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GB/T1409測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻

下電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在15Hz?300MHz的頻率范圍內(nèi)測量電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)的方法，并由此計(jì)算某些數(shù)值，如損耗指數(shù)。本標(biāo)準(zhǔn)中所敘述的某些方法，也能用于其他頻率下測量。

有時在超過1000V的電壓下試驗(yàn)，則會引起一些與電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)無關(guān)的效應(yīng)，對此不予論述。

下列文件中的條款通過本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有的修（不包括勘誤的內(nèi)容）或修訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn)，然而，鼓勵根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的新版本。凡是不注日期的引用文件，其新版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

3、術(shù)語和定義

3.1

ε _r

 ……………………………（1）

ε_r——相對電容率;

C_o——真空中電容器的電極電容。

在一個測量系統(tǒng)中，絕緣材料的電容率是在該系統(tǒng)中絕緣材料的相對電容率ε_r與真空電氣常數(shù)ε_r的乘積。

 ……………………………（2）

3.2

δ

3.3

tanδ

3.4

ε''_r

3.5

ε_r

ε_r——復(fù)相對電容率；

ε'_r、ε_r——相對電容率；

注：有損耗的電容器在任何給定的頻率下能用電容C_s和電阻R_s的串聯(lián)電路表示，或用電容C_P和電阻R_P（或電導(dǎo)C_P）并聯(lián)電路表示。

C_s——串聯(lián)電容；

1）有些用“損耗角正切”來表示“介質(zhì)損耗因數(shù)”，因?yàn)閾p耗的測量結(jié)果是用損耗角的正切來報(bào)告的。

R_P——并聯(lián)電阻。

串聯(lián)元件與并聯(lián)元件之間，成立下列關(guān)系： 

式（9）、（10）、（11）中：C_s、R_s、C_P、R_P、tanδ同式（7）、（8）。

假如測量電路依據(jù)串聯(lián)元件來產(chǎn)生結(jié)果，且tanδ太大而在式（9）中不能被忽略，則在計(jì)算電容率前必須先計(jì)算并聯(lián)電容。

4、電氣絕緣材料的性能和用途

電介質(zhì)一般被用在兩個不同的方面：

用作電容器介質(zhì)。

下面分別討論頻率、溫度、濕度和電氣強(qiáng)度對介電性能的影響。

因?yàn)橹挥猩贁?shù)材料如石英玻璃、聚苯乙烯或聚乙烯在很寬的頻率范圍內(nèi)它們的ε_r和tanδ幾乎是恒定的，且被用作工程電介質(zhì)材料，然而一般的電介質(zhì)材料必須在所使用的頻率下測量其介質(zhì)損耗因數(shù)和電容率。

4.2.2溫度

4.2.3濕度

注：濕度的顯著影響常常發(fā)生在1MHz以下及微波頻率范圍內(nèi)。

存在界面極化時，自由離子的數(shù)目隨電場強(qiáng)度增大而增加，其損耗指數(shù)值的大小和位置也隨此而變。

5、試樣和電極

5.1.1試樣的幾何形狀

在測定電容率需要較高精度時，的誤差來自試樣尺寸的誤差，尤其是試樣厚度的誤差，因此厚度應(yīng)足夠大，以滿足測量所需要的度。厚度的選取決定于試樣的制備方法和各點(diǎn)間厚度的變化。對1%的度來講，1.5mm的厚度就足夠了，但是對于更高度，好是采用較厚的試樣，例如6mm?12mm。測量厚度必須使測量點(diǎn)有規(guī)則地分布在整個試樣表面上，且厚度均勻度在±1%內(nèi)。如果材料的密度是已知的，則可用稱量法測定厚度。選取試樣的面積時應(yīng)能提供滿足精度要求的試樣電容。測量10pF的電容時，使用有良好屏蔽保護(hù)的儀器。由于現(xiàn)有儀器的極限分辨能力約1pF，因此試樣應(yīng)薄些，直徑為10cm或更大些。

5.1.2電極系統(tǒng)

電極可選用5.1.3中任意一種。如果不用保護(hù)環(huán)，而且試樣上下的兩個電極難以對齊時，其中一個電極應(yīng)比另一個電*大些。已經(jīng)加有電極的試樣應(yīng)放置在兩個金屬電極之間，這兩個金屬電極要比試樣上的電極稍小些。對于平板形和圓柱形這兩種不同電極結(jié)構(gòu)的電容計(jì)算公式以及邊緣電容近似計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式由表1給出。

5.1.2.2試樣上不加電極

平板電極或圓柱形電極結(jié)構(gòu)的電容計(jì)算公式由表3給出。

5.1.2.2.1空氣填充測微計(jì)電極

5.1.2.2.2流體排出法

試樣為與試驗(yàn)池電極直徑相同的圓片，或?qū)y微計(jì)電極來說，試樣可以比電極小到足以使邊緣效應(yīng)忽略不計(jì)。在測微計(jì)電極中，為了忽略邊緣效應(yīng)，試樣直徑約比測微計(jì)電極直徑小兩倍的試樣厚度。

為了避免邊緣效應(yīng)引起電容率的測量誤差，電極系統(tǒng)可加上保護(hù)電極。保護(hù)電極的寬度應(yīng)至少為兩倍的試樣厚度，保護(hù)電極和主電極之間的間隙應(yīng)比試樣厚度小。假如不能用保護(hù)環(huán)，通常需對邊緣電容進(jìn)行修正，表1給出了近似計(jì)算公式。這些公式是經(jīng)驗(yàn)公式，只適用于規(guī)定的幾種特定的試樣形狀。

5.1.3構(gòu)成電極的材料

用極少量的硅脂或其他合適的低損耗粘合劑將金屬箔貼在試樣上。金屬箔可以是純錫或鉛，也可以是這些金屬的合金，其厚度為100μm，也可使用厚度小于10μm的鋁箔。但是，鋁箔在較高溫度下易形成一層電絕緣的氧化膜，這層氧化膜會影響測量結(jié)果，此時可使用金箔。

燒熔金屬電極適用于玻璃、云母和陶瓷等材料，銀是普遍使用的，但是在高溫或高濕下，好采用金。

鋅或銅電極可以噴鍍在試樣上，它們能直接在粗糙的表面上成膜。這種電極還能噴在布上，因?yàn)樗鼈儾淮┩阜浅Ｐ〉目籽邸?/span>

假如處理結(jié)果既不改變也不破壞絕緣材料的性能，而且材料承受高真空時也不過度逸出氣體，則本方法是可以采用的。這一類電極的邊緣應(yīng)界限分明。

把試樣夾在兩塊互相配合好的凹模之間，凹模中充有液體金屬，該液體金屬必須是純凈的。汞電極不能用于高溫，即使在室溫下用時，也應(yīng)采取措施，這是因?yàn)樗恼魵馐怯卸镜摹?/span>

5.1.3.6導(dǎo)電漆

要使用刷漆法做到邊緣界限分明的電極較困難，但使用壓板或壓敏材料遮框噴漆可克服此局限。但在的頻率下，因銀漆電極的電導(dǎo)率會非常低，此時則不能使用。

一般不推薦使用石墨，但是有時候也可采用，特別是在較低的頻率下。石墨的電阻會引起損耗的顯著增大，若采用石墨懸浮液制成電極，則石墨還會穿透試樣。

5.1.4.1板狀試樣

a）不加電極，測量時快而方便，并可避免由于試樣和電極間的不良接觸而引起的誤差。

……………………………（12）

△ε_r——相對電容率的偏差；

h——試樣厚度； 

若試樣上加電極，且試樣放在有固定距離S>h的兩個電極之間，這時

式中：

ε_r——試樣浸入所用流體的相對電容率，對于在空氣中的測量則ε_r等于1。

5.1.4.2管狀試樣

高電容率的管狀試樣，其內(nèi)電極和外電極可以伸展到管狀試樣的全部長度上，可以不用保護(hù)電極。

對于非常準(zhǔn)確的測量，在厚度的測量能達(dá)到足夠的精度時，可采用試樣上不加電極的系統(tǒng)。對于相對電容率ε_r不超過10的管狀試樣，方便的電極是用金屬箔、汞或沉積金屬膜。相對電容率在10以上的管狀試樣，應(yīng)采用沉積金屬膜電極；瓷管上可采用燒熔金屬電極。電極可像帶材一樣包覆在管狀試樣的全部圓周或部分圓周上。

5.2.1試驗(yàn)池的設(shè)計(jì)

滿足上述要求的試驗(yàn)池見圖2?圖4。電極是不銹鋼的，用硼硅酸鹽玻璃或石英玻璃作絕緣，圖2和圖3所示的試驗(yàn)池也可用作電阻率的測定，1EC 60247:1978對此已詳細(xì)敘述。

5.2.2試驗(yàn)池的準(zhǔn)備

試驗(yàn)池應(yīng)全部拆開，*地清洗各部件，用瑢劑回流的方法或放在未使用溶劑中攪動反復(fù)洗滌方法均可去除各部件上的溶劑并放在清潔的烘箱中，在110℃左右的溫度下烘干30min。

在上述各步驟中，各部件可用干凈的鉤針或鉗子巧妙地處理，以使試驗(yàn)池有效的內(nèi)表面不與手接觸。

注2:采用溶劑時，有些溶劑特別是苯、四氧化碳、甲苯、二甲苯是有毒的，所以要注意防火及毒性對人體的影響，此外，氧化物溶劑受光作用會分解。

當(dāng)需要高精度測定液體電介質(zhì)的相對電容率時，應(yīng)首先用一種已知相對電容率的校正液體（如苯）來測定“電極常數(shù)'。

 ……………………………（14）

C_c——電極常數(shù)；

C_n——充有校正液體時電極裝置的電容；

從C。和C_c的差值可求得校正電容C_g

并按照公式

式中：

C_o——空氣中電極裝置的電容；

C_x——電極裝置充有被試液體時的電容；

假如C_o、C_n和C_x值是在ε_n是已知的某一相同溫度下測定的，則可求得高精度的ε_x值。

6、測置方法的選擇

6.1零點(diǎn)指示法適用于頻率不超過50MHz時的測量。測量電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)可用替代法；也就是在接入試樣和不接試樣兩種狀態(tài)下，調(diào)節(jié)回路的一個臂使電橋平衡。通常回路采用西林電橋、變壓器電橋（也就是互感耦合比例臂電橋）和并聯(lián)T型網(wǎng)絡(luò)。變壓器電橋的優(yōu)點(diǎn)：采用保護(hù)電極不需任何外加附件或過多操作，就可采用保護(hù)電極；它沒有其他網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)。

注：典型的電橋和電路示例見附錄。附錄中所舉的例子自然是不全面的，敘述電橋和測量方法報(bào)導(dǎo)見有關(guān)文獻(xiàn)和該種儀器的原理說明書。

7.1試樣的制備

應(yīng)地測量厚度，使偏差在±（0.2%土0.005mm）以內(nèi)，測量點(diǎn)應(yīng)均勻地分布在試樣表面。必要時，應(yīng)測其有效面積。

條件處理應(yīng)按相關(guān)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行。

電氣測量按本標(biāo)準(zhǔn)或所使用的儀器（電橋）制造商推薦的標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的方法進(jìn)行。

8、結(jié)果

試樣加有保護(hù)電極時其相對電容率ε_r可按公式（1）計(jì)算，沒有保護(hù)電極時試樣的被測電容C'_x包括了一個微小的邊緣電容C_e，其相對電容率為：

式中：

C'_x——沒有保護(hù)電極時試樣的電容；

C_o——法向極間電容；

必要時應(yīng)對試樣的對地電容、開關(guān)觸頭之間的電容及等值串聯(lián)和并聯(lián)電容之間的差值進(jìn)行校正。

8.2介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ

8.3精度要求

在較低頻率下，電容的測量精度能達(dá)±（0.1%土0.02pF），介質(zhì)損耗因數(shù)的測量精度能達(dá)±（2%±0.00005）。在較高頻率下，其誤差增大，電容的測量精度為±（0.5%±0，1PF），介質(zhì)損耗因數(shù)的測量精度為±（2%±0.0002）。

對表面加有電極的試樣的電容，若采用測微計(jì)電極測量時，只要試樣直徑比測微計(jì)電極足夠小，則只需要進(jìn)行極間法向電容的修正。采用其他的一些方法來測量兩電極試樣時，邊緣電容和對地電容的計(jì)算將帶來一些誤差，因?yàn)樗鼈兊恼`差都可達(dá)到試樣電容的2%?40%。根據(jù)目前有關(guān)這些電容資料，計(jì)算邊緣電容的誤差為10%，計(jì)算對地電容的誤差為因此帶來總的誤差是百分之幾十到百分之幾。當(dāng)電極不接地時，對地電容誤差可大大減小。

9、試驗(yàn)報(bào)告

絕緣材料的型號名稱及種類、供貨形式、取樣方法、試樣的形狀及尺寸和取樣日期（并注明試樣厚度和試樣在與電極接觸的表面進(jìn)行處理的情況）；

電極裝置類型，若有加在試樣上的電極應(yīng)注明其類型；

試驗(yàn)時的溫度和相對濕度以及試樣的溫度；

施加的頻率；

介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ（平均值）；

相對電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)值以及由它們計(jì)算得到的值如損耗指數(shù)和損耗角，必要時，應(yīng)給出與溫度和頻率的關(guān)系。

（1）

（單位：皮法和厘米）

邊緣電容的校正

（3）

a）電極直徑=試樣直徑

b）上下電極相等，但比試樣小

表1（續(xù)）

相對電容率

介質(zhì)損耗因數(shù)

符號意義

1.測微計(jì)電極（在空氣中）

若h_o 調(diào)到一個新值h'_o，而△C=0時

tanδ_x= tanδ_c +M·ε_r·△tanδ

C₁——裝有試樣時的電容

C_o——所考慮的區(qū)域上的真空電容，其值為ε_o•A/h₀

ε₁——在試驗(yàn)溫度下的流體相對電容率（對空氣而言ε_r ＝1. 00)

△tanδ——試樣插入時，損耗因數(shù)的增加量

tanδ_x試樣的損耗因數(shù)的計(jì)算值

d₃——外電極的內(nèi)直徑 h₀——平行平板間距

M——h₀ /h—1

注；在二流體法的公式中，腳注1和2分別表示種和第二種流體。

3. 圓柱形電極——流體排出法（用于tanδ小于0.1時）