, , , (中南民族大學 化學與材料科學學院, 武漢 430074)

集合式并聯電容器是電力系統(tǒng)中的重要設備,由若干電容單元并聯組成。其中類似保險絲作用的熔絲在電容器某個單元發(fā)生過電流故障時會被瞬間熔斷,以保證并聯電容器中其他電容單元的正常運行[1-2]。熔絲熔斷產生的銅、鋅離子進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的老化,使電容器油中酸值快速增大,最終導致整個電容器絕緣故障的發(fā)生。目前相關電容器標準中均未對電容器油中的金屬含量作出規(guī)定[3],在電容器的運行過程中,由于缺少油中金屬離子的分析數據而導致電容器故障的延判和誤判時有發(fā)生。跟蹤測定運行電容器油中金屬離子的含量,可對運行電容器的液體絕緣介質劣化和電容器故障起到指示和預警作用。

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行預處理[8-9]。油基質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。為了提高萃取效率,常采用在萃取劑中加入絡合劑的方法來實現油樣中金屬離子的分離和富集[10-13]。已報道的油中金屬離子測定的基質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道。

本工作以電容器熔絲熔斷產生的銅、鋅離子為目標分析物,選用乙二胺四乙酸(EDTA)為絡合劑,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的老化研究提供參考。

1 試驗部分

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;Milli-Q超純水儀。

銅、鋅離子混合標準儲備溶液;1.000 g·L-1,介質為乙醇,使用時以空白電容器油稀釋至所需質量濃度。

EDTA為分析純,硝酸為優(yōu)級純,試驗用水為超純水。

所有器皿在試驗前均采用硝酸(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[14-15]所述的儀器工作條件,并進行適當調整得到銅、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轉速離心10 min后,分離,油相再重復萃取1次,合并萃取液,在儀器工作條件下進行測定。

1．4 電容器油的劣化試驗

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電容器的運行狀態(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)化試驗中,電容器油中銅、鋅離子的質量濃度均為0.400 mg·L-1。

2．1．1 萃取劑EDTA溶液的濃度

試驗考察了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、鋅離子絡合反應的影響。結果表明: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EDTA溶液的濃度達到3.72×10-5mol·L-1后,繼續(xù)增大,吸光度變化不大。試驗選擇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酸效應和金屬離子水解效應的影響,絡合反應需在一定的酸度范圍內進行。通過計算,pH在4.5～6.5時,銅、鋅離子均可較好地與EDTA發(fā)生絡合反應。調節(jié)萃取劑的pH為4.5,5.0,5.4,6.0,6.5進行試驗,發(fā)現結果無明顯差異,故試驗選擇不調節(jié)酸度的萃取劑進行萃取。

2．1．3 萃取時間

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

2．1．4 離心轉速和離心時間

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

在5 000 r·min-1離心轉速下,試驗考察了離心時間為5,10,15,20 min時對分離效果的影響。結果表明:在離心10 min時即可達到較好的分離效果。較長的離心分離時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。試驗選擇在5 000 r·min-1轉速下離心10 min進行萃取分離。

在上述優(yōu)化的萃取條件下進行電容器油中銅、鋅離子的絡合萃取,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,按試驗方法進行測定。銅、鋅離子的質量濃度均在0.050～5.000 mg·L-1內與其吸光度呈線性關系,線性回歸方程及相關系數見表1。

對空白油樣進行11次平行測定,以3倍的標準偏差計算方法的檢出限(3s),結果見表1。

表1 線性參數與檢出限Tab. 1 Linearity parameters and detection limits

2．3 干擾試驗

配制銅、鋅離子質量濃度均為0.4 mg·L-1的電容器油樣,以萃取劑基質中可能存在的Mg2+、Ca2+、Na+和Fe3+為干擾離子進行干擾試驗。結果表明:相對誤差在±5%以內時,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,對銅、鋅離子測定無干擾。

2．4 樣品分析

對過電流故障導致的熔絲熔斷實際運行的電容器油中銅、鋅的含量進行測定,并進行加標回收試驗,結果見表2。

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

2．5 熔絲熔斷后電容器油的劣化

運行電容器油中酸值的增大反映了其絕緣介質的劣化及絕緣能力的降低。按試驗方法進行熔絲熔斷后金屬對電容器油劣化的影響試驗(未熔斷熔絲的電容器油中未檢出金屬銅、鋅離子)。參照國家標準GB/T 28552-2012中所規(guī)定的方法,跟蹤測定了模擬運行過程中熔絲未熔斷及熔絲熔斷后電容器油中的酸值。結果發(fā)現:隨著運行時間的增加,熔絲未熔斷運行的電容器中油的酸值基本保持不變;而熔絲熔斷后運行電容器中油的酸值在運行7 d第一次取樣時已開始緩慢增大,而后隨著運行時間的增加,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的劣化。

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

[1] 陸欣,雷鳴,金石.集合式電容器在電力系統(tǒng)中的應用研究[J].湖北電力, 2014,38(10):18-20．

[2] 謝明華,王洪朋,張祝平,等.電力電容器用內熔絲有關試驗問題探討[J].電力電容器與無功補償, 2013,34(4):40-45．

[3] IEC 60871-1-2014 Shunt capacitors for a.c. power systems having a rated voltage above 1 000V- Part 1: General[S]．

[4] 周利英,駱海清,常云芝,等.微波消解-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定潲水油中25種元素的含量[J].理化檢驗-化學分冊,2016,52(4):460-462.．

[5] 周舟,郭俊芳,段太成,等.改進的氧瓶燃燒法結合電感耦合等離子體質譜快速測定茶葉樣品中的稀土元素含量[J].分析化學, 2016,44(9):1359-1364．

[6] FERNANDA M P, RENATA C Z, DANIEL M B, et al. Novel extraction induced by emulsion breaking as a tool for the determination of trace concentrations of Cu, Mn and Ni in biodiesel by electrothermal atomic absorption spectrometry[J]. Talanta, 2013,117(15):32-38．

[7] TREVELIN A M, MAROTTO R E S, de CASTRO E V R, et al. Extraction induced by emulsion breaking for determination of Ba, Ca, Mg and Na in crude oil by inductively coupled plasma optical emission spectrometry[J]. Microchemical Journal, 2016,124:338-343．

[8] DILEK B,YASEMIN B K, SELCUK Y. Comparison of extraction induced by emulsion breaking, ultrasonic extraction and wet digestion procedures for determination of metals in edible oil samples in Turkey using ICP-OES[J]. Food Chemistry, 2013,138(2):770-775．

[9] 許蘭淑,周金池.原子吸收光譜法測定環(huán)境及食品樣品中痕量元素的樣品前處理方法的研究進展[J].理化檢驗-化學分冊, 2016,52(2):244-248．

[10] DERYA K, ANDREW F, STEVE H. Extraction of trace elements by ultrasound-assisted emulsification from edible oils producing detergentless micro-emulsions[J]. Food Chemistry, 2015,188:143-148．

[11] YANG Y, LI H L, PENG L, et al. Assessment of Pb and Cd in seed oils and meals and methodology of their extraction[J]. Food Chemistry, 2016,197(4):482-488．

[12] MEHDI K, SHAYESSTEH D, ALI M H, et al. Deep eutectic liquid organic salt as a new solvent for liquid-phase micro-extraction and its application in ligandless extraction and preconcentraion of lead and cadmium in edible oils[J]. Talanta, 2015,144(7):648-654．

[13] FEYZULLAH T, SEMA B. Extraction of nickel from edible oils with a complexing agent prior to determination by FAAS[J]. Food Chemistry, 2016,197(4):445-449．

[14] 謝友斌.火焰原子吸收光譜法測鈣時磷酸根離子的干擾及消除研究[J].淮北煤炭師范學院學報, 2005,26(4):41-44．

[15] 李麗華,張金生,陳雨艷.微波消解-火焰原子吸收光譜法測定玉米面中的銅、鋅和鐵[J].分析科學學報, 2009,25(3):337-340．