Próbki cieczy o różnym stopniu zestarzenia

Ostatnim analizowanym czynnikiem, mogącym mieć wpływa na właściwości cieplne cieczy elektroizolacyjnej, był stopień zestarzenia. Miarą stopnia zestarzenia cieczy była jej liczba kwasowa NV oraz napięcie powierzchniowe γ. Do badań wykorzystano olej mineralny, ester syntetyczny oraz ester naturalny. W celu określenia wpływu stopnia zestarzenia cieczy elektroizolacyjnej na jej właściwości cieplne przygotowano próbki cieczy o dwóch skrajnych wartościach stopnia zestarzenia. Uzyskany w ten sposób poziom zestarzenia (liczba kwasowa oraz napięcie powierzchniowe) przygotowanych próbek odpowiadał cieczy nowej oraz cieczy zestarzonej. Uzyskane parametry opisujące stopień zestarzenia próbek badanych cieczy elektroizolacyjnych przedstawiono w tabeli 7.2.

Tab. 7.2. Wartości liczby kwasowej NV oraz napięcia powierzchniowego γ cieczy elektroizolacyjnych o różnym stopniu zestarzenia

Próbki cieczy elektroizolacyjnej charakteryzującej się liczbą kwasową oraz napięciem powierzchniowym odpowiadającym cieczy nowej przygotowano zgodnie z procedurą otrzymywania cieczy suchych, przedstawioną w podrozdziale 7.3.

Próbki cieczy elektroizolacyjnej charakteryzującej się liczbą kwasową oraz napięciem powierzchniowym odpowiadającym cieczy zestarzonej przygotowano poprzez starzenie laboratoryjne w komorze cieplnej KC-100/200, przedstawionej na rysunku 7.5. Objętość pojedynczej starzonej próbki wynosiła około 1 l. W celu uzyskania warunków starzenia odpowiadającym warunkom zachodzącym w układach rzeczywistych (transformator) w naczyniu ze starzoną cieczą umieszczono papier nawojowy (około 350 g), miedź (około 100 g) oraz stal (około 100 g). Następnie tak przygotowane próbki cieczy starzono w temperaturze 110°C, przez czas 144 godzin. Na rysunku 7.6 przedstawiono porównanie próbek cieczy elektroizolacyjnych o różnym stopniu zestarzenia. Jak wynika z rysunku, procesy starzeniowe zachodzące w cieczach elektroizolacyjnych wpłynęły na ich wygląd zmieniając zabarwienie próbek cieczy. Barwa próbek zestarzonych była znacznie ciemniejsza w odróżnieniu od barwy próbek nowych.

Po przygotowaniu wyżej opisanych próbek cieczy przeprowadzono pomiary liczby kwasowej NV oraz napięcia powierzchniowego γ. Liczbę kwasową cieczy elektroizolacyjnych określono za pomocą metody miareczkowania wobec wskaźnika, w oparciu o normy [95,102].

Z kolei napięcie powierzchniowe cieczy zmierzono przy wykorzystaniu metody stalagmometrycznej na podstawie normy [96].

Pomiar liczby kwasowej metodą miareczkowania wobec wskaźnika polegał na miareczkowaniu alkoholowym roztworem wodorotlenku potasu rozpuszczonej uprzednio próbki cieczy wobec p-naftolobenzeiny. Wartość liczby kwasowej określano na podstawie objętości zużytego wodorotlenku potasu zmieniającej barwę badanego roztworu. W środowisku kwaśnym roztwór ma barwę żółtopomarańczową. Z kolei w środowisku zasadowym barwa roztworu zmienia się na zieloną lub zielonobrązową.

Rys. 7.5. Komora cieplna KC-100/200 ze starzonymi próbkami cieczy elektroizolacyjnych

Rys. 7.6. Porównanie próbek cieczy elektroizolacyjnych o różnym stopniu zestarzenia; od lewej: nowy olej mineralny, zestarzony olej mineralny, nowy ester syntetyczny, zestarzony ester syntetyczny, nowy ester naturalny, zestarzony ester naturalny

Na rysunku 7.7 przedstawiono układ do pomiaru liczby kwasowej cieczy elektroizolacyjnych za pomocą metody miareczkowania wobec wskaźnika. W pierwszym etapie pomiaru próbkę cieczy, o masie określonej na podstawie tabeli 7.3, należało umieścić w kolbie stożkowej. Masa próbki cieczy zależna była od jej spodziewanej liczby kwasowej.

Następnie do kolby stożkowej z próbką cieczy dodano 100 ml rozpuszczalnika składającego się z 50,0% toulenu, 49,5% alkoholu izopropylowego i 0,5% wody, oraz 0,5 ml wskaźnika będącego roztworem 10 g p-naftobenzeiny i 1000 ml rozpuszczalnika. Całość mieszano do momentu całkowitego rozpuszczenia się próbki badanej cieczy. Po uzyskaniu przez badany roztwór barwy żółtopomarańczowej rozpoczęto miareczkowanie roztworem wodorotlenku potasu. Wodorotlenek potasu miareczkowano porcjami przy wykorzystaniu biurety. Roztwór mieszano przez cały czas miareczkowania. Proces miareczkowania zakończono, gdy roztwór zmienił barwę z żółtopomarańczowej na zieloną lub zielonobrązową na czas co najmniej 15 s.

Zanotowano wartość objętości zużytego wodorotlenku potasu. Następnie opisaną procedurę miareczkowania powtórzono dla roztworu składającego się ze 100 ml rozpuszczalnika oraz 0,5 ml wskaźnika (bez próbki badanej cieczy). Liczbę kwasową badanej próbki cieczy określono z zależności [95,108]:

𝑁_𝑉 = (𝑉₁− 𝑉₂) ∙ 𝑠_𝑟∙ 56,1

𝑚_𝑝 (7.2)

gdzie:

NV – liczba kwasowa badanej cieczy [mgKOH·g^-1cieczy],

V1 – objętość roztworu wodorotlenku potasu zużytego do miareczkowania próbki badanej cieczy [ml],

V2 – objętość roztworu wodorotlenku potasu zużytego do miareczkowania roztworu rozpuszczalnika z p-naftalobenzeiną [ml],

sr – stężenie roztworu wodorotlenku potasu [mol·l^-1], mp – masa badanej próbki cieczy [g].

Uzyskane na podstawie pomiarów wartości liczby kwasowej NV badanych cieczy zestawiono w tablicy 7.2.

Rys. 7.7. Układ do pomiaru liczby kwasowej cieczy elektroizolacyjnych za pomocą metody miareczkowania wobec wskaźnika; 1 – biureta , 2 – mieszadło magnetyczne, 3 – zlewka, 4 – statyw do biurety

Tab. 7.3. Masy próbek cieczy w zależności od spodziewanej liczby kwasowej [95]

Przewidywana liczba kwasowa cieczy [mgKOH·g^-1cieczy] Masa próbki cieczy [g] Dokładność ważenia [g]

Oleje świeże i oleje o jasnej barwie

0,0 do 3,0 20,0 ± 2,0 0,05

Oleje przepracowane i oleje o ciemnej barwie

0,0 do 25,0 2,0 ± 0,2 0,01

Pomiar napięcia powierzchniowego γ polegał na określeniu liczby kropel odrywających się od stopy stalagmometru, które tworzą się przy wypływie cieczy o większej gęstości do cieczy o gęstości mniejszej. Liczba kropli jest wprost proporcjonalna do różnicy gęstości cieczy oraz odwrotnie proporcjonalna do napięcia powierzchniowego γ.

Na rysunku 7.8 przedstawiono układ do pomiaru napięcia powierzchniowego cieczy. W pierwszym etapie pomiarów należało wyznaczyć stałą K stalagmometru. Stałą tą wyznaczono korzystając z dwóch cieczy wzorcowych – woda dwukrotnie destylowana oraz toluen. Pomiar przeprowadzono w temperaturze 20ºC. W celu wyznaczenia stałej K stalagmometr napełniono cieczą wzorcową charakteryzującą się większą gęstością (woda dwukrotnie

destylowana - ρ20ºC = 998 kg·m^-3). Z kolei cylinder Nesslera, w którym zamieszczony jest stalagmometr, wypełniono cieczą wzorcową o mniejszej gęstości (toulen - ρ20ºC = 866 kg·m^-3), w taki sposób, aby stopa stalagmometru była zanurzona na głębokość minimum 5 mm.

Następnie zliczano liczbę kropli oderwanych od stopy stalagmometru. Zgodnie z normą [96]

procedurę zliczania powtórzono co najmniej pięciokrotnie. Średnią liczbę kropli nAB

oderwanych od stopy stalagmometru obliczono korzystając z zależności:

𝑛_𝐴𝐵 = ∑ 𝑛_𝑖

𝑖_{𝑝𝑜𝑚.} (7.3)

gdzie:

nAB – średnia liczba kropli wypływających z cieczy A (ciecz o większej gęstości) do cieczy B (ciecz o mniejszej gęstości),

ni – liczba kropli oderwanych od stopy stalagmometru w trakcie jednego pomiaru, ipom. – liczba pomiarów.

Wartość stałej K stalagmometru określono na podstawie zależności:

𝐾 =𝛾_𝐴𝐵· 𝑛_𝐴𝐵

𝜌_𝐴 − 𝜌_𝐵 (7.4)

gdzie:

K – stała K stalagmometru [mN·m²·kg^-1],

γAB – napięcie międzyfazowe układu cieczy wzorcowych użytych do pomiarów (wartość tablicowa – 36,1 mN·m^-1) [mN·m^-1],

ρA – gęstość cieczy wzorcowej A w temperaturze 20ºC (gęstość cieczy o większej gęstości) [kg·m^-3],

ρB – gęstość cieczy wzorcowej B w temperaturze 20ºC (gęstość cieczy o mniejszej gęstości) [kg·m^-3].

Wyznaczona na podstawie powyższej zależności wartość stałej K wynosiła 2,7 mN·m²·kg^-1.

Rys. 7.8. Układ do pomiaru napięcia powierzchniowego cieczy; 1 – łaźnia wodna, 2 – pokrywa ze szkła akrylowego, 3 – pierścienie mocujące, 4 – regulator temperatury, 5 – chłodnica i grzałka, 6 – czujnik temperatury, 7 – cylinder Nesslera, 8 – stalagmometr, 9 – mieszadło magnetyczne, 10 – cylinder do pomiarów areometrycznych, 11 – areometr

W kolejnym etapie oznaczono napięcie powierzchniowe próbki badanej cieczy. Podobnie, jak w przypadku wyznaczania stałej K, pomiar przeprowadzono w temperaturze 20ºC. W związku z tym, że gęstość ρ20ºC badanych cieczy elektroizolacyjnych mieści się w granicach od około 870 kg·m^-3 do około 970 kg·m^-3, jako ciecz wzorcową A wybrano wodę dwukrotnie destylowaną. Stalagmometr wypełniono wodą dwukrotnie destylowaną, a naczynie Nesslera badaną cieczą. Następnie, co najmniej pięciokrotnie, zliczano liczbę kropli oderwanych od stopy stalagmometru. Średnią liczbę kropli nAC obliczono korzystając ze wzoru (7.3). Wartość napięcia powierzchniowego γ badanej cieczywyznaczono korzystając z zależności:

𝛾 = 𝐾 ·𝜌_𝐴− 𝜌_𝐶

𝑛_𝐴𝐶 (7.5)

gdzie:

nAC – średnia liczba kropli wypływających z cieczy A (ciecz o większej gęstości) do badanej cieczy C (ciecz o mniejszej gęstości),

γ – napięcie powierzchniowe badanej cieczy [mN·m^-1], ρC – gęstość badanej cieczy w temperaturze 20ºC [kg·m^-3].

Uzyskane na podstawie pomiarów wartości napięcia powierzchniowego γ badanych cieczy zestawiono w tablicy 7.2. Ze względu na to, że różnica gęstości pomiędzy estrem syntetycznym a wodą dwukrotnie destylowaną jest mała metody stalagmometrycznej nie można było wykorzystać do określenia napięcia powierzchniowego estru syntetycznego.