介电常数测试仪参数

介电常数测试仪参数

1、范围

本标准适用于测量液体、易熔材料以及固体材料。测试结果与某些物理条件有关，例如频率、温度、湿度，在特殊情况下也与电场强度有关。

2、规范性引用文件

IEC60247:1978  液体绝缘材料相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量

下列术语和定义适用于本标准。

相对电容率relative permittivity

电容器的电之间及电周围的空间全部充以绝缘材料时，其电容C_x与同样电构形的真空电容C_o之比；

式中；

C_x——充有绝缘材料时电容器的电电容；

在标准大气压下，不含二氧化碳的干燥空气的相对电容率ε _r等于1.00053，因此，用这种电构形在空气中的电容C_x来代替C_o测量相对电容率ε_r时，也有足够的度。

在SI制中，电容率用法/米（F/m）表示。而且，在SI单位中，电气常数ε_r，为：

在本标准中，用皮法和厘米来计算电容，真空电气常数为:ε₀=0.088 54 pF/cm

介质损耗角dielectric loss angle

由绝缘材料作为介质的电容器上所施加的电压与由此而产生的电流之间的相位差的余角。

介质损耗因数^1） dielectric dissipation factor

损耗角δ的正切。

[介质]损耗指数 [dielectric] loss index

该材料的损耗因数tanδ与相对电容率ε_r的乘积。

复相对电容率 complex relative permittivity

由相对电容率和损耗指数结合而得到的：

式中：

ε''_r——损耗指数；

tanδ——介质损耗因数。

                 并联等值电路                                                                 串联等值电路

式中：

R_s——串联电阻；

C_P——并联电容；

虽然以并联电路表示一个具有介质损耗的绝缘材料通常是合适的，但在单一频率下，有时也需要以电容C_s和电阻R_s的串联电路来表示。

无论串联表示法还是并联表示法，其介质损耗因数tanδ是相等的。

本标准中的计算和测量是根据电流（ω=πf）正弦波形作出的。

4.1电介质的用途

用作电气回路元件的支撑，并且使元件对地绝缘及元件之间相互绝缘；

4.2影响介电性能的因素

4.2.1频率

电容率和介质损耗因数的变化是由于介质化和电导而产生，重要的变化是性分子引起的偶子化和材料的不均匀性导致的界面化所引起的。

损耗指数在一个频率下可以出现一个值，这个频率值与电介质材料的温度有关。介质损耗因数和电容率的温度系数可以是正的或负的，这取决于在测量温度下的介质损耗指数值位置。

化的程度随水分的吸收量或电介质材料表面水膜的形成而增加，其结果使电容率、介质损耗因数和直流电导率增大。因此试验前和试验时对环境湿度进行控制是*的。

4.2.4电场强度

在较高的频率下，只要电介质中不出现局部放电，电容率和介质损耗因数与电场强度无关。

5.1固体绝缘材料

测定材料的电容率和介质损耗因数，好采用板状试样，也可采用管状试样。

需要测低损耗因数值时，很重要的一点是导线串联电阻引人的损耗要尽可能地小，即被测电容和该电阻的乘积要尽可能小。同样，被测电容对总电容的比值要尽可能地大。点表示导线电阻要尽可能低及试样电容要小,第二点表示接有试样桥臂的总电容要尽可能小，且试样电容要大。因此试样电容好取值为20pF，在测量回路中，与试样并联的电容不应大于约5pF，

5.1.2.1加到试样上的电

对于介质损耗因数的测量，这种类型的电在高频下不能满足要求，除非试样的表面和金属板都非常平整。图1所示的电系统也要求试样厚度均匀。.

表面电导率很低的试样可以不加电而将试样插入电系统中测量，在这个电系统中，试样的一侧或两侧有一个充满空气或液体的间隙。

下面两种型式的电装置特别合适.

当试样插入和不插人时，电容都能调节到同一个值，不需进行测量系统的电气校正就能测定电容率。电系统中可包括保护电。

在电容率近似等于试样的电容率，而介质损耗因数可以忽略的一种液体内进行测量，这种测量与试样厚度测量的精度关系不大。当相继采用两种流体时，试样厚度和电系统的尺寸可以从计算公式中消去。

5.1.2.3边缘效应

此外，在一个合适的频率和温度下，边缘电容可采用有保护环和无保护环的（比较）测量来获得，用所得到的边缘电容修正其他频率和温度下的电容也可满足精度要求。

5.1.3.1金属箔电

5.1.3.2烧熔金属电

5.1.3.3喷镀金属电

5.1.3.4阴蒸发或高真空蒸发金属电

5.1.3.5汞电和其他液体金属电

伍德合金和其他低熔点合金能代替汞。但是这些合金通常含有镉，镉象汞一样，也是毒性元素。这些合金只有在良好抽风的房间或在抽风柜中才能用于100℃以上，且操作人员应知道可能产生的健康危害。

无论是气干或低温烘干的高电导率的银漆都可用作电材料。因为此种电是多孔的，可透过湿气，能使试样的条件处理在涂上电后进行，对研究湿度的影响时特别有用。此种电的缺点是试样涂上银漆后不能马上进行试验，通常要求12h以上的气干或低温烘干时间，以便去除所有的微量溶剂，否则，溶剂可使电容率和介质损耗因数增加。同时应注意漆中的溶剂对试样应没有持久的影响。

5.1.3.7石墨

5.1.4电的选择

考虑下面两点很重要：

b）若试样上是加电的，由测量试样厚度h时的相对误差△h/h所引起的相对电容率的相对误差△ε_r/ε_r可由下式得到：

式中：

ε_r——相对电容率；

Ah——试样厚度的偏差。

 ……………………………（13）

△ε_r、ε_r、h同式（12）。

对于相对电容率为10以上的无孔材料，可采用沉积金属电。对于这些材料，电应覆盖在试样的整个表面上，并且不用保护电。对于相对电容率在3〜10之间的材料，能给出高精度的电是金属箔、汞或沉积金属，选择这些电时要注意适合材料的性能。若厚度的测量能达到足够精度时，试样上不加电的方法方便而更可取。假如有一种合适的流体，它的相对电容率已知或者能很准确地测出，则采用流体排出法是好的。

对管状试样而言，合适的电系统将取决于它的电容率、管壁厚度、直径和所要求的测量精度。一般情况下，电系统应为一个内电和一个稍为窄一些的外电和外电两端的保护电组成，外电和保护电之间的间隙应比管壁厚度小。对小直径和中等直径的管状试样，外表面可加三条箔带或沉积金属带，中间一条用作为外电（测量电），两端各有一条用作保护电。内电可用汞，沉积金属膜或配合较好的金属芯轴。

大直径的管状或圆筒形试样，其电系统可以是圆形或矩形的搭接，并且只对管的部分圆周进行试验。这种试样可按板状试样对待，金属箔、沉积金属膜或配合较好的金属芯轴内电与金属箔或沉积金属膜的外电和保护电一起使用。如采用金属箔做内电，为了保证电和试样之间的良好接触，需在管内采用一个弹性的可膨胀的夹具。

5.2液体绝缘材料

对于低介质损耗因数的待测液体，电系统重要的特点是：容易清洗、再装配（必要时）和灌注液体时不移动电的相对位置。此外还应注意：液体需要量少，电材料不影响液体，液体也不影响电材料，温度易于控制，端点和接线能适当地屏蔽；支撑电的绝缘支架应不浸沉在液体中，还有，试验池不应含有太短的爬电距离和尖锐的边缘，否则能影响测量精度。

由于有些液体如氯化物，其介质损耗因数与电材料有明显的关系，不锈钢电不总是合适的。有时，用铝和杜拉铝制成的电能得到比较稳定的结果。

应用一种或几种合适的溶剂来清洗试验池，或用不含有不稳定化合物的溶剂多次清洗。可以通过化学试验方法检查其纯度，或通过一个已知的低电容率和介质损耗因数的液体试样测量的结果来确定。3试验池试验几种类型的绝缘液体时，若单使用溶剂不能去除污物，可用一种柔和的擦净剂和水来清洁试验池的表面。若使用一系列溶剂清洗时则要用沸点低于100°C的分析级的石油醚来再次清洗，或者用任一种对一个已知低电容率和介质损耗因数的液体测量能给出正确值的溶剂来清洗，并且这种溶剂在化学性质上与被试液体应是相似的。推荐使用下述方法进行清洗。

待试验池的各部件冷却到室温，再重新装配起来。池内应注人一些待试的液体，停几分钟后，倒出此液体再重新倒人待试液体，此时绝缘支架不应被液体弄湿。

注1:在同种质量油的常规试验中，上面所说的淸洗步骤可以代之为在每一次试验后用没有残留纸屑的干纸简单地擦擦试验池。

5.2.3试验池的校正

“电常数”C。的确定按式（14）:

式中：

C_o——空气中电装置的电容；

ε_n——校正液体的相对电容率。

来计算液体未知相对电容率ε_x。

C_g——校正电容；

C_c——电常数|

ε_x——液体的相对电容率。

采用上述方法测定液体电介质的相对电容率时，可保证其测得结果有足够的精度，因为它消除了由于寄生电容或电间隙数值的不准确测量所引起的误差。

测量电容率和介质损耗因数的方法可分成两种：零点指示法和谐振法。

6.2谐振法适用于10kHz〜几百MHz的频率范围内的测量。该方法为替代法测量，常用的是变电抗法。但该方法不适合采用保护电。

7、试验步骤

试样应从固体材料上截取，为了满足要求，应按相关的标准方法的要求来制备。

7.2条件处理

7.3测量

在1MHz或更高频率下，必须减小接线的电感对测量结果的影响。此时，可采用同轴接线系统（见图1所示），当用变电抗法测量时，应提供一个固定微调电容器。

8.1相对电容率ε_r

 ……………………………（17）

ε_r——相对电容率；

C_e——边缘电容;

C_o和C_e能从表1计算得来。

测微计电间或不接触电间被测试样的相对电容率可按表2、表3中相应的公式计算得来。

介质损耗因数tanδ按照所用的测量装置给定的公式，根据测出的数值来计算。

在第5章和附录A中所规定的精度是：电容率精度为±1%，介质损耗因数的精度为±（5%±0.0005）。这些精度至少取决于三个因素：即电容和介质损耗因数的实测精度；所用电装置引起的这些量的校正精度；间法向真空电容的计算精度（见表1）。

对于带有保护电的试样，其测量精度只考虑间法向真空电容时有计算误差。但由被保护电和保护电之间的间隙太宽而引起的误差通常大到百分之零点几，而校正只能计算到其本身值的百分乏几。如果试样厚度的测量能到±0.005mm，则对平均厚度为1.6mm的试样，其厚度测量误差能达到百分之零点几。圆形试样的直径能测定到±0.1%的精度，但它是以平方的形式引人误差的，综合这些因素，间法向真空电容的测量误差为±0.5%。

采用测微计电时，数量级是0.03的介质损耗因数可测到真值的±0.0003，数量级0.0002的介质损耗因数可测到真值的±0.00005介质损耗因数的范围通常是0.0001〜0.1，但也可扩展到0.1以上。频率在10MHz和20MHz之间时，有可能检测出0.00002的介质损耗因数。1〜5的相对电容率可测到其真值的±2%，该精度不仅受到计算间法向真空电容测量精度的限制，也受到测微计电系统误差的限制。

试验报告中应给出下列相关内容：

试样条件处理的方法和处理时间；

测量仪器；

施加的电压；

相对电容率ε_r（平均值）；

试验日期；

表1  真空电容的计算和边缘校正

（1）

（单位：皮法和厘米）

边缘电容的校正

（3）

3.有保护环的圆柱形电

4.没有保护环的圆柱形电

其中：ε₁ 是试样相对电容率的近似值

其中：

In——自然对数；

表2 试样电容的计算——接触式测微计电

单位为毫米

1——内电；

2——外电；

3——保护环；

图2  液体测量的三电试验池示例

注满试验池所需的液体量大约15mL

2——绝缘子；

图3  测量液体的两电试验池示例

1——温度计插孔；

3——石英玻璃；

5——温度计插孔

<span "="" style="margin: 0px; padding: 0px; line-height: initial;">图4  液体测量的平板两电试验池