, , , (中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院, 武漢 430074)

集合式并聯(lián)電容器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備,由若干電容單元并聯(lián)組成。其中類似保險(xiǎn)絲作用的熔絲在電容器某個(gè)單元發(fā)生過電流故障時(shí)會被瞬間熔斷,以保證并聯(lián)電容器中其他電容單元的正常運(yùn)行[1-2]。熔絲熔斷產(chǎn)生的銅、鋅離子進(jìn)入電容器油后不僅會使其絕緣性能下降,并可催化電容器液體絕緣介質(zhì)的老化,使電容器油中酸值快速增大,最終導(dǎo)致整個(gè)電容器絕緣故障的發(fā)生。目前相關(guān)電容器標(biāo)準(zhǔn)中均未對電容器油中的金屬含量作出規(guī)定[3],在電容器的運(yùn)行過程中,由于缺少油中金屬離子的分析數(shù)據(jù)而導(dǎo)致電容器故障的延判和誤判時(shí)有發(fā)生。跟蹤測定運(yùn)行電容器油中金屬離子的含量,可對運(yùn)行電容器的液體絕緣介質(zhì)劣化和電容器故障起到指示和預(yù)警作用。

常見的測定金屬離子的方法有原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等[4-7],這些方法測定前需要采用濕法消解、微波輔助消解或液液萃取等對樣品進(jìn)行預(yù)處理[8-9]。油基質(zhì)中的金屬離子液液萃取多以水溶液為萃取劑,具有操作簡單、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。為了提高萃取效率,常采用在萃取劑中加入絡(luò)合劑的方法來實(shí)現(xiàn)油樣中金屬離子的分離和富集[10-13]。已報(bào)道的油中金屬離子測定的基質(zhì)多為食用油和礦物油等煉制類油品,其主成分為烷烴類化合物。電容器油為合成油,其主成分為芐基苯類化合物,將液液萃取用于電容器油中金屬含量測定的研究尚未見報(bào)道。

本工作以電容器熔絲熔斷產(chǎn)生的銅、鋅離子為目標(biāo)分析物,選用乙二胺四乙酸(EDTA)為絡(luò)合劑,采用液液萃取-火焰原子吸收光譜法測定,以期為電容器油中金屬離子含量的測定及電容器液體絕緣介質(zhì)的老化研究提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

AA-6300型火焰原子吸收光譜儀;WH-2型渦旋混合儀;TGL-16G型離心機(jī);Milli-Q超純水儀。

銅、鋅離子混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液;1.000 g·L-1,介質(zhì)為乙醇,使用時(shí)以空白電容器油稀釋至所需質(zhì)量濃度。

EDTA為分析純,硝酸為優(yōu)級純,試驗(yàn)用水為超純水。

所有器皿在試驗(yàn)前均采用硝酸(1+9)溶液浸泡24 h以上,用水洗凈后使用。

1．2 儀器工作條件

參照文獻(xiàn)[14-15]所述的儀器工作條件,并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整得到銅、鋅元素的分析線分別為324.8,213.9 nm;光譜通帶寬度為0.7 nm;燈電流為6.0 mA;燃燒器高度為7.0 mm;空氣流量為19.8 L·min-1,乙炔氣流量為2.8 L·min-1。

1．3 試驗(yàn)方法

移取油樣10.0 mL于50 mL離心管中,加入3.72×10-5mol·L-1EDTA溶液10 mL,渦旋萃取2.0 min后,以4 500～6 500 r·min-1轉(zhuǎn)速離心10 min后,分離,油相再重復(fù)萃取1次,合并萃取液,在儀器工作條件下進(jìn)行測定。

1．4 電容器油的劣化試驗(yàn)

采用過電流故障熔斷電容器熔絲,在60 ℃下模擬故障后集合式并聯(lián)電容器的運(yùn)行狀態(tài),每隔7 d取樣,跟蹤測定電容器油的酸值,以此判斷電容器油的劣化狀況。

2 結(jié)果與討論

2．1 萃取條件的選擇

在以下萃取條件優(yōu)化試驗(yàn)中,電容器油中銅、鋅離子的質(zhì)量濃度均為0.400 mg·L-1。

2．1．1 萃取劑EDTA溶液的濃度

試驗(yàn)考察了0,0.62,1.24,1.86,2.48,3.10,3.72,4.34×10-5mol·L-1的EDTA溶液對銅、鋅離子絡(luò)合反應(yīng)的影響。結(jié)果表明:隨著EDTA溶液濃度的增大,銅、鋅離子的吸光度開始明顯增大;當(dāng)EDTA溶液的濃度達(dá)到3.72×10-5mol·L-1后,繼續(xù)增大,吸光度變化不大。試驗(yàn)選擇3.72×10-5mol·L-1的EDTA溶液為萃取劑。

2．1．2 萃取劑的酸度

因受到EDTA酸效應(yīng)和金屬離子水解效應(yīng)的影響,絡(luò)合反應(yīng)需在一定的酸度范圍內(nèi)進(jìn)行。通過計(jì)算,pH在4.5～6.5時(shí),銅、鋅離子均可較好地與EDTA發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。調(diào)節(jié)萃取劑的pH為4.5,5.0,5.4,6.0,6.5進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)結(jié)果無明顯差異,故試驗(yàn)選擇不調(diào)節(jié)酸度的萃取劑進(jìn)行萃取。

2．1．3 萃取時(shí)間

試驗(yàn)考察了不同渦旋萃取時(shí)間(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 min)對銅、鋅離子絡(luò)合萃取的影響。結(jié)果表明:從開始萃取至萃取2.0 min時(shí),樣品的吸光度不斷增大;當(dāng)萃取時(shí)間超過2.0 min后,繼續(xù)增加萃取時(shí)間,吸光度無明顯變化。因此,試驗(yàn)選擇渦旋萃取時(shí)間為2.0 min。

2．1．4 離心轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間

離心時(shí)間和離心轉(zhuǎn)速的變化都會影響萃取兩相的分離效果,提高離心轉(zhuǎn)速和延長離心時(shí)間有利于兩相的分離。試驗(yàn)考察了離心轉(zhuǎn)速為4 500,5 000,5 500,6 000,6 500 r·min-1時(shí)對分離效果的影響。結(jié)果表明:離心轉(zhuǎn)速從4 500 r·min-1提高至5 000 r·min-1時(shí),金吸光度明顯增大;繼續(xù)提高離心轉(zhuǎn)速,吸光度無明顯變化。因此,試驗(yàn)選擇轉(zhuǎn)速為5 000 r·min-1進(jìn)行離心分離。

在5 000 r·min-1離心轉(zhuǎn)速下,試驗(yàn)考察了離心時(shí)間為5,10,15,20 min時(shí)對分離效果的影響。結(jié)果表明:在離心10 min時(shí)即可達(dá)到較好的分離效果。較長的離心分離時(shí)間可能是由電容器油的密度(1.006～1.010 g·mL-1,20 ℃)與萃取相水溶液的密度相近所致。試驗(yàn)選擇在5 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心10 min進(jìn)行萃取分離。

在上述優(yōu)化的萃取條件下進(jìn)行電容器油中銅、鋅離子的絡(luò)合萃取,兩種金屬離子的萃取率均在93%以上。

2．2 工作曲線和檢出限

配制含有質(zhì)量濃度為0.050,0.100,0.300,0.500,0.700,1.000,5.000 mg·L-1的銅、鎳離子的電容器油樣,按試驗(yàn)方法進(jìn)行測定。銅、鋅離子的質(zhì)量濃度均在0.050～5.000 mg·L-1內(nèi)與其吸光度呈線性關(guān)系,線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)見表1。

對空白油樣進(jìn)行11次平行測定,以3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算方法的檢出限(3s),結(jié)果見表1。

表1 線性參數(shù)與檢出限Tab. 1 Linearity parameters and detection limits

2．3 干擾試驗(yàn)

配制銅、鋅離子質(zhì)量濃度均為0.4 mg·L-1的電容器油樣,以萃取劑基質(zhì)中可能存在的Mg2+、Ca2+、Na+和Fe3+為干擾離子進(jìn)行干擾試驗(yàn)。結(jié)果表明:相對誤差在±5%以內(nèi)時(shí),50倍的Mg2+、Ca2+、Na+和5倍的Fe3+干擾Cu2+和Zn2+的測定。萃取劑中上述離子都在允許量之內(nèi),對銅、鋅離子測定無干擾。

2．4 樣品分析

對過電流故障導(dǎo)致的熔絲熔斷實(shí)際運(yùn)行的電容器油中銅、鋅的含量進(jìn)行測定,并進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn),結(jié)果見表2。

表2 樣品分析結(jié)果(n=6)Tab. 2 Analytical results of samples(n=6)

2．5 熔絲熔斷后電容器油的劣化

運(yùn)行電容器油中酸值的增大反映了其絕緣介質(zhì)的劣化及絕緣能力的降低。按試驗(yàn)方法進(jìn)行熔絲熔斷后金屬對電容器油劣化的影響試驗(yàn)(未熔斷熔絲的電容器油中未檢出金屬銅、鋅離子)。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28552-2012中所規(guī)定的方法,跟蹤測定了模擬運(yùn)行過程中熔絲未熔斷及熔絲熔斷后電容器油中的酸值。結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,熔絲未熔斷運(yùn)行的電容器中油的酸值基本保持不變;而熔絲熔斷后運(yùn)行電容器中油的酸值在運(yùn)行7 d第一次取樣時(shí)已開始緩慢增大,而后隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,酸值快速增大,電容器油的絕緣性能則不斷下降。熔絲熔斷產(chǎn)生的銅、鋅離子對電容器油的老化具有明顯的催化作用,加速了電容器液體絕緣介質(zhì)的劣化。

本工作以EDTA溶液為萃取相的絡(luò)合液液萃取-火焰原子吸收光譜法,成功地實(shí)現(xiàn)了電容器油中銅、鋅離子含量的同時(shí)測定。該方法簡單、快速,準(zhǔn)確度可滿足電容器故障和電容器液體絕緣介質(zhì)劣化研究中金屬離子測定的需要。

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