測(cè)量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻
(包 括 米 波 波 長(zhǎng) 在 內(nèi))
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15H z-300M Hz的頻率范圍內(nèi)測(cè)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(cè)量
本 標(biāo) 準(zhǔn) 適用于測(cè)量液體、易熔材料以及固體材料。測(cè)試結(jié)果與某些物理?xiàng)l件有關(guān)，例如頻率、溫度、
濕度，在特殊情況下也與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)
有 時(shí)在 超 過 10 00V 的電壓下試驗(yàn)，則會(huì)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(duì)此不予
論述
2 規(guī)范性引用文件
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
的修改單(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(lì)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版本。凡是不注日期的引用文件，其版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。
IEC 6 02 47:1978 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 relativep ermittivity
C丁
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 Cx與同樣電極構(gòu)形的真空電
容C 之比:
? ”” ·············。··?(1)
式 中 :
E,— 相 對(duì)電容率;
CX — 充有絕緣材料時(shí)電容器的電極電容;
C — 真 空中電容器的電極電容。
在標(biāo) 準(zhǔn) 大 氣壓下，不含二氧化碳的于燥空氣的相對(duì)電容率?！傅扔?/span>1.00 0.7 3。因此，用這種電極構(gòu)
形在空氣中的電容C。來代替C?測(cè)量相對(duì)電容率。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。r與真空電氣常數(shù)Eo
的乘積
在 S 1制 中，電容率用法/米(F/m )表示。而且。在SI單位中，電氣常數(shù)。、為
‘。=8. 854 X 10 12 F/m c 1 s6a丫10 日F廠m ’“ ““‘。。·? ? (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:E0= 0. 088 54 pF/cm

定義

介質(zhì)損耗角dielectric loss angle
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。

介質(zhì)損耗因數(shù)，，dielectric dissipation factor

tan8損耗角a的正切。

〔介質(zhì)〕損耗指數(shù)
E,該材料的損耗因數(shù)
tan8與相對(duì)電容率:r的乘積

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

式 中 :
E, 一復(fù)相對(duì)電容率;
鮮— 損耗指數(shù);
r一相對(duì)電容率;
tan8一介質(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和電阻R,的串聯(lián)電路表示，或用電容C,和電阻R,(或電導(dǎo)G, )的 并 聯(lián) 電 路表示

CP— 并聯(lián)電容;
R,— 并聯(lián)電阻。
雖然以并聯(lián)電路表示一個(gè)具有介質(zhì)損耗的絕緣材料通常是合適的，但在單一頻率下有時(shí)也需要以電容C,
和電阻R,的串聯(lián)電路來表示。
串聯(lián)元件與并聯(lián)元件之間，成立下列關(guān)系:

式(9), (10), (I)中C?R?C,,R,,tan6同式(7),(8)0
無論串聯(lián)表示法還是并聯(lián)表示法，其介質(zhì)損耗因數(shù)tans是相等的.
假如測(cè)量電路依據(jù)串聯(lián)元件來產(chǎn)生結(jié)果，且tan'8 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
本標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算和側(cè)量是根據(jù)電流(田=2兀/)正弦波形作出的
4 電氣絕緣材料的性能和用途
4. 1 電介質(zhì)的用途
電介 質(zhì) 一 般被用在兩個(gè)不同的方面:
用作 電氣 回路元件的支撐，并且使元件對(duì)地絕緣及元件之間相互絕緣;
用 作 電 容器介質(zhì)。
4.2 影響介電性能的因素
下 面分 別 討論頻率、溫度、濕度和電氣強(qiáng)度對(duì)介電性能的影響。
4.2. 1 頻率
因?yàn)?/span> 只 有 少數(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。r和tans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(cè)量其介質(zhì)損耗因數(shù)和
電容率。
電 容率 和介質(zhì)損耗因數(shù)的變化是由于介質(zhì)極化和電導(dǎo)而產(chǎn)生，醉重要的變化是極性分子引起的偶
極子極化和材料的不均勻性導(dǎo)致的界面極化所引起的。
4.2.2 溫度
損 耗 指 數(shù)在一個(gè)頻率下可以出現(xiàn)一個(gè)醉大值，這個(gè)頻率值與電介質(zhì)材料的溫度有關(guān)。介質(zhì)損耗因
數(shù)和電容率的溫度系數(shù)可以是正的或負(fù)的，這取決于在測(cè)量溫度下的介質(zhì)損耗指數(shù)醉大值位置。
4.2. 3 濕度
極 化 的 程度隨水分的吸收量或電介質(zhì)材料表面水膜的形成而增加，其結(jié)果使電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)
和直流電導(dǎo)率增大。因此試驗(yàn)前和試驗(yàn)時(shí)對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行控制是*的
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)
4.2.4 電場(chǎng)強(qiáng)度
存 在 界 面極化時(shí)，自由離子的數(shù)目隨電場(chǎng)強(qiáng)度增大而增加，其損耗指數(shù)醉大值的大小和位置也隨此
而變。
在較 高 的頻率下，只要電介質(zhì)中不出現(xiàn)局部放電，電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)與電場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)
5 試樣和電極
5.1 固體絕緣材料
5.1.1 試樣的幾何形狀
測(cè)定 材 料 的電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)，采用板狀試樣，也可采用管狀試樣

在測(cè) 定 電容率需要較高精度時(shí)，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(cè)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(duì)1%的度來講，1.5 mm的厚度就足夠了，但是對(duì)于更高度，采用較厚的試樣，例如
6 mm-12 mm 測(cè)量厚度必須使測(cè)量點(diǎn)有規(guī)則地分布在整個(gè)試樣表面上，且厚度均勻度在士1%內(nèi)。
如果材料的密度是已知的，則可用稱量法測(cè)定厚度選取試樣的面積時(shí)應(yīng)能提供滿足精度要求的試樣
電容。測(cè)量10 pF的電容時(shí)，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1 pF,因此
試樣應(yīng)薄些，直徑為10 cm或更大些
需要 測(cè) 低 損耗因數(shù)值時(shí)，很重要的一點(diǎn)是導(dǎo)線串聯(lián)電阻引人的損耗要盡可能地小，即被測(cè)電容和該
電阻的乘積要盡可能小同樣，被測(cè)電容對(duì)總電容的比值要盡可能地表示導(dǎo)線電阻要盡可
能低及試樣電容要小。第二點(diǎn)表示接有試樣橋臂的總電容要盡可能小，且試樣電容要大。因此試樣電
容取值為20 pF，在測(cè)量回路中，與試樣并聯(lián)的電容不應(yīng)大于約5 pF,
5. 1.2 電極系統(tǒng)
5. 1.2. 1 加到試樣上的電極
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(gè)電極難以對(duì)齊時(shí)，其中一個(gè)
電極應(yīng)比另一個(gè)電極大些。已經(jīng)加有電極的試樣應(yīng)放置在兩個(gè)金屬電極之間，這兩個(gè)金屬電極要比試
樣上的電極稍小些。對(duì)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)公式由表飛給出。
對(duì)于 介 質(zhì) 損耗因數(shù)的測(cè)量，這種類型的電極在高頻下不能滿足要求，除非試樣的表面和金屬板都非
常平整。圖〕所示的電極系統(tǒng)也要求試樣厚度均勻
5.1.2.2 試樣上不加電極
表 面 電導(dǎo) 率很低的試樣可以不加電極而將試樣插人電極系統(tǒng)中測(cè)量，在這個(gè)電極系統(tǒng)中，試樣的一
側(cè)或兩側(cè)有一個(gè)充滿空氣或液體的間隙。
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。
下 面 兩 種型式的電極裝置特別合適
5. 1.2.2. 1 空氣填充測(cè)微計(jì)電極
當(dāng)試 樣 插 人和不插人時(shí)，電容都能調(diào)節(jié)到同一個(gè)值，不需進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的電氣校正就能測(cè)定電容
率。電極系統(tǒng)中可包括保護(hù)電極
5. 1.2.2.2 流體排出法
在 電容 率 近似等于試樣的電容率，而介質(zhì)損耗因數(shù)可以忽略的一種液體內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量與試樣厚度測(cè)量的精度關(guān)系不大。當(dāng)相繼采用兩種流體時(shí)，試樣厚度和電極系統(tǒng)的尺寸可以從計(jì)算公式中
消去
試樣 為 與 試驗(yàn)池電極直徑相同的圓片，或?qū)y(cè)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(cè)微計(jì)電極中，為了忽略邊緣效應(yīng)，試樣直徑約比測(cè)微計(jì)電極直徑小兩倍的試樣厚度。
5. 1.2.3 邊緣效應(yīng)
為 了避 免 邊緣效應(yīng)引起電容率的測(cè)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(duì)邊緣電
容進(jìn)行修正，表工給出了近似計(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
此外 ，在 一個(gè)合適的頻率和溫度下，邊緣電容可采用有保護(hù)環(huán)和無保護(hù)環(huán)的(比較)測(cè)量來獲得，用
所得到的邊緣電容修正其他頻率和溫度下的電容也可滿足精度要求
5. 1.3 構(gòu)成電極的材料
5. 1.3. 1 金屬箔電極
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100 pm，也可使用厚度小于10 I'm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(huì)影響測(cè)量結(jié)果，此時(shí)可使用金箔。
5. 1.3.2 燒熔金屬電極
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，采用 噴鍍金屬電極
鋅 或 銅 電極可以噴鍍?cè)谠嚇由?，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?/span>
們不穿透非常小的孔眼。
5. 1.3.4 陰極蒸發(fā)或高真空蒸發(fā)金屬電極
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(shí)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。
5.1.3.5 汞電極和其他液體金屬電極
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(shí)，也應(yīng)采取措施，這是因?yàn)樗恼魵馐怯卸镜?/span>
伍德 合 金 和其他低熔點(diǎn)合金能代替汞。但是這些合金通常含有錫,錫象汞一樣，也是毒性元素。這些
合金只有在良好抽風(fēng)的房間或在抽風(fēng)柜中才能用于100℃以上，且操作人員應(yīng)知道可能產(chǎn)生的健康危害
5.1.3.6 導(dǎo)電漆
無論 是 氣干或低溫烘干的高電導(dǎo)率的銀漆都可用作電極材料。因?yàn)榇朔N電極是多孔的，可透過濕
氣，能使試樣的條件處理在涂上電極后進(jìn)行，對(duì)研究濕度的影響時(shí)特別有用。此種電極的缺點(diǎn)是試樣涂
上銀漆后不能馬上進(jìn)行試驗(yàn)，通常要求12 h以上的氣干或低溫烘干時(shí)間，以便去除所有的微量溶劑，否
則，溶劑可使電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)增加。同時(shí)應(yīng)注意漆中的溶劑對(duì)試樣應(yīng)沒有持久的影響。
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(huì)非常低，此時(shí)則不能使用。
5.1.3.7 石墨
一般 不 推 薦使用石墨，但是有時(shí)候也可采用，特別是在較低的頻率下。石墨的電阻會(huì)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(huì)穿透試樣。
5.1.4 電極的選擇
5.1.4.1 板狀試樣
考 慮 下 面兩點(diǎn)很重要:
a) 不 加 電極，測(cè)量時(shí)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。
b) 若 試 樣上是加電極的，由測(cè)量試樣厚度h時(shí)的相對(duì)誤差△h1h所引起的相對(duì)電容率的相對(duì)誤差

標(biāo)簽：介電常數(shù)測(cè)試儀，介電常數(shù)介質(zhì)損耗測(cè)試儀，高頻介電常數(shù)測(cè)試儀