Физические показатели трансформаторных масел

Плотностью ρ называется величина, определяемая отношением массы вещества к занимаемому им объему. Относительная плотность жидкости ρ4 определяется как отношение плотности жидкости яри заданной температуре к плотности воды при 4 °С.

Обычно для масел используется показатель относительной плотности жидкости, т. е. отношение плотности масла при 20 °С к плотности воды при 4 °С.

Поскольку масса эталонного килограмма практически равна массе 1 дм³ воды при 4 °С, значения плотности и относительной плотности практически совпадают.

С повышением температуры плотность масла снижается. Температурный коэффициент объемного расширения равен примерно 0,0006 °С-1.

Изменения плотности и относительной плотности рассчитываются по формуле Д. И. Менделеева

ρt = ρ0 (1 — βt),

где β — температурный коэффициент объемного расширения;
ρt и ρ0 — плотности при температурах t и 0 °С.

Плотность обычных трансформаторных масел колеблется в пределах 800—890 кг/м³ и зависит от его химического состава.

Чем больше в масле полициклических ароматических и нафтеновых углеводородов, тем выше его плотность.

Молекулярная масса М трансформаторных масел колеблется в пределах 230—330 и зависит от их фракционного и химического состава.

При близком фракционном составе чем больше в масле ароматических углеводородов, тем меньше молекулярная масса и больше плотность, т. е. по мере углубления очистки масла (удаления полициклических ароматических углеводородов) снижается плотность и увеличивается его молекулярная масса.

Молекулярная масса масел определяется эбуллиоскопическим или криоскопическим методами. Оба метода основаны на законах о разбавленных растворах: первый — на измерении повышения температуры кипения чистого растворителя, а второй — на измерении понижения температуры кристаллизации чистого растворителя. Поскольку полициклические ароматические и нафтено-ароматические углеводороды склонны к ассоциации, молекулярную массу определяют при разной концентрации масла в растворителе и истинную молекулярную массу рассчитывают экстраполяцией к нулевой концентрации.

Показатель преломления характеризует изменение скорости света при переходе из одной среды в другую и измеряется отношением синуса угла падения света к синусу угла его преломления.

Показатель преломления зависит от длины волны света и температуры и при заданных значениях этих параметров является характеристикой вещества.

Обычно показатель преломления для масел определяют при длине волны света λ = 689,3 нм (линия D натрия) и температуре 20 °С и обозначают nD20.

Кроме показателя преломления для характеристики масла используют показатель удельной дисперсии

где nF — показатель преломления для линии спектра Р водорода (голубой) (λ = 486,1 нм);
nс — то же для линии С (красной) (λ = 656,3 нм);
ρ — плотность масла при температуре определения nF и nс.

Удельная дисперсия у насыщенных — парафиновых и нафтеновых — углеводородов около 98—100, а у ароматических достигает 250.

Подобно плотности значение показателя преломления снижается при углублении очистки — снижении концентрации ароматических углеводородов. При близких фракционном составе и вязкости масел показатель преломления удовлетворительно характеризует содержание ароматических углеводородов.

Вязкость любой жидкости, в том числе масла, характеризует свойство ее оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой.

В системе СИ за единицу динамической вязкости принимается Па·с (1 Па·с = 10 пз).

Обычно пользуются понятием кинематической вязкости, представляющей собой отношение динамической вязкости к плотности; за единицу ее принимают в системе СИ 1 м²/с (1 м²/с=106 сСт; 1 мм²/с=1 сСт).

Вязкость иногда выражают в других единицах — градусах Энглера (условная вязкость, ВУ). За рубежом пользуются градусами Сейболта и Редвуда.

Рисунок 1 - Номограмма для определения вязкости трансформаторных масел

В практике часто важно знать вязкость масла при низких температурах, экспериментальное определение которой сложно. С этой целью определяют вязкость при двух положительных температурах, соединяют значения их прямой на номограмме (рисунок 1) и экстраполируют до искомой температуры. Следует учитывать, что номограмма построена исходя из предположения, что в принятом интервале температур масло проявляет себя как ньютоновская жидкость.

При температурах, близких к температуре застывания, проявляется аномалия вязкости. Поэтому пользоваться номограммой можно до температур на 10—15 °С выше температуры застывания.

На практике широкое применение нашел «индекс вязкости» по Дину и Девису. Эти авторы предложили сравнивать вязкость испытуемого масла с вязкостью масляных дистиллятов, полученных из американских нефтей Пенсильванского и Мексиканского заливов. Индекс вязкости первого масла принимается за 100, а второго—за 0.

Индекс вязкости ИВ рассчитывают по формуле

где ύэт1 и ύэт2 — вязкости при 37,8 °С эталонных масел, у которых ИВ равен соответственно 100 и 0, a ύx — вязкость при 37,8 °С исследуемого масла.

Все масла при 98,9 °С должны иметь одинаковую вязкость.

Плотность, показатель преломления и вязкость масел находятся в зависимости от химического и в первую очередь углеводородного состава масел при близком фракционном составе.

В этом отношении представляют интерес данные К. И. Зиминой и А. А. Симионова, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 - Физические показатели насыщенной и ароматических частей погонов анастасиевской нефти

Примечание: ЛА – «легкие», СА – «средние», ТА – «тяжелые» ароматические углеводороды

Дистиллят анастасиевской нефти разогнали на фракции 300—350 и 350—400 °С, разделили их хроматографией на силикагеле на насыщенную и ароматическую части и определили указанные показатели их.

Из этих данных следует, что насыщенная часть масла (сумма парафиновых и нафтеновых углеводородов) характеризуется по сравнению с ароматической дистиллята меньшими значениями плотности, показателя преломления, вязкости (за исключением легких ароматических углеводородов) и большими значениями индекса вязкости и молекулярной массы.

С «утяжелением» ароматических углеводородов монотонно повышаются плотность и показатель преломления, снижаются молекулярная масса и индекс вязкости.

Представляет интерес вопрос, отличаются ли по физическим параметрам углеводороды, входящие в состав каждой части — насыщенной и ароматической. Для решения этого вопроса эти части дистиллята анастасиевской нефти разделили каждую методом термической диффузии на 10 фракций.

Физические параметры крайних первой и десятой фракций термодиффузионного разделения (ТДР) погонов 350— 400 °С насыщенной и ароматической частей приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Физические показатели фракций термодиффузионного разделения насыщенной и ароматических частей погона 350—400 °С анастасиевской нефти

Прежде всего, следует отметить, что каждая часть хроматографического разделения, содержащая как насыщенные (парафиновые и нафтеновые), так и ароматические углеводороды, состоит из соединений, резко отличающихся по физическим параметрам.

Оказалось, что в части, состоящей только из парафиновых и нафтеновых углеводородов (насыщенная часть), содержатся полициклические нафтеновые углеводороды, которые по своим физическим показателям мало отличаются от ароматических углеводородов.

Так, десятая фракция ТДР насыщенной части характеризуется большими плотностью, показателем преломления, вязкостью и меньшим индексом вязкости, чем первая фракция ТДР «легких» ароматических углеводородов. Индексы вязкости фракций первой (+160) и десятой (—110) ТДР насыщенных частей различаются на 270 единиц.

Таким образом, масло состоит из взаимного раствора очень большого числа углеводородов, резко различающихся по физическим показателям. Даже насыщенные углеводороды, выделенные из масла, содержат фракции, существенно различающиеся по плотности, показателю преломления, вязкости и индексу вязкости.

Температура вспышки трансформаторных масел определяется в закрытом тигле в аппарате Мартене—Пенского.

Температурой вспышки называется температура, при которой пары масла, нагреваемого в стандартных условиях, вспыхивают при поднесении к ним пламени.

Температура вспышки для обычных товарных масел колеблется в пределах 130—170, а для арктического масла — от 90 до 115 °С и зависит от фракционного состава, наличия относительно низкокипящих фракций и в меньшей степени от химического состава.

Температуры вспышки масел находятся в зависимости от упругости их насыщенных паров. Чем ниже упругость паров, чем выше температура вспышки, тем лучше можно дегазировать и осушать масло перед заливом в высоковольтное оборудование. Минимальная температура вспышки масел регламентируется не столько по противопожарным соображениям, сколько с точки зрения возможности глубокой их дегазации.

В отношении пожарной безопасности большую роль играет температура самовоспламенения; это температура, при которой масло при наличии воздуха загорается самопроизвольно без поднесения пламени. У трансформаторных масел эта температура около 350—400 °С.

У отечественных трансформаторных масел упругость насыщенных паров при 60 °С колеблется от 8 до 0,4 Па (от 6·10^-2 до 3·10^-3 мм рт. ст.). У зарубежных масел, как правило, упругость паров ниже и составляет от 1,3 до 0,07 Па (от 1·10^-4 до 5·10^-4 мм рт. ст.).