1、前言 隨著中國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，金屬化電容器以其技術先進、性能價格比優(yōu)良、無功補償安全穩(wěn)定等特點，在改革開放的二十多年里（尤其是近十年來）得到了快速發(fā)展。隨著電氣制造技術的不斷改進和提高，人們對電容器絕緣灌封材料性能的優(yōu)劣，以及對電容器制造工藝、產(chǎn)品性能的影響的認識也進一步加強了，這為電氣行業(yè)選擇和評價電容器的絕緣灌封材料提供了先決條件。 電容器專用蠟作為電容器絕緣灌封材料的一個重要品種，在中國的電氣行業(yè)已累計應用了10000噸左右。目前在中國，多數(shù)的低壓并聯(lián)電容器制造廠家均選擇專用蠟來發(fā)揮絕緣灌封的作用，但是直到今天，我們一些企業(yè)對蠟的基本性能，尤其是應用性能，如：對電容器內(nèi)部元件、結構、安全、老化等與產(chǎn)品質量緊密相關的性能參數(shù)的認識，或者重視程度都不容樂觀。蠟的絕緣性能是電力電子技術發(fā)展的客觀要求，是有關絕緣問題的歸結和解決的結果。對專用蠟的應用性能，尤其是絕緣性能進行深入的探索研究，有助于我們進一步了解蠟作為電容器的灌封絕緣材料，其基本的應用條件和作用機理，從而提高對電容器產(chǎn)品的質量控制水平。 2、電容器專用蠟的絕緣機理 2.1概述 電容器專用蠟作為電介質根據(jù)使用目的和使用條件，要求具備電氣、熱、機械等多方面性能。但從電工絕緣角度來看，其基本電性能如表1所示。 正確理解蠟在電場作用下表現(xiàn)這些性能的物理本質，以及這些性能參數(shù)與周圍環(huán)境各種變化的關系，才能客觀地判斷和選擇符合電容器使用要求的蠟類絕緣材料。 2.2電容器專用蠟的電介質極化與電介質損耗 蠟以其分子的非極性，被廣泛應用于電氣工業(yè)的浸漬、包封，起絕緣和防潮作用。但在電場作用下，蠟作為電介質將發(fā)生極化，正、負電荷作微小位移而產(chǎn)生偶極矩，或在電介質表面出現(xiàn)束縛電荷Q。 2.2.1電容器專用蠟的相對介電常數(shù) 在圖1中，設想未置入介質時，真空電容為C0，極板上自由電荷量為Q0；以蠟為介質時，電容為C，介質表面出現(xiàn)的束縛電荷Q′必削弱宏觀平均電場E，而當電壓恒定的情況下，一定要在極板上補充與Q′異號而等量的電荷，以維持電場不變，顯然，由于介質極化，介電常數(shù)是電容量增大的倍數(shù)，是描寫介質極化等屬性的本征參數(shù)。 根據(jù)金屬化電容器的構造特性，電容器專用蠟的介電常數(shù)最好與金屬化膜的介電常數(shù)一致，提高或降低介電常數(shù)不僅是無謂的，而且會對電阻率和耐壓強度產(chǎn)生不良影響。  2.2.2電容器專用蠟的電介質損耗 由于蠟為實際介質非理想介質，其直流電導率y不等于0，介質中還存在一種貫穿電導電流，它雖然不大，但在直流或交流電壓下始終不可避免，故亦有漏導電流之稱。介質中的總電流由三部分組成：即電子位移極化等引起的瞬時電流（i1），松弛極化引起的吸收電流（i2）和貫穿電導電流（i3）。前兩部分電流是介質極化過程引起的，而貫穿電導電流使介質在交流電壓下產(chǎn)生貫穿電導損耗。 基于以上分析，現(xiàn)將電容器專用蠟在電場作用下所發(fā)生的各類極化和貫穿電導畫一等值電路圖和向量圖。 [align=center] [/align] （在一周期T內(nèi)）即介質損耗： 　　W=WR+Wr 介質損耗由貫穿電導損耗WR和松弛損耗Wr兩部分組成，如圖3所示，定義δ為介質損耗角，δ是松弛極化滯后角φ的余角；介質損耗角的正切值即為損耗因數(shù)，是有功功率與無功功率之比——無量綱的純數(shù)。在頻率、介質材料體積和工作電壓均一定的情況下，損耗因數(shù)可直接表征介質損耗的大小。 根據(jù)電容器專用蠟的使用條件，損耗的主要特征表現(xiàn)為電能轉變?yōu)闊崮埽瑹崮艿睦鄯e造成電容器工作溫度的持續(xù)上升，直至電容器整體或局部的性能劣化，使局部放電或擊穿提前。因此，損耗因數(shù)成為電容器專用蠟的重要應用性能參數(shù)之一。 2.3電容器專用蠟的電介質電導與擊穿 電導率y或電阻率ρ是表征電介質電導的主要性能指標之一，是評價電容器專用蠟在工作狀態(tài)下絕緣性能的重要參數(shù)。根據(jù)金屬化電容器要求電容器專用蠟提供灌封絕緣的作用特點，主要用體積電阻率ρV來表征蠟的電導特性。 一切電介質的電導率y均不為0，在外電場下，單位體積介質每秒產(chǎn)生yE2的焦耳熱。如圖4所示，設此熱量為Q1，它必使介質溫度升高，同時又向周圍媒質散發(fā)。如設此散熱量為Q2，則Q2與溫差成正比，Q1、Q2同T有如下關系：當外加電場一定時，由于不同的蠟的體積電阻率（電導率）不同，所以它們的發(fā)熱量也不同。當某種蠟的電阻率為ρ1時，剛開始Q1>Q2，介質溫度升至T1達到平衡，發(fā)熱量與散熱量相等，此后溫度不再升高。如降低電阻率到ρ3時，則在任意溫度下Q1>Q2，熱平衡受到破壞，介質溫度不斷升高到發(fā)生熱擊穿［１］。 蠟類固體電介質的擊穿與氣體、液體介質比較，主要有兩點不同：①是前者的擊穿強度比后者高，要在均勻電場下得到最大擊穿強度，需用氣體或液體作周圍媒質。②是固體擊穿是一不可逆的過程，即在蠟介質中留下貫穿電極間的孔道、溶洞和開裂等不能復原的痕跡。作為表征固體電介質性能的擊穿強度，為一受到多種因素制約的物理量，在多數(shù)實際情況下，只是一個統(tǒng)計值。 按擊穿發(fā)生的條件不同，常見的蠟類電介質擊穿主要分為熱擊穿、電擊穿和局部放電三類。電擊穿是一電子過程，對于不同固體電介質，其差別不大（108～109V/m），熱擊穿由介質內(nèi)熱不穩(wěn)定所致，兩類擊穿的物理過程顯然不同。蠟類電介質服從希伯爾（Hipple）的固體（主要是晶體）電介質電擊穿的碰撞電離理論，當電子在電場中加速所獲得的動能與晶格吸收的能量平衡時，蠟的微混晶體形成穩(wěn)定的電導，當電場升高到使平衡破壞時，立即發(fā)生碰撞電離，擊穿到來。 由于蠟的來源和種類千差萬別，所體現(xiàn)的電性能亦有很大的區(qū)別，因此，必須對蠟的品質加以選擇和控制。  3、電容器專用蠟的選擇和評價 光譜研究表明，電容器專用蠟主要由飽和烷烴和部分烯烴組成。芳香環(huán)化合物的含量很少，幾乎不影響蠟的性質。決定電容器專用蠟的性質的關鍵因素是正構烴、異構烴和環(huán)烷烴按碳原子數(shù)的分布和它們的相對含量。 眾所周知，石油蠟以其自身的烷烴結構和分子的非極性，被廣泛應用于電氣絕緣、防銹、上光等各行業(yè)，但由于蠟是從石油中提煉出來的，石油種類的差異、加工流程的不同，提煉精度的不一致，更重要的是蠟的同分異構體的繁雜，造成了蠟的品質各異［２］，如何選擇適合于電氣工業(yè)應用的絕緣灌封蠟，根據(jù)電容器產(chǎn)品的性能特點，電容器專用蠟必須滿足如下基本條件： ①優(yōu)異的電氣性能； ②不易氧化或老化； ③適宜的外觀狀態(tài)； ④良好的工藝性能； ⑤操作的安全性能； ⑥最低的體積收縮； ⑦穩(wěn)定的抗溶脹能力。  3.1電容器專用蠟的選擇 首先，決定蠟的上述性能的關鍵，還是蠟的分子形態(tài)，如圖5所示。 蠟通常有三種分子形態(tài)： a）的分子結構決定了它在發(fā)生液－固相變時，體積發(fā)生較大的收縮，另外由于分子量?。ǎ玻矗啊矗担埃?，易氧化和閃點低，因此不能用于電容器的絕緣灌封； b）由于分子的異構化和分子量的增加（４５０～７００），抗氧化和相容性，閃點都有提高，但由于收縮率偏大，仍不適易于帶殼體的電氣元件； c）的分子構型最理想，不僅抗氧化和安全性與b相當，由于分子的大部分的環(huán)烷結構，柔韌性好、收縮率低，與膜和殼體的相容性好，是電容器專用蠟的首選材料。  3.2電容器專用蠟的提純 有了好的基礎蠟，為了更有效地發(fā)揮它的功效，還必須進行提純，大家知道，蠟的電氣性能與其自身的純度有很大的關系，比如：雜環(huán)酸、硫、氮等不安定分子基團或原子，短碳鏈的烴、水份、機械雜質等都會對蠟的絕緣能力［3］、產(chǎn)品壽命產(chǎn)生直接的破壞作用。通過原料的加氫飽和處理，或脫硫脫氮處理，以及物理吸附等方法的運用，是保證蠟的電氣性能的必要過程，蠟的深度精制與基礎蠟的選擇在保證蠟的產(chǎn)品質量方面同等重要。脫油過程的目的就是為了去除低碳烴，從而確保持續(xù)穩(wěn)定的體積電阻率和介電損耗因數(shù)，更有利于提高耐電壓強度，并降低對聚丙烯膜的溶脹，加氫精制和物理吸附過程的目的，就是為了提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和電場穩(wěn)定性，去除易對元件的噴金面或引線端子產(chǎn)生氧化腐蝕的成分。  3.3電容器專用蠟的改性 經(jīng)過提純的微晶蠟在使用的物理性能指標上如硬度、表觀粘度、滴熔點、流動能力、外觀狀態(tài)、與殼體的相容性等方面如不十分滿意，可進行必要的改性處理。通常，能夠對蠟進行改性處理的材料是已知的，聚丁烯就是最常見的一種，由于它的分子鏈的柔性以及在電氣性能方面的優(yōu)點，被世界上大多數(shù)發(fā)達國家的電氣企業(yè)所采用，尤其在電纜的填充方面。我們在選擇聚丁烯時，著重考察的是它的純度和分子量分布，如添加了稀釋油的聚丁烯是不能被用于電容器蠟的改性材料的。在分子量分布上我們主要選擇分子量在900～1300之間的聚丁烯，這主要是因為分子量太小、電氣絕緣能力差；分子量太大，與蠟的相容性不好，不利于操作［４］。  3.4電容器專用蠟的收縮問題 目前，產(chǎn)品質量調(diào)查表明蠟對電容器質量的影響日益突出了，眾所周知，蠟的品質對電容器的性能有直接關系，只是不象膜的影響那么大罷了。在講究企業(yè)信譽，講究產(chǎn)品質量的今天，離開配套材料的質量談電容器的質量無異于空談。如何選擇優(yōu)質穩(wěn)定、方便及時的供應渠道，是每一個電容器制造企業(yè)所迫切要求的，那么，蠟的哪些性能指標是使用單位必須清楚的呢？ 蠟用于金屬化電容器的絕緣灌封，其體積電阻率，耐壓強度比較容易滿足，而酸值和體積收縮率就不那么容易了。 如色拉油被某些廠家所采用，在使用初期，除了滲漏問題（與工裝有關）外，幾乎與蠟無差別，但電容器運行半年以后，就會發(fā)現(xiàn)氧化現(xiàn)象比較嚴重，因為不飽和脂肪酸的抗氧化性能較差，酸值偏高，穩(wěn)定性不好，蓖麻油也如此。有些廠家用凡士林進行試驗，也有同樣問題發(fā)生。但凡士林主要是由于低碳烴（礦物油）的氧化引起的，同時凡士林的低碳烴易造成對金屬化膜的溶脹。 蠟的體積收縮是蠟的最大缺點之一，它不僅造成脫殼，更主要的是易在收縮過程中對元件產(chǎn)生損傷，使噴金層脫落。目前我們知道蠟在有殼體的電容器中體積收縮有三種形態(tài)。見圖6。 a）收縮主要是蠟中直鏈烴引起的，由于邊緣的溫度先于內(nèi)部出現(xiàn)降低，直鏈烴易從外部生成晶核，并逐漸生成大晶體，在真空狀態(tài)下，中間的蠟分子向結晶體靠攏［5］，這主要是石蠟引起的，這也是石蠟不宜用于電容器灌封的主要原因之一。 b）收縮主要是蠟的均勻結晶與蠟和殼體的相容性引起的，這時蠟的結晶屬于針形微混晶態(tài)，并與殼體保持良好的粘附性，這種收縮不易對元件產(chǎn)生破壞，比較適合電容器使用。 c）收縮主要是蠟中剛性鏈較多或大分子基團的引入造成的，個別蠟制造廠為了片面追求表觀粘度，引入乙烯醋酸乙烯類樹脂，這種大分子的引入一方面造成蠟的內(nèi)聚力增強，容易造成脫殼。另一方面，醋酸乙烯分子基團長期在電場作用下易氧化變質，也是不宜電容器使用的。 3.5電容器蠟的性能比較 為了確保電容器制造企業(yè)對蠟的需求，協(xié)助電容器制造企業(yè)更好地了解各電容器蠟生產(chǎn)廠的產(chǎn)品質量。我們根據(jù)客戶提供的樣品進行了一系列的數(shù)據(jù)分析對比。 從表2可以看出，各廠家的產(chǎn)品性能差異較大，也有些廠家為了追求拉絲性和手感粘度，添加了對電容器有影響的高分子聚合物，這些添加劑與蠟的相容性較差，很難均勻穩(wěn)定地互熔，長期在電場作用下，很容易劣化變質，從酸值和體積收縮率上可以看出差別，尤其是體積收縮率，A和B均出現(xiàn)a收縮。SP2070、SP2071均出現(xiàn)b收縮。C和E均出現(xiàn)c收縮，從體積電阻率這一指標可以看到SP2070、SP2071和E最大。 4、結論 電容器專用蠟的生產(chǎn)和使用必須充分注意其絕緣性能，必須對產(chǎn)品的絕緣留有相當?shù)脑６?，以便最大限度地滿足電容器對蠟的品質要求。 電容器專用蠟的選擇在滿足電性能要求的同時，應充分注意蠟的收縮問題，以及低碳烴的氧化和對金屬化膜的溶脹影響。 隨著電容器品種的增加和應用范圍的不斷擴大，對蠟的要求會越來越高。只有供需雙方的共同努力，才能更好地了解和控制電容器專用蠟對電容器產(chǎn)品質量的影響，從而取得品質與效益的最佳平衡。