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
容器組件

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

日期:2019-11-23 11:08
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摘要: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 本标准规定了在15Hz?300MHz的频率范围内测量电容率、介質損耗因數的方法,并由此计算某些数值,如损耗指数。本标准中所叙述的某些方法,也能用于其他频率下测量。 本标准适用于测量液体、易熔材料以及固体材料。测试結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。

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


規範性引用文件

下列文件中的條款通過本標准的引用而成爲本標准的條款。凡是注日期的引用文件,其隨後所有的修改單(不包括勘誤的內容)或修訂版均不適用于本標准,然而,鼓勵根據本標准達成協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准。

IEC60247:1978  液体绝缘材料相對電容率、介質損耗因數和直流电阻率的测量

3術語和定義

下列術語和定義适用于本标准。

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。

在標准大氣壓下,不含二氧化碳的幹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,爲:……………………………(2)

在本標准中,用皮法和厘米來計算電容,真空電氣常數爲:ε0=0.088 54 pF/cm

3.2

介質損耗角dielectric loss angle

δ

由絕緣材料作爲介質的電容器上所施加的電壓與由此而産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

复相對電容率 complex relative permittivity

εr

由相對電容率和損耗指數結合而得到的:

式中:

εr——複相對電容率;

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)並聯電路表示。

并联等值电路                            串联等值电路

体时,若单独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*后要用zui大沸点低于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質損耗因數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。

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複洗滌方法均可去除各部件上的溶劑並放在清潔的烘箱中,在110℃左右的溫度下烘幹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,停幾分鍾後,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,各部件可用幹淨的鈎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爲在每一次試驗後用沒有殘留紙的幹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,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

並按照公式

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,因爲它消除了由于寄生電容或電極間隙數值的不准確測量所引起的誤差。

6測置方法的選擇

测量电容率和介質損耗因數的方法可分成两种零點指示法和諧振法。

6.1零点指示法适用于频率不超过50MHz时的测量。测量电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)和並聯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的頻率範圍內的測量。該方法爲替代法測量,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,爲了滿足要求,應按相關的標准方法的要求來制備。

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範規定進行。

7.3測量

電氣測量按本標准或所使用的儀器(電橋)制造商推薦的標准及相應的方法進行。

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,其相對電容率爲:

 ……………………………(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並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按照所用的测量装置给定的公式,根据测出的数值来计算。

8.3精度要求

在第5章和附錄A中所規定的精度是:電容率精度爲±1%,介質損耗因數的精度为±(5%±0.0005)这些精度至少取决于三个因素:即电容和介質損耗因數的实测精度;所用电极装置引起的这些量的校正精度;极间法向真空电容的计算精度(见表1)。

在较低频率下,电容的测量精度能达±(0.1%土0.02pF),介質損耗因數的测量精度能达±(2%±0.00005)。在较高频率下,其误差增大,电容的测量精度为±(0.5%±0,1PF),介質損耗因數的测量精度为±(2%±0.0002)

对于带有保护电极的试样,其测量精度只考虑极间法向真空电容时有计算误差。但由被保护电极和保护电极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,綜合这些因素,极间法向真空电容的测量误差为±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,因爲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爲10%,計算對地電容的誤差爲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。

采用测微计电极时,数量级是0.03的介質損耗因數可测到真值的±0.0003,数量级0.0002的介質損耗因數可测到真值的±0.00005介質損耗因數的范围通常是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的介質損耗因數。1?5的相對電容率可测到其真值的±2%,该精度不仅受到计算极间法向真空电容测量精度的限制,也受到测微计电极系统误差的限制。

9試驗報告

試驗報告中应给出下列相关内容:

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(並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们计算得到的值如损耗指数和損耗角,必要时,应给出与温度和频率的关系

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 試樣電容的计算——接觸式測微計電極

試樣電容

符號定義’

1.并联一个标准电容器来替代試樣電容

CP——試樣的並聯電容

C——取去試樣後,爲恢複平衡時的標准電容器的電容增量

Cr——在距離爲r時,測微計電極的標定電容

Cs——取去試樣後,恢複平衡,測微計電極間距爲s時的標定電容Cor,Coh——測微計電極之間試樣所占據的,間距分別爲rh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

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

2.取去试样后减少测微计电极间的距离来替代試樣電容

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

3.并联一个标准电容器来替代試樣電容

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爲零。


表3电容率和介質損耗因數的计算——不接觸電極


 

1——測微計頭;

6——微調電容器

2——連接可調電極(B)的金屬波紋管;

7——接檢測器;

3——放试样的空间(試樣電容器M1

8——接到電路上;

4——固定電極(A);

9——可調電極(B)。

5——測微計頭;

 

圖1  用于固體介質測量的測微計——電容器裝置

單位爲毫米

 

1——內電極

1——把柄;

2——外電極;

5——棚矽酸鹽或石英墊圈;

3——保護環

6——硼矽酸鹽或石英墊圈。

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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