GB/T1409測(cè)量電氣絕緣材料電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法

規(guī)范性引用文件

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IEC60247:1978  液體絕緣材料相對(duì)電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測(cè)量

3、術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

3.1

相對(duì)電容率relative permittivity

ε _r

電容器的電極之間及電極周圍的空間全部充以絕緣材料時(shí)，其電容C_x與同樣電極構(gòu)形的真空電容C_o之比；

 ……………………………（1）

式中；

ε_r——相對(duì)電容率;

C_x——充有絕緣材料時(shí)電容器的電極電容；

C_o——真空中電容器的電極電容。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對(duì)電容率ε _r等于1.00053，因此，用這種電極構(gòu)形在空氣中的電容C_x來代替C_o測(cè)量相對(duì)電容率ε_r時(shí)，也有足夠的**度。

在一個(gè)測(cè)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(duì)電容率ε_r與真空電氣常數(shù)ε_r的乘積。

在SI制中，優(yōu)良電容率用法/米（F/m）表示。而且，在SI單位中，電氣常數(shù)ε_r，為：……………………………（2）

在本標(biāo)準(zhǔn)中，用皮法和厘米來計(jì)算電容，真空電氣常數(shù)為:ε₀=0.088 54 pF/cm

3.2

介質(zhì)損耗角dielectric loss angle

δ

由絕緣材料作為介質(zhì)的電容器上所施加的電壓與由此而產(chǎn)生的電流之間的相位差的余角。

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3.3

介質(zhì)損耗因數(shù)^1） dielectric dissipation factor

tanδ

損耗角δ的正切。

3.4

[介質(zhì)]損耗指數(shù) [dielectric] loss index

ε''_r

該材料的損耗因數(shù)tanδ與相對(duì)電容率ε_r的乘積。

3.5

復(fù)相對(duì)電容率 complex relative permittivity

ε_r

由相對(duì)電容率和損耗指數(shù)結(jié)合而得到的：

式中：

ε_r——復(fù)相對(duì)電容率；

ε''_r——損耗指數(shù)；

ε'_r、ε_r——相對(duì)電容率；

tanδ——介質(zhì)損耗因數(shù)。

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。

并聯(lián)等值電路                            串聯(lián)等值電路

體時(shí)，若單獨(dú)使用溶劑不能去除污物，可用一種柔和的擦凈劑和水來清潔試驗(yàn)池的表面。若使用一系列溶劑清洗時(shí)則*后要用zui大沸點(diǎn)低于100°C的分析級(jí)的石油醚來再次清洗，或者用任一種對(duì)一個(gè)已知低電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的液體測(cè)量能給出正確值的溶劑來清洗，并且這種溶劑在化學(xué)性質(zhì)上與被試液體應(yīng)是相似的。推薦使用下述方法進(jìn)行清洗。

試驗(yàn)池應(yīng)全部拆開，徹底地清洗各部件，用瑢劑回流的方法或放在未使用溶劑中攪動(dòng)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。

待試驗(yàn)池的各部件冷卻到室溫，再重新裝配起來。池內(nèi)應(yīng)注人一些待試的液體，停幾分鐘后，倒出此液體再重新倒人待試液體，此時(shí)絕緣支架不應(yīng)被液體弄濕。

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1:在同種質(zhì)量油的常規(guī)試驗(yàn)中，上面所說的淸洗步驟可以代之為在每一次試驗(yàn)后用沒有殘留紙屑的干紙簡(jiǎn)單地擦擦試驗(yàn)池。

注2:采用溶劑時(shí)，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(duì)人體的影響，此外，氧化物溶劑受光作用會(huì)分解。

5.2.3試驗(yàn)池的校正

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

“電極常數(shù)”C。的確定按式（14）:

 ……………………………（14）

式中：

C_c——電極常數(shù)；

C_o——空氣中電極裝置的電容；

C_n——充有校正液體時(shí)電極裝置的電容；

ε_n——校正液體的相對(duì)電容率。

從C。和C_c的差值可求得校正電容C_g

 ……………………………（15）……………………………（16）

并按照公式

來計(jì)算液體未知相對(duì)電容率ε_x。

式中：

C_g——校正電容；

C_o——空氣中電極裝置的電容；

C_c——電極常數(shù)|

C_x——電極裝置充有被試液體時(shí)的電容；

ε_x——液體的相對(duì)電容率。

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(cè)定的，則可求得zui高精度的ε_x值。

采用上述方法測(cè)定液體電介質(zhì)的相對(duì)電容率時(shí)，可保證其測(cè)得結(jié)果有足夠的精度，因?yàn)樗擞捎诩纳娙莼螂姌O間隙數(shù)值的不準(zhǔn)確測(cè)量所引起的誤差。

6、測(cè)置方法的選擇

測(cè)量電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的方法可分成兩種：零點(diǎn)指示法和諧振法。

6.1零點(diǎn)指示法適用于頻率不超過50MHz時(shí)的測(cè)量。測(cè)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(gè)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)。

6.2諧振法適用于10kHz?幾百M(fèi)Hz的頻率范圍內(nèi)的測(cè)量。該方法為替代法測(cè)量，常用的是變電抗法。但該方法不適和采用保護(hù)電極。

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**的，敘述電橋和測(cè)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、試驗(yàn)步驟

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7.1試樣的制備

試樣應(yīng)從固體材料上截取，為了滿足要求，應(yīng)按相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)方法的要求來制備。

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

7.2條件處理

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

7.3測(cè)量

電氣測(cè)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。

在1MHz或更高頻率下，必須減小接線的電感對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。此時(shí)，可采用同軸接線系統(tǒng)（見圖1所示），當(dāng)用變電抗法測(cè)量時(shí)，應(yīng)提供一個(gè)固定微調(diào)電容器。

8、結(jié)果

8.1相對(duì)電容率ε_r

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

 ……………………………（17）

式中：

ε_r——相對(duì)電容率；

C'_x——沒有保護(hù)電極時(shí)試樣的電容；

C_e——邊緣電容;

C_o——法向極間電容；

C_o和C_e能從表1計(jì)算得來。

必要時(shí)應(yīng)對(duì)試樣的對(duì)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。

測(cè)微計(jì)電極間或不接觸電極間被測(cè)試樣的相對(duì)電容率可按表2、表3中相應(yīng)的公式計(jì)算得來。

8.2介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ

介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ按照所用的測(cè)量裝置給定的公式，根據(jù)測(cè)出的數(shù)值來計(jì)算。

8.3精度要求

在第5章和附錄A中所規(guī)定的精度是：電容率精度為±1%，介質(zhì)損耗因數(shù)的精度為±（5%±0.0005）。這些精度至少取決于三個(gè)因素：即電容和介質(zhì)損耗因數(shù)的實(shí)測(cè)精度；所用電極裝置引起的這些量的校正精度；極間法向真空電容的計(jì)算精度（見表1）。

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

對(duì)于帶有保護(hù)電極的試樣，其測(cè)量精度只考慮極間法向真空電容時(shí)有計(jì)算誤差。但由被保護(hù)電極和保護(hù)電極之間的間隙太寬而引起的誤差通常大到百分之零點(diǎn)幾，而校正只能計(jì)算到其本身值的百分乏幾。如果試樣厚度的測(cè)量能**到±0.005mm，則對(duì)平均厚度為1.6mm的試樣，其厚度測(cè)量誤差能達(dá)到百分之零點(diǎn)幾。圓形試樣的直徑能測(cè)定到±0.1%的精度，但它是以平方的形式引人誤差的，綜合這些因素，極間法向真空電容的測(cè)量誤差為±0.5%。

對(duì)表面加有電極的試樣的電容，若采用測(cè)微計(jì)電極測(cè)量時(shí)，只要試樣直徑比測(cè)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(cè)量?jī)呻姌O試樣時(shí)，邊緣電容和對(duì)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(duì)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(shí)，對(duì)地電容誤差可大大減小。

采用測(cè)微計(jì)電極時(shí)，數(shù)量級(jí)是0.03的介質(zhì)損耗因數(shù)可測(cè)到真值的±0.0003，數(shù)量級(jí)0.0002的介質(zhì)損耗因數(shù)可測(cè)到真值的±0.00005介質(zhì)損耗因數(shù)的范圍通常是0.0001?0.1，但也可擴(kuò)展到0.1以上。頻率在10MHz和20MHz之間時(shí)，有可能檢測(cè)出0.00002的介質(zhì)損耗因數(shù)。1?5的相對(duì)電容率可測(cè)到其真值的±2%，該精度不僅受到計(jì)算極間法向真空電容測(cè)量精度的限制，也受到測(cè)微計(jì)電極系統(tǒng)誤差的限制。

9、試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)給出下列相關(guān)內(nèi)容：

絕緣材料的型號(hào)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）；

試樣條件處理的方法和處理時(shí)間；

電極裝置類型，若有加在試樣上的電極應(yīng)注明其類型；

測(cè)量?jī)x器；

試驗(yàn)時(shí)的溫度和相對(duì)濕度以及試樣的溫度；

施加的電壓；

施加的頻率；

相對(duì)電容率ε_r（平均值）；

介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ（平均值）；

試驗(yàn)日期；

相對(duì)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(shí)，應(yīng)給出與溫度和頻率的關(guān)系。

表1  真空電容的計(jì)算和邊緣校正

試樣的相對(duì)電容率：

其中：

C'_x——電極之間被測(cè)的電容；

In——自然對(duì)數(shù)；

Ig——常用對(duì)數(shù)。

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表2 試樣電容的計(jì)算——接觸式測(cè)微計(jì)電極

表3電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的計(jì)算——不接觸電極

圖1  用于固體介質(zhì)測(cè)量的測(cè)微計(jì)——電容器裝置

單位為毫米

圖2  液體測(cè)量的三電極試驗(yàn)池示例

注滿試驗(yàn)池所需的液體量大約15mL

1——溫度計(jì)插孔；

2——絕緣子；

3——過剩液體溢流的兩個(gè)出口。

圖3  測(cè)量液體的兩電極試驗(yàn)池示例

1——溫度計(jì)插孔；

2——1mm厚的金屬板；

3——石英玻璃；

4——1mm或2mm的間隙；

5——溫度計(jì)插孔