GB/T1409測量電氣絕緣材料電容率和介質損耗因數的推薦方法
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規范性引用文件
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IEC60247:1978 液體絕緣材料相對電容率、介質損耗因數和直流電阻率的測量
3、術語和定義
下列術語和定義適用于本標準。
3.1
相對電容率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，其電容Cx與同樣電極構形的真空電容Co之比；
……………………………（1）
式中；
εr——相對電容率;
Cx——充有絕緣材料時電容器的電極電容；
Co——真空中電容器的電極電容。
在標準大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對電容率ε r等于1.00053，因此，用這種電極構形在空氣中的電容Cx來代替Co測量相對電容率εr時，也有足夠的**度。
在一個測量系統中，絕緣材料的電容率是在該系統中絕緣材料的相對電容率εr與真空電氣常數εr的乘積。
在SI制中，優良電容率用法/米（F/m）表示。而且，在SI單位中，電氣常數εr，為：
……………………………（2）
在本標準中，用皮法和厘米來計算電容，真空電氣常數為:ε0=0.088 54 pF/cm
3.2
介質損耗角dielectric loss angle
δ
由絕緣材料作為介質的電容器上所施加的電壓與由此而產生的電流之間的相位差的余角。
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3.3
介質損耗因數1） dielectric dissipation factor
tanδ
損耗角δ的正切。
3.4
[介質]損耗指數 [dielectric] loss index
ε''r
該材料的損耗因數tanδ與相對電容率εr的乘積。
3.5
復相對電容率 complex relative permittivity
εr
由相對電容率和損耗指數結合而得到的：
式中：
εr——復相對電容率；
ε''r——損耗指數；
ε'r、εr——相對電容率；
tanδ——介質損耗因數。
注：有損耗的電容器在任何給定的頻率下能用電容Cs和電阻Rs的串聯電路表示，或用電容CP和電阻RP（或電導CP）并聯電路表示。
并聯等值電路 串聯等值電路
體時，若單獨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池的表面。若使用一系列溶劑清洗時則*后要用zui大沸點低于100°C的分析級的石油醚來再次清洗，或者用任一種對一個已知低電容率和介質損耗因數的液體測量能給出正確值的溶劑來清洗，并且這種溶劑在化學性質上與被試液體應是相似的。推薦使用下述方法進行清洗。
試驗池應全部拆開，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反復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。
待試驗池的各部件冷卻到室溫，再重新裝配起來。池內應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，此時絕緣支架不應被液體弄濕。
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，以使試驗池有效的內表面不與手接觸。
注1:在同種質量油的常規試驗中，上面所說的淸洗步驟可以代之為在每一次試驗后用沒有殘留紙屑的干紙簡單地擦擦試驗池。
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。
5.2.3試驗池的校正
當需要高精度測定液體電介質的相對電容率時，應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'。
“電極常數”C。的確定按式（14）:
……………………………（14）
式中：
Cc——電極常數；
Co——空氣中電極裝置的電容；
Cn——充有校正液體時電極裝置的電容；
εn——校正液體的相對電容率。
從C。和Cc的差值可求得校正電容Cg
……………………………（15）……………………………（16）
并按照公式
來計算液體未知相對電容率εx。
式中：
Cg——校正電容；
Co——空氣中電極裝置的電容；
Cc——電極常數|
Cx——電極裝置充有被試液體時的電容；
εx——液體的相對電容率。
假如Co、Cn和Cx值是在εn是已知的某一相同溫度下測定的，則可求得zui高精度的εx值。
采用上述方法測定液體電介質的相對電容率時，可保證其測得結果有足夠的精度，因為它消除了由于寄生電容或電極間隙數值的不準確測量所引起的誤差。
6、測置方法的選擇
測量電容率和介質損耗因數的方法可分成兩種：零點指示法和諧振法。
6.1零點指示法適用于頻率不超過50MHz時的測量。測量電容率和介質損耗因數可用替代法；也就是在接入試樣和不接試樣兩種狀態下，調節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T型網絡。變壓器電橋的優點：采用保護電極不需任何外加附件或過多操作，就可采用保護電極；它沒有其他網絡的缺點。
6.2諧振法適用于10kHz?幾百MHz的頻率范圍內的測量。該方法為替代法測量，常用的是變電抗法。但該方法不適和采用保護電極。
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，敘述電橋和測量方法報導見有關文獻和該種儀器的原理說明書。
7、試驗步驟
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7.1試樣的制備
試樣應從固體材料上截取，為了滿足要求，應按相關的標準方法的要求來制備。
應**地測量厚度，使偏差在±（0.2%土0.005mm）以內，測量點應均勻地分布在試樣表面。必要時，應測其有效面積。
7.2條件處理
條件處理應按相關規范規定進行。
7.3測量
電氣測量按本標準或所使用的儀器（電橋）制造商推薦的標準及相應的方法進行。
在1MHz或更高頻率下，必須減小接線的電感對測量結果的影響。此時，可采用同軸接線系統（見圖1所示），當用變電抗法測量時，應提供一個固定微調電容器。
8、結果
8.1相對電容率εr
試樣加有保護電極時其相對電容率εr可按公式（1）計算，沒有保護電極時試樣的被測電容C'x包括了一個微小的邊緣電容Ce，其相對電容率為：
……………………………（17）
式中：
εr——相對電容率；
C'x——沒有保護電極時試樣的電容；
Ce——邊緣電容;
Co——法向極間電容；
Co和Ce能從表1計算得來。
必要時應對試樣的對地電容、開關觸頭之間的電容及等值串聯和并聯電容之間的差值進行校正。
測微計電極間或不接觸電極間被測試樣的相對電容率可按表2、表3中相應的公式計算得來。
8.2介質損耗因數tanδ
介質損耗因數tanδ按照所用的測量裝置給定的公式，根據測出的數值來計算。
8.3精度要求
在第5章和附錄A中所規定的精度是：電容率精度為±1%，介質損耗因數的精度為±（5%±0.0005）。這些精度至少取決于三個因素：即電容和介質損耗因數的實測精度；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算精度（見表1）。
在較低頻率下，電容的測量精度能達±（0.1%土0.02pF），介質損耗因數的測量精度能達±（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），介質損耗因數的測量精度為±（2%±0.0002）。
對于帶有保護電極的試樣，其測量精度只考慮極間法向真空電容時有計算誤差。但由被保護電極和保護電極之間的間隙太寬而引起的誤差通常大到百分之零點幾，而校正只能計算到其本身值的百分乏幾。如果試樣厚度的測量能**到±0.005mm，則對平均厚度為1.6mm的試樣，其厚度測量誤差能達到百分之零點幾。圓形試樣的直徑能測定到±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量誤差為±0.5%。
對表面加有電極的試樣的電容，若采用測微計電極測量時，只要試樣直徑比測微計電極足夠小，則只需要進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算將帶來一些誤差，因為它們的誤差都可達到試樣電容的2%?40%。根據目前有關這些電容資料，計算邊緣電容的誤差為10%，計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。當電極不接地時，對地電容誤差可大大減小。
采用測微計電極時，數量級是0.03的介質損耗因數可測到真值的±0.0003，數量級0.0002的介質損耗因數可測到真值的±0.00005介質損耗因數的范圍通常是0.0001?0.1，但也可擴展到0.1以上。頻率在10MHz和20MHz之間時，有可能檢測出0.00002的介質損耗因數。1?5的相對電容率可測到其真值的±2%，該精度不僅受到計算極間法向真空電容測量精度的限制，也受到測微計電極系統誤差的限制。
9、試驗報告
試驗報告中應給出下列相關內容：
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行處理的情況）；
試樣條件處理的方法和處理時間；
電極裝置類型，若有加在試樣上的電極應注明其類型；
測量儀器；
試驗時的溫度和相對濕度以及試樣的溫度；
施加的電壓；
施加的頻率；
相對電容率εr（平均值）；
介質損耗因數tanδ（平均值）；
試驗日期；
相對電容率和介質損耗因數值以及由它們計算得到的值如損耗指數和損耗角，必要時，應給出與溫度和頻率的關系。
表1 真空電容的計算和邊緣校正
試樣的相對電容率：
其中：
C'x——電極之間被測的電容；
In——自然對數；
Ig——常用對數。
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表2 試樣電容的計算——接觸式測微計電極
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試樣電容 |
注 |
符號定義’ |
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1.并聯一個標準電容器來替代試樣電容 |
CP——試樣的并聯電容 △C——取去試樣后，為恢復平衡時的標準電容器的電容增量 Cr——在距離為r時，測微計電極的標定電容 Cs——取去試樣后，恢復平衡，測微計電極間距為s時的標定電容Cor，Coh——測微計電極之間試樣所占據的，間距分別為r或h的空氣電容。可用表1中的公式1來計算r——試樣與所加電極的厚度 h——試樣厚度
相對電容率: |
|
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CP=△C+Cor |
試樣直徑至少比測微計電極的直徑小2r。在計算電容率時必須采用試樣的真實厚度h和面積A。 |
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|
2.取去試樣后減少測微計電極間的距離來替代試樣電容 |
||
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CP=Cs-Cr+Cor |
試樣直徑至少比測微計電極的直徑小2r。在計算電容率時必須采用試樣的真實厚度h和面積A。 |
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3.并聯一個標準電容器來替代試樣電容 當試樣與電極的直徑同樣大小時，僅存在一個微小的誤差（因電極邊緣電場畸變引起0.2%?0.5%的誤差），因而可以避免空氣電容的兩次計算。 |
||
|
CP=△C+Coh |
試樣直徑等于測微計電極直徑，施于試樣上的電極的厚度為零。 |
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表3電容率和介質損耗因數的計算——不接觸電極
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1——測微計頭； |
6——微調電容器； |
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2——連接可調電極（B)的金屬波紋管； |
7——接檢測器； |
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3——放試樣的空間（試樣電容器M1； |
8——接到電路上； |
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4——固定電極（A）； |
9——可調電極（B）。 |
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5——測微計頭； |
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圖1 用于固體介質測量的測微計——電容器裝置
單位為毫米
|
1——內電極； |
1——把柄； |
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2——外電極； |
5——棚硅酸鹽或石英墊圈； |
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3——保護環； |
6——硼硅酸鹽或石英墊圈。 |
圖2 液體測量的三電極試驗池示例
注滿試驗池所需的液體量大約15mL
1——溫度計插孔；
2——絕緣子；
3——過剩液體溢流的兩個出口。
圖3 測量液體的兩電極試驗池示例
1——溫度計插孔；
2——1mm厚的金屬板；
3——石英玻璃；
4——1mm或2mm的間隙；
5——溫度計插孔
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