不同氣壓條件下變壓器油閃點的變化規律研究

楊雪瀅，宋玉鋒，程雪婷，何運華

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 引言

變壓器油、汽輪機油、抗燃油、液壓油等電力用油廣泛應用于電廠及電網設備中，起著冷卻、絕緣、散熱、抗燃、潤滑等作用。通過對這些電力用油閃點的表征，能夠判斷相關電力設備的著火危險點，若閃點過低，遇明火可能會導致電氣設備著火甚至爆炸，因而閃點的準確測定對于電力設備的安全穩定運行意義重大。

根據油品輕質、重質餾分的不同，目前閃點的測定方法主要分為兩種，分別為開口閃點法和閉口閃點法，其對應的測試標準分別為GB/T 3536—2008和GB/T 261—2008，這兩個標準對于閃點的大氣壓修正適用范圍均為98.0～104.7 kPa[1-2]。而實際上，對于云南、西藏等高海拔地區，其大氣壓均低于98.0 kPa，若根據標準中的氣壓修正公式對油品閃點進行修正，得到的修正值與實際閃點值將存在較大偏差。因此，目前所制定的石油產品閃點測定標準中的氣壓修正公式不適用于高海拔低氣壓地區，給這些地區油品閃點的檢測帶來很大的困擾。

相關研究學者針對高海拔低氣壓特殊環境開展了大量可燃液體燃燒特性的研究。胡小康[3]通過在合肥、拉薩、當雄等高海拔低壓地區進行油池火實驗，測量不同環境氣壓下可燃液體燃燒的相關參數。結果表明，液體燃燒的速度和燃燒效率隨環境壓力的下降而降低。周志輝[4]通過在合肥、拉薩兩地開展低壓特殊環境下的航空煤油和正庚烷油盆火實驗發現，不同環境壓力下可燃液體燃燒的質量燃燒速率正比于壓力的2/3次方，并基于沸騰理論進行了闡釋。雖然低壓特殊環境下可燃液體的燃燒特性和閃點的研究已經取得了不少成果，但是主要研究對象為純凈物以及航空煤油，低壓環境下電力用油閃點的研究則較少，并且缺乏電力用油閃點在不同環境壓力下的修正模型研究。

本文通過實驗室模擬實驗和高海拔實地實驗進行變壓器油開、閉口閃點測試，研究變壓器油閃點與環境氣壓的關系，同時結合理論分析，對低壓環境下變壓器油閃點的氣壓修正模型進行研究。

1 實驗

1.1 實驗裝置

閃點是指大氣壓下可燃液體揮發出的可燃蒸氣與空氣的混合物與明火源（或電火花）接觸時發生閃燃的最低溫度。受條件限制，不能進行不同氣壓自然環境的實地實驗。相對于不同氣壓的實地實驗，通過氣壓模擬進行測量實驗，具有可實現環境壓力范圍廣、實驗成本低、周期短、重復性高、可控性好等優點。因此本研究采用可模擬不同氣壓環境的閃點測試系統進行實驗，以滿足不同氣壓下的測量要求。該系統包含調壓艙和閃點測試儀，調壓艙的調節范圍為40～110 kPa，且具備壓力補償功能，可自動監測艙內壓力，并能與自動控制系統連動，保持實驗過程中的壓力恒定，同時能夠自動和手動調節艙內氧氣體積分數，使艙內氧氣體積分數在實驗過程中維持在（21.0±1.0）%。閃點測試儀的精度為5%，分辨率≤0.1℃，其中開口、閉口閃點測試儀的測試范圍分別為室溫至400℃、室溫至300℃，分別符合GB/T 3536—2008、GB/T 261—2008的要求。

1.2 實驗方法

實驗室模擬實驗：利用調壓艙模擬設定的環境氣壓，然后接通閃點儀電源，根據標準要求設定閃點儀的測試參數，在連續攪拌的情況下，以恒定升溫速率加熱樣品。以規定的溫度間隔，在中斷攪拌的情況下，將火源引入試驗杯開口處，使樣品蒸氣發生瞬間閃火。當試樣出現閃燃時，顯示溫度值立即被鎖定，同時閃點儀自動切斷電加熱系統和高壓打火系統電源，此時對應的溫度即為被測試樣在模擬氣壓下的開、閉口閃點值。

實地實驗：選取云南范圍內海拔高度較高的香格里拉地區（3 600 m）、海拔高度中等的昆明地區（1 800 m）及海拔高度較低的河口地區（80 m）分別進行樣品的開、閉口閃點測試。

2 實驗結果

通過實驗室模擬實驗和高海拔實地實驗測試了遼河25#變壓器油及克拉瑪依25#變壓器油的開、閉口閃點，結果如表1～2所示。

表1 高海拔實地環境和模擬環境下遼河25#變壓器油開、閉口閃點測量值Tab.1 The flash point of Liaohe 25#transformer oil in high altitude and simulated environment

表2 高海拔實地環境和模擬環境下克拉瑪依25#變壓器油開、閉口閃點測量值Tab.2 The flash point of Kelamayi 25#transformer oil in high altitude and simulated environment

3 分析及討論

3.1 遼河25#變壓器油實驗數據的處理

圖1是遼河25#變壓器油在實驗室模擬條件及高海拔實地實驗情況下開口閃點（TF′）、閉口閃點（TF）隨環境壓力（P）的變化關系。

圖1 遼河25#變壓器油開、閉口閃點與氣壓的關系Fig.1 The relation between open and closed cup flash point and air pressure of Liaohe 25#transformer oil

從圖1可以看出，模擬條件下的測試結果與實地環境下的測試結果符合性較好，遼河25#變壓器油開、閉口閃點均隨環境氣壓的升高而升高，并且其閃點隨著環境壓力的變化不是呈現出簡單的線性變化，而是復雜的非線性關系。

利用數據處理方法，對以上幾組數據分別進行閃點與環境壓力及閃點倒數與環境壓力對數的線性關系擬合，結果見表3。

表3 遼河25#變壓器油閃點數據處理結果Tab.3 The processed result of flash point data of Liaohe 25#transformer oil

3.2 克拉瑪依25#變壓器油實驗數據的處理

圖2為克拉瑪依25#變壓器油在實驗室模擬條件及高海拔實地實驗情況下開、閉口閃點隨環境壓力的變化關系。從圖2可以看出，與遼河25#變壓器油相同，模擬條件下克拉瑪依25#變壓器油的閃點測試結果與實地環境下的測試結果符合性較好，其開、閉口閃點均隨環境氣壓升高而升高，且閃點隨著環境壓力的變化不是呈現出簡單的線性變化，而是復雜的非線性關系。

圖2 克拉瑪依25#變壓器油開、閉口閃點測量值Fig.2 Measurement of open and colsed cup flash point of Kelamayi 25#transformer oil

采用與3.1相同的數據處理方法，對以上幾組數據分別進行閃點與環境壓力及閃點倒數與環境壓力對數的線性關系擬合，結果見表4。

表4 克拉瑪依25#變壓器油閃點數據處理結果Tab.4 The processed result of flash point data of Kelamayi 25#transformer oil

由表3及表4可以看出，閃點倒數與環境壓力對數的線性相關性要明顯優于閃點與環境壓力的線性相關性。

3.3 理論分析

根據Clausius-Clapeyron方程，可燃液體的飽和蒸氣壓與液體溫度之間的關系可以表示為式（1）。

式（1）中：P1是液體溫度為T1（298 K）時的飽和蒸氣壓；hfg是蒸發潛熱，單位為kJ/kg，蒸發潛熱只隨溫度變化，在溫度變化不大的情況下，對于純凈物來說hfg可視為常數[5]；R是通用氣體常數，其值為8.314 J/(K·mol)；Pf是液體在溫度為Tf時的飽和蒸氣壓；Tf是液體達到閃點時的溫度。

另，燃空比f[6]可表示為式（2）。

式（2）中：Mf為可燃液體的摩爾質量，單位為g/mol；nf為可燃液體的物質的量，單位為mol；Mair為空氣的摩爾質量，單位為g/mol；nair為空氣的物質的量，單位為mol。

又知物質的量之比等于氣體體積分壓比，如式（3）所示。

式（3）中：P為環境壓力。

整理式（1）和式（3），可得式（4）。

當可燃液體溫度達到閃點時，由式（4）變為式（5）。

式（5）中：fLFL為燃燒下限時的燃空比。

簡化式（5）可得式（6）。

3.4 分析與討論

由理論分析得到的式（6）與實驗數據擬合得到的關系曲線均說明閃點倒數與環境壓力的對數之間存在著較好的線性關系。

根據式（6），不同環境氣壓下閃點測量的修正公式應為（7）。

而目前國內外可燃液體閃點對壓力的修正模型均為式（8），即閃點（TF）與環境壓力（P）的線性函數，這將導致低氣壓環境下測量閃點的修正結果相對于真實值發生較大偏差。

以本次實驗所測遼河25#變壓器油閉口閃點為例，利用式（8）進行修正的結果與環境壓力為101.4 kPa下的測量值之差，隨著環境壓力的下降越來越大，而利用式（7）進行修正的結果與環境壓力為101.4 kPa下的測量值之差則始終相差不大，見表5。由此說明，非線性的修正關系要優于線性的修正關系，在低壓環境下尤其明顯。

表5 不同環境壓力下遼河25#變壓器油閉口閃點測量及修正值Tab.5 Measurement and correction value of closed cup flash point of Liaohe 25#transformer oil under different pressure

4 結論

通過實驗室模擬和高海拔實地實驗進行變壓器油開、閉口閃點測試實驗，在壓力為60～101 kPa內研究了變壓器閃點與環境壓力的對應關系，主要得出如下結論：

（1）不同氣壓下，變壓器油開、閉口閃點倒數（1/TF）與環境壓力對數（lnP）的線性相關性明顯優于閃點（TF）與環境壓力（P）的線性相關性。

（2）不同變壓器油開、閉口閃點隨環境壓力變化的趨勢具有差異性，主要原因是其組成成分的不同導致其飽和蒸氣壓不同，由此造成閃點隨環境壓力下降而下降的趨勢不同。因此，變壓器油閃點修正公式從理論上來說可以通過式（7）表示，但式（7）中c1為一變量值，因此無法確定其統一的修正公式。

（3）不同氣壓環境下變壓器油開、閉口閃點的修正模型還應以實際生產經驗為基礎，進一步開展相關研究，進行大量測試實驗，獲得其經驗公式。