 0.819 |
|
Минеральное масло с низким содержанием нафтенов: |
0,820 - 0,849 |
| Нафтеновое минеральное масло | 0,850 - 0,899 |
| Минеральное масло с низким содержанием ароматических структур | 0,900 - 0,939 |
| Ароматическое минеральное масло | 0,940 - 0,999 |
| Минеральное масло с высоким содержанием ароматических структур | 1,000 - 1,049 |
Перехват преломления (ri)
Исходя из измеренной плотности и показателя преломления, перехват преломления рассчитывается в соответствии с формулами в ASTM D2140 (соответственно в соответствии с ASTM D2159). Расчетные значения VGC и ri используются с приведенной ниже номограммой для корреляции этих параметров с составом типа углерода.
Рисунок 1: Углеродный состав
Метод "SVM + Abbemat"
Этот быстрый и точный метод обеспечивает основные параметры и расчет углеродного состава в соответствии с ASTM D2140.
Если требуются дополнительные параметры для характеризации масла, SVM 3001 предоставляет дополнительный метод "Индекс вязкости + Abbemat".
Помимо измерения основных параметров для расчета, этот метод позволяет получить такие параметры, как:
- Кинематическая вязкость при 40 °C и 100 °C (экстраполирована в соответствии с ASTM D341)
- Индекс вязкости (согласно ASTM D2270)
- Распределение по типу углерода и содержание ароматики в соответствии с ASTM D3238
- Средняя молекулярная масса по ASTM D2502
- Плотность при 20 °C
- Спецификация API. Удельный вес15,56 °C (60 °F)
Также для измерений вязкости масел доступен режим сканирования по времени.
Вязкость
Трансформаторные масла действуют как охлаждающая жидкость и изоляционное масло. Помимо других свойств, вязкость является основным параметром, влияющим на теплопередачу и, следовательно, на повышение температуры внутри трансформатора. Чем ниже вязкость, тем легче масло может циркулировать, что улучшает теплопередачу. В зависимости от системы охлаждения трансформатора более высокая вязкость при низких температурах является критичным фактором для холодного запуска трансформатора, особенно для моделей с естественной циркуляцией масла. Отсутствие или плохая циркуляция может привести к перегреву в горячих точках, и это неблагоприятно влияет на скорость движущихся частей, таких как насосы или выключатели питания.
Как правило, масла с более высоким содержанием нафтеновых молекул будут снижать свою вязкость быстрее, чем масла с высоким содержанием парафиновых структур. Нафтеновые масла также обладают лучшим коэффициентом теплопередачи, чем парафиновые масла с аналогичной вязкостью при 40 °C. Кроме того, нафтеновые масла обеспечивают превосходное поведение при низких температурах, поскольку они имеют значительно более низкую температуру застывания по сравнению с парафиновыми типами. Это улучшает прокачиваемость холодного масла и позволяет запускать трансформатор при минимально возможной температуре.
Производители таких масел указывают в своих паспортах продукции помимо других параметров также кинематическую вязкость при различных температурах (которая должна соответствовать спецификациям в соответствии с несколькими стандартами) и часто индекс вязкости в качестве показателя вязкостно-температурного поведения масла.
Пределы вязкости определены в стандартах ASTM D3487 и IEC 60296 (ред. 3).:
Требования к свойствам (выдержка: вязкость) для трансформаторных масел типов I и II в соответствии с ASTM D3487:
| Темп. [°C] | Кин. вязкость макс. [мм2/с; cSt] | |
|---|---|---|
| Тип I | Тип II | |
| 100 | 3.0 | 3.0 |
| 40 | 12.0 | 12.0 |
| 0 | 76.0 | 76.0 |
Максимальная кинематическая вязкость и температура застывания трансформаторного масла при минимальной температуре включения при холодном запуске (LCSET) в соответствии с IEC 60296:
| LCSET [°C] |
Макс. вязкость [мм2/с; cSt] |
Макс. темп. застывания [°C] |
|---|---|---|
|
0 |
1800 | -10 |
| -20 | 1800 | -30 |
| -30 * | 1800 | -40 |
| -40 ** | 2500 | -50 |
* Стандартная LCSET для низкотемпературных трансформаторных масел. Может быть изменена в соответствии с требованиями, обусловленными климатом в соответствующей стране. Температура застывания всегда должна быть не менее чем на 10 К ниже LCSET.
** Стандартная LCSET для низкотемпературного масла распределительных устройств. Кинематическая вязкость не должна превышать 400 мм2/с на LCSET.
