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电容器专用蜡的绝缘性能研究及其应用
作者:上海泰尔精蜡有限公司 李毅
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1、前言

随着中国经济建设的迅速发展,金属化电容器以其技术先进、性能价格比优良、无功补偿安全稳定等特点,在改革开放的二十多年里(尤其是近十年来)得到了快速发展。随着电气制造技术的不断改进和提高,人们对电容器绝缘灌封材料性能的优劣,以及对电容器制造工艺、产品性能的影响的认识也进一步加强了,这为电气行业选择和评价电容器的绝缘灌封材料提供了先决条件。

电容器专用蜡作为电容器绝缘灌封材料的一个重要品种,在中国的电气行业已累计应用了10000吨左右。目前在中国,多数的低压并联电容器制造厂家均选择专用蜡来发挥绝缘灌封的作用,但是直到今天,我们一些企业对蜡的基本性能,尤其是应用性能,如:对电容器内部元件、结构、安全、老化等与产品质量紧密相关的性能参数的认识,或者重视程度都不容乐观。蜡的绝缘性能是电力电子技术发展的客观要求,是有关绝缘问题的归结和解决的结果。对专用蜡的应用性能,尤其是绝缘性能进行深入的探索研究,有助于我们进一步了解蜡作为电容器的灌封绝缘材料,其基本的应用条件和作用机理,从而提高对电容器产品的质量控制水平。

2、电容器专用蜡的绝缘机理

2.1概述

电容器专用蜡作为电介质根据使用目的和使用条件,要求具备电气、热、机械等多方面性能。但从电工绝缘角度来看,其基本电性能如表1所示。

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正确理解蜡在电场作用下表现这些性能的物理本质,以及这些性能参数与周围环境各种变化的关系,才能客观地判断和选择符合电容器使用要求的蜡类绝缘材料。

2.2电容器专用蜡的电介质极化与电介质损耗

蜡以其分子的非极性,被广泛应用于电气工业的浸渍、包封,起绝缘和防潮作用。但在电场作用下,蜡作为电介质将发生极化,正、负电荷作微小位移而产生偶极矩,或在电介质表面出现束缚电荷Q。

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2.2.1电容器专用蜡的相对介电常数

在图1中,设想未置入介质时,真空电容为C0,极板上自由电荷量为Q0;以蜡为介质时,电容为C,介质表面出现的束缚电荷Q′必削弱宏观平均电场E,而当电压恒定的情况下,一定要在极板上补充与Q′异号而等量的电荷,以维持电场不变,显然,由于介质极化,介电常数是电容量增大的倍数,是描写介质极化等属性的本征参数。

根据金属化电容器的构造特性,电容器专用蜡的介电常数最好与金属化膜的介电常数一致,提高或降低介电常数不仅是无谓的,而且会对电阻率和耐压强度产生不良影响。

2.2.2电容器专用蜡的电介质损耗

由于蜡为实际介质非理想介质,其直流电导率y不等于0,介质中还存在一种贯穿电导电流,它虽然不大,但在直流或交流电压下始终不可避免,故亦有漏导电流之称。介质中的总电流由三部分组成:即电子位移极化等引起的瞬时电流(i1),松弛极化引起的吸收电流(i2)和贯穿电导电流(i3)。前两部分电流是介质极化过程引起的,而贯穿电导电流使介质在交流电压下产生贯穿电导损耗。

基于以上分析,现将电容器专用蜡在电场作用下所发生的各类极化和贯穿电导画一等值电路图和向量图。

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(在一周期T内)即介质损耗:
W=WR+Wr
介质损耗由贯穿电导损耗WR和松弛损耗Wr两部分组成,如图3所示,定义δ为介质损耗角,δ是松弛极化滞后角φ的余角;介质损耗角的正切值即为损耗因数,是有功功率与无功功率之比——无量纲的纯数。在频率、介质材料体积和工作电压均一定的情况下,损耗因数可直接表征介质损耗的大小。

根据电容器专用蜡的使用条件,损耗的主要特征表现为电能转变为热能,热能的累积造成电容器工作温度的持续上升,直至电容器整体或局部的性能劣化,使局部放电或击穿提前。因此,损耗因数成为电容器专用蜡的重要应用性能参数之一。

2.3电容器专用蜡的电介质电导与击穿

电导率y或电阻率ρ是表征电介质电导的主要性能指标之一,是评价电容器专用蜡在工作状态下绝缘性能的重要参数。根据金属化电容器要求电容器专用蜡提供灌封绝缘的作用特点,主要用体积电阻率ρV来表征蜡的电导特性。

一切电介质的电导率y均不为0,在外电场下,单位体积介质每秒产生yE2的焦耳热。如图4所示,设此热量为Q1,它必使介质温度升高,同时又向周围媒质散发。如设此散热量为Q2,则Q2与温差成正比,Q1、Q2同T有如下关系:当外加电场一定时,由于不同的蜡的体积电阻率(电导率)不同,所以它们的发热量也不同。当某种蜡的电阻率为ρ1时,刚开始Q1>Q2,介质温度升至T1达到平衡,发热量与散热量相等,此后温度不再升高。如降低电阻率到ρ3时,则在任意温度下Q1>Q2,热平衡受到破坏,介质温度不断升高到发生热击穿[1]。

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蜡类固体电介质的击穿与气体、液体介质比较,主要有两点不同:①是前者的击穿强度比后者高,要在均匀电场下得到最大击穿强度,需用气体或液体作周围媒质。②是固体击穿是一不可逆的过程,即在蜡介质中留下贯穿电极间的孔道、溶洞和开裂等不能复原的痕迹。作为表征固体电介质性能的击穿强度,为一受到多种因素制约的物理量,在多数实际情况下,只是一个统计值。

按击穿发生的条件不同,常见的蜡类电介质击穿主要分为热击穿、电击穿和局部放电三类。电击穿是一电子过程,对于不同固体电介质,其差别不大(108~109V/m),热击穿由介质内热不稳定所致,两类击穿的物理过程显然不同。蜡类电介质服从希伯尔(Hipple)的固体(主要是晶体)电介质电击穿的碰撞电离理论,当电子在电场中加速所获得的动能与晶格吸收的能量平衡时,蜡的微混晶体形成稳定的电导,当电场升高到使平衡破坏时,立即发生碰撞电离,击穿到来。

由于蜡的来源和种类千差万别,所体现的电性能亦有很大的区别,因此,必须对蜡的品质加以选择和控制。

3、电容器专用蜡的选择和评价

光谱研究表明,电容器专用蜡主要由饱和烷烃和部分烯烃组成。芳香环化合物的含量很少,几乎不影响蜡的性质。决定电容器专用蜡的性质的关键因素是正构烃、异构烃和环烷烃按碳原子数的分布和它们的相对含量。

众所周知,石油蜡以其自身的烷烃结构和分子的非极性,被广泛应用于电气绝缘、防锈、上光等各行业,但由于蜡是从石油中提炼出来的,石油种类的差异、加工流程的不同,提炼精度的不一致,更重要的是蜡的同分异构体的繁杂,造成了蜡的品质各异[2],如何选择适合于电气工业应用的绝缘灌封蜡,根据电容器产品的性能特点,电容器专用蜡必须满足如下基本条件:

①优异的电气性能;
②不易氧化或老化;
③适宜的外观状态;
④良好的工艺性能;
⑤操作的安全性能;
⑥最低的体积收缩;
⑦稳定的抗溶胀能力。

3.1电容器专用蜡的选择

首先,决定蜡的上述性能的关键,还是蜡的分子形态,如图5所示。

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蜡通常有三种分子形态:

a)的分子结构决定了它在发生液-固相变时,体积发生较大的收缩,另外由于分子量小(240~450),易氧化和闪点低,因此不能用于电容器的绝缘灌封;

b)由于分子的异构化和分子量的增加(450~700),抗氧化和相容性,闪点都有提高,但由于收缩率偏大,仍不适易于带壳体的电气元件;

c)的分子构型最理想,不仅抗氧化和安全性与b相当,由于分子的大部分的环烷结构,柔韧性好、收缩率低,与膜和壳体的相容性好,是电容器专用蜡的首选材料。

3.2电容器专用蜡的提纯

有了好的基础蜡,为了更有效地发挥它的功效,还必须进行提纯,大家知道,蜡的电气性能与其自身的纯度有很大的关系,比如:杂环酸、硫、氮等不安定分子基团或原子,短碳链的烃、水份、机械杂质等都会对蜡的绝缘能力[3]、产品寿命产生直接的破坏作用。通过原料的加氢饱和处理,或脱硫脱氮处理,以及物理吸附等方法的运用,是保证蜡的电气性能的必要过程,蜡的深度精制与基础蜡的选择在保证蜡的产品质量方面同等重要。脱油过程的目的就是为了去除低碳烃,从而确保持续稳定的体积电阻率和介电损耗因数,更有利于提高耐电压强度,并降低对聚丙烯膜的溶胀,加氢精制和物理吸附过程的目的,就是为了提高产品的热稳定性和电场稳定性,去除易对元件的喷金面或引线端子产生氧化腐蚀的成分。

3.3电容器专用蜡的改性

经过提纯的微晶蜡在使用的物理性能指标上如硬度、表观粘度、滴熔点、流动能力、外观状态、与壳体的相容性等方面如不十分满意,可进行必要的改性处理。通常,能够对蜡进行改性处理的材料是已知的,聚丁烯就是最常见的一种,由于它的分子链的柔性以及在电气性能方面的优点,被世界上大多数发达国家的电气企业所采用,尤其在电缆的填充方面。我们在选择聚丁烯时,着重考察的是它的纯度和分子量分布,如添加了稀释油的聚丁烯是不能被用于电容器蜡的改性材料的。在分子量分布上我们主要选择分子量在900~1300之间的聚丁烯,这主要是因为分子量太小、电气绝缘能力差;分子量太大,与蜡的相容性不好,不利于操作[4]。

3.4电容器专用蜡的收缩问题

目前,产品质量调查表明蜡对电容器质量的影响日益突出了,众所周知,蜡的品质对电容器的性能有直接关系,只是不象膜的影响那么大罢了。在讲究企业信誉,讲究产品质量的今天,离开配套材料的质量谈电容器的质量无异于空谈。如何选择优质稳定、方便及时的供应渠道,是每一个电容器制造企业所迫切要求的,那么,蜡的哪些性能指标是使用单位必须清楚的呢?

蜡用于金属化电容器的绝缘灌封,其体积电阻率,耐压强度比较容易满足,而酸值和体积收缩率就不那么容易了。

如色拉油被某些厂家所采用,在使用初期,除了渗漏问题(与工装有关)外,几乎与蜡无差别,但电容器运行半年以后,就会发现氧化现象比较严重,因为不饱和脂肪酸的抗氧化性能较差,酸值偏高,稳定性不好,蓖麻油也如此。有些厂家用凡士林进行试验,也有同样问题发生。但凡士林主要是由于低碳烃(矿物油)的氧化引起的,同时凡士林的低碳烃易造成对金属化膜的溶胀。

蜡的体积收缩是蜡的最大缺点之一,它不仅造成脱壳,更主要的是易在收缩过程中对元件产生损伤,使喷金层脱落。目前我们知道蜡在有壳体的电容器中体积收缩有三种形态。见图6。

a)收缩主要是蜡中直链烃引起的,由于边缘的温度先于内部出现降低,直链烃易从外部生成晶核,并逐渐生成大晶体,在真空状态下,中间的蜡分子向结晶体靠拢[5],这主要是石蜡引起的,这也是石蜡不宜用于电容器灌封的主要原因之一。

b)收缩主要是蜡的均匀结晶与蜡和壳体的相容性引起的,这时蜡的结晶属于针形微混晶态,并与壳体保持良好的粘附性,这种收缩不易对元件产生破坏,比较适合电容器使用。

c)收缩主要是蜡中刚性链较多或大分子基团的引入造成的,个别蜡制造厂为了片面追求表观粘度,引入乙烯醋酸乙烯类树脂,这种大分子的引入一方面造成蜡的内聚力增强,容易造成脱壳。另一方面,醋酸乙烯分子基团长期在电场作用下易氧化变质,也是不宜电容器使用的。

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3.5电容器蜡的性能比较

为了确保电容器制造企业对蜡的需求,协助电容器制造企业更好地了解各电容器蜡生产厂的产品质量。我们根据客户提供的样品进行了一系列的数据分析对比。

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从表2可以看出,各厂家的产品性能差异较大,也有些厂家为了追求拉丝性和手感粘度,添加了对电容器有影响的高分子聚合物,这些添加剂与蜡的相容性较差,很难均匀稳定地互熔,长期在电场作用下,很容易劣化变质,从酸值和体积收缩率上可以看出差别,尤其是体积收缩率,A和B均出现a收缩。SP2070、SP2071均出现b收缩。C和E均出现c收缩,从体积电阻率这一指标可以看到SP2070、SP2071和E最大。

4、结论

电容器专用蜡的生产和使用必须充分注意其绝缘性能,必须对产品的绝缘留有相当的裕度,以便最大限度地满足电容器对蜡的品质要求。

电容器专用蜡的选择在满足电性能要求的同时,应充分注意蜡的收缩问题,以及低碳烃的氧化和对金属化膜的溶胀影响。

随着电容器品种的增加和应用范围的不断扩大,对蜡的要求会越来越高。只有供需双方的共同努力,才能更好地了解和控制电容器专用蜡对电容器产品质量的影响,从而取得品质与效益的最佳平衡。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (3/4/2007)
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