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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
Recommended methods for the determination of the permittivity and dielectric dissipation factor of electrical insulating materials at power，audio and radio frequencies including meter wavelengths.
(IEC 60250:1969，MOD)
前 言
本標(biāo)準(zhǔn)修改采用IEC 60250:1969《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》(英文版)。
本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)IEC 60250:1969重新起草。在附錄B中列出了本標(biāo)準(zhǔn)章條編號(hào)與IEC6 0250:1969章條編號(hào)的對(duì)照一覽表。
考慮到我國(guó)國(guó)情，在采用 IEC 60250:1969時(shí)，本標(biāo)準(zhǔn)做了一些修改。有關(guān)技術(shù)性差異已編入正文中并在它們所涉及的條款的頁(yè)邊空白處用垂直單線標(biāo)識(shí)。
為便于使用，本標(biāo)準(zhǔn)做了下列編輯性修改:
a)刪除標(biāo)準(zhǔn)的目次和前言;
b)用小數(shù)點(diǎn)‘.’代替作為小數(shù)點(diǎn)的逗號(hào)‘，’;
c)引用的IEC 60247，由“Measurement of relative permittivity，dielectric dissipation factor and d.c . resistivit y of insulating liquids"即“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 ”代 替 “ Recommended Test c ells for Measuring the Resistivity of Insulating Liquids and Methods of cleaning the cells”即“測(cè)量絕緣液體電阻率的試驗(yàn)池及清洗試驗(yàn)池的推薦方法 ”;
d)用 “εr”代替“εrk ”;
e)增加了“術(shù)語(yǔ)”;
f)增加公式中符號(hào)說明:
g)圖按GB/T 1.1 -2000標(biāo)注.
本標(biāo)準(zhǔn)與GB/T 1409--1988的相比，主要變化如下:
1）增加“規(guī)范性引用文件”(本標(biāo)準(zhǔn)第2章);
2)增加“電介質(zhì)用途”(本標(biāo)準(zhǔn)4.1) ;
3)刪去導(dǎo)電橡皮:
4)增加石墨”(本標(biāo)準(zhǔn)5.1.3);
5)增加“液體絕緣材料”,(本標(biāo)準(zhǔn)5.2）。
本標(biāo)準(zhǔn)代替GB/T1409-1988《固體絕緣材料在工頻、音頻、高頻(包括米波長(zhǎng)在內(nèi))下相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)的試驗(yàn)方法》。
本標(biāo)準(zhǔn)的附錄A、附錄B為資料性附錄。
本標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)提出。
本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)絕緣材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸。
本標(biāo)準(zhǔn)起草單位:桂林電器科學(xué)研究所。
本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人:王先鋒、谷曉麗。
本標(biāo)準(zhǔn)所代替標(biāo)準(zhǔn)的歷次版本發(fā)布情況為:
—— GB/T 1409-1978;
—— GB/T1409- 1988
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15Hz-300MHz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1000V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。
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)。
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
下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。
3.1 相對(duì)電容率 relative permittivity
εr
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C0之比:
…………（1）
式中:
εr——相對(duì)電容率；
Cx——充有絕緣材料時(shí)電容器的電極電容；
C0——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εr等于1.00053。因此，用這種電極構(gòu)形在空氣中的電容Ca來代替C0測(cè)量相對(duì)電容率εr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εr與真空電氣常數(shù)ε0的乘積。
在SI制中，電容率用法/米(F/m )表示。而且,在SI單位中，電氣常數(shù)ε0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:
…………（3）
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。
3.3 介質(zhì)損耗因數(shù) dielectric dissipation factor
tanδ
損耗角δ的正切。
3.4 〔介質(zhì)〕損耗指數(shù) [dielectric] loss index
εr”
該材料的損耗因數(shù)tanδ與相對(duì)電容率εr的乘積。
3.5 復(fù)相對(duì)電容率 complex relative permittivity
εr
由相對(duì)電容率和損耗指數(shù)結(jié)合而得到的:
………………（3）
………………（4）
………………（5）
………………（6）
式中：
εr——復(fù)相對(duì)電容率;
εr”——損耗指數(shù)；
εr’、 εr——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Cs和電阻Rs的串聯(lián)電路表示，或用電容Cp和電阻Rp或電導(dǎo)Gp )的并聯(lián)電路表示。
并聯(lián)等值電路 串聯(lián)等值電路
……（7） 
……（8）
式中：
Cs——串聯(lián)電容；
Rs——串聯(lián)電阻；
Cp——并聯(lián)電容；
Rp——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Cs和電阻Rs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:
………………（9）
………………（10）
………………（11）
式(9), (10), (11)中Cs、Rs、Cp、Rp、tanδ同式(7),(8)。
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)tanδ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tanδ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(ω=2πf)正弦波形作出的。
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)橹挥猩贁?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εr和tanδ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，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)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)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)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)。
5.1 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)，大的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，1.5mm的厚度就足夠了，但是對(duì)于更高度，是采用較厚的試樣，例如6mm-12mm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±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1pF,因此試樣應(yīng)薄些，直徑為10cm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)電阻引入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大。第1點(diǎn)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20pF，在測(cè)量回路中，與試樣并聯(lián)的電容不應(yīng)大于約5pF。
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1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1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)試樣插入和不插入時(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1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，其厚度大為100μm，也可使用厚度小于10 μm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，采用金。
5.1.3.3 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)樗鼈儾淮┩阜浅Ｐ〉目籽邸?/span>
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)樗恼魵馐怯卸镜摹?/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鎘, 鎘像汞一樣，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12h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△h/h所引起的相對(duì)電容率的相對(duì)誤差△εr/εr可由下式得到：
……………………………（12）
式中：
△εr——相對(duì)電容率的偏差；
εr——相對(duì)電容率；
h——試樣厚度；
Ah——試樣厚度的偏差。
若試樣上加電極，且試樣放在有固定距離S>h的兩個(gè)電極之間，這時(shí)
……………………………（13）
式中：
△εr、εr、h同式（12）。
εr——試樣浸入所用流體的相對(duì)電容率，對(duì)于在空氣中的測(cè)量則εr等于1。
對(duì)于相對(duì)電容率為10以上的無孔材料，可采用沉積金屬電極。對(duì)于這些材料，電極應(yīng)覆蓋在試樣的整個(gè)表面上，并且不用保護(hù)電極。對(duì)于相對(duì)電容率在3?10之間的材料，能給出zui高精度的電極是金屬箔、汞或沉積金屬，選擇這些電極時(shí)要注意適合材料的性能。若厚度的測(cè)量能達(dá)到足夠精度時(shí)，試樣上不加電極的方法方便而更可取。假如有一種合適的流體，它的相對(duì)電容率已知或者能很準(zhǔn)確地測(cè)出，則采用流體排出法是zui好的。
5.1.4.2管狀試樣
對(duì)管狀試樣而言，合適的電極系統(tǒng)將取決于它的電容率、管壁厚度、直徑和所要求的測(cè)量精度。一般情況下，電極系統(tǒng)應(yīng)為一個(gè)內(nèi)電極和一個(gè)稍為窄一些的外電極和外電極兩端的保護(hù)電極組成，外電極和保護(hù)電極之間的間隙應(yīng)比管壁厚度小。對(duì)小直徑和中等直徑的管狀試樣，外表面可加三條箔帶或沉積金屬帶，中間一條用作為外電極（測(cè)量電極），兩端各有一條用作保護(hù)電極。內(nèi)電極可用汞，沉積金屬膜或配合較好的金屬芯軸。
高電容率的管狀試樣，其內(nèi)電極和外電極可以伸展到管狀試樣的全部長(zhǎng)度上，可以不用保護(hù)電極。
大直徑的管狀或圓筒形試樣，其電極系統(tǒng)可以是圓形或矩形的搭接，并且只對(duì)管的部分圓周進(jìn)行試驗(yàn)。這種試樣可按板狀試樣對(duì)待，金屬箔、沉積金屬膜或配合較好的金屬芯軸內(nèi)電極與金屬箔或沉積金屬膜的外電極和保護(hù)電極一起使用。如采用金屬箔做內(nèi)電極，為了保證電極和試樣之間的良好接觸，需在管內(nèi)采用一個(gè)彈性的可膨脹的夾具。
對(duì)于非常準(zhǔn)確的測(cè)量，在厚度的測(cè)量能達(dá)到足夠的精度時(shí)，可采用試樣上不加電極的系統(tǒng)。對(duì)于相對(duì)電容率εr不超過10的管狀試樣，方便的電極是用金屬箔、汞或沉積金屬膜。相對(duì)電容率在10以上的管狀試樣，應(yīng)采用沉積金屬膜電極；瓷管上可采用燒熔金屬電極。電極可像帶材一樣包覆在管狀試樣的全部圓周或部分圓周上。
5.2液體絕緣材料
5.2.1試驗(yàn)池的設(shè)計(jì)
對(duì)于低介質(zhì)損耗因數(shù)的待測(cè)液體，電極系統(tǒng)重要的特點(diǎn)是：容易清洗、再裝配（必要時(shí)）和灌注液體時(shí)不移動(dòng)電極的相對(duì)位置。此外還應(yīng)注意：液體需要量少，電極材料不影響液體，液體也不影響電極材料，溫度易于控制，端點(diǎn)和接線能適當(dāng)?shù)仄帘?；支撐電極的絕緣支架應(yīng)不浸沉在液體中，還有，試驗(yàn)池不應(yīng)含有太短的爬電距離和尖銳的邊緣，否則能影響測(cè)量精度。
滿足上述要求的試驗(yàn)池見圖2?圖4。電極是不銹鋼的，用硼硅酸鹽玻璃或石英玻璃作絕緣，圖2和圖3所示的試驗(yàn)池也可用作電阻率的測(cè)定，1EC 60247:1978對(duì)此已詳細(xì)敘述。
由于有些液體如氯化物，其介質(zhì)損耗因數(shù)與電極材料有明顯的關(guān)系，不銹鋼電極不總是合適的。有時(shí)，用鋁和杜拉鋁制成的電極能得到比較穩(wěn)定的結(jié)果。
5.2.2試驗(yàn)池的準(zhǔn)備
應(yīng)用一種或幾種合適的溶劑來清洗試驗(yàn)池，或用不含有不穩(wěn)定化合物的溶劑多次清洗?？梢酝ㄟ^化學(xué)試驗(yàn)方法檢查其純度，或通過一個(gè)已知的低電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的液體試樣測(cè)量的結(jié)果來確定。3試驗(yàn)池試驗(yàn)幾種類型的絕緣液體時(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，*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：
Cc——電極常數(shù)；
Co——空氣中電極裝置的電容；
Cn——充有校正液體時(shí)電極裝置的電容；
εn——校正液體的相對(duì)電容率。
從C。和Cc的差值可求得校正電容Cg
并按照公式
來計(jì)算液體未知相對(duì)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(shù)|
Cx——電極裝置充有被試液體時(shí)的電容；
εx——液體的相對(duì)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(cè)定的，則可求得zui高精度的εx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)試方法的選擇
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?；芈凡捎梦髁蛛姌?、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MHz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。但該方法不適合采用保護(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全面的，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
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εr
試樣加有保護(hù)電極時(shí)其相對(duì)電容率εr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Ce，其相對(duì)電容率為：
……………………………（17）
式中：
εr——相對(duì)電容率；
C'x——沒有保護(hù)電極時(shí)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(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εr（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
（1） | 極間法向電容 （單位：皮法和厘米） （2） | 邊緣電容的校正 （單位：皮法和厘米） （3） |
1.有保護(hù)環(huán)的圓盤狀電極 | ||
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2.沒有保護(hù)環(huán)的圓盤狀電極 | ||
a）電極直徑=試樣直徑
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b）上下電極相等，但比試樣小
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其中：ε1 是試樣相對(duì)電容率的近似值，并且a≤h | |
表1（續(xù)）
（1） | 極間法向電容 （單位：皮法和厘米） （2） | 邊緣電容的校正 （單位：皮法和厘米） （3） |
c）電極直徑=試樣直徑
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其中：ε1 是試樣相對(duì)電容率的近似值，并且a≤h |
3.有保護(hù)環(huán)的圓柱形電極 | ||
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4.沒有保護(hù)環(huán)的圓柱形電極 | ||
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其中：ε1 是試樣相對(duì)電容率的近似值 |
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)。
表2 試樣電容的計(jì)算——接觸式測(cè)微計(jì)電極
試樣電容 | 注 | 符號(hào)定義’ |
1.并聯(lián)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電容器來替代試樣電容 | CP——試樣的并聯(lián)電容 △C——取去試樣后，為恢復(fù)平衡時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容增量 Cr——在距離為r時(shí)，測(cè)微計(jì)電極的標(biāo)定電容 Cs——取去試樣后，恢復(fù)平衡，測(cè)微計(jì)電極間距為s時(shí)的標(biāo)定電容Cor，Coh——測(cè)微計(jì)電極之間試樣所占據(jù)的，間距分別為r或h的空氣電容?？捎帽?/span>1中的公式1來計(jì)算r——試樣與所加電極的厚度 h——試樣厚度 相對(duì)電容率: | |
CP=△C+Cor | 試樣直徑至少比測(cè)微計(jì)電極的直徑小2r。在計(jì)算電容率時(shí)必須采用試樣的真實(shí)厚度h和面積A。 | |
2.取去試樣后減少測(cè)微計(jì)電極間的距離來替代試樣電容 | ||
CP=Cs-Cr+Cor | 試樣直徑至少比測(cè)微計(jì)電極的直徑小2r。在計(jì)算電容率時(shí)必須采用試樣的真實(shí)厚度h和面積A。 | |
3.并聯(lián)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電容器來替代試樣電容 當(dāng)試樣與電極的直徑同樣大小時(shí)，僅存在一個(gè)微小的誤差（因電極邊緣電場(chǎng)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(jì)算。 | ||
CP=△C+Coh | 試樣直徑等于測(cè)微計(jì)電極直徑，施于試樣上的電極的厚度為零。 | |
表3電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的計(jì)算——不接觸電極
相對(duì)電容率 （1） | 介質(zhì)損耗因數(shù) （2） | 符號(hào)意義 （3） |
1.測(cè)微計(jì)電極（在空氣中） |
| |
若ho 調(diào)到一個(gè)新值h'o，而△C=0時(shí)
| tanδx= tanδc+M·εr·△tanδ
| △C——試樣插人時(shí)電容的改變量（電容增加時(shí)為+號(hào)） C1——裝有試樣時(shí)的電容 C1——僅有流體時(shí)的電容，其值為εr•Co Co——所考慮的區(qū)域上的真空電容，其值為εo•A/h0 A——試樣一個(gè)面的面積，用 厘米2表示（試驗(yàn)的面積大于等于電極面積時(shí)） ε1——在試驗(yàn)溫度下的流體相對(duì)電容率（對(duì)空氣而言εr ＝1. 00) ε0——電氣常數(shù)用皮法/厘米表示 △tanδ——試樣插入時(shí)，損耗因數(shù)的增加量 tanδc——裝有試樣時(shí)的損耗因數(shù) tanδx試樣的損耗因數(shù)的計(jì)算值 d0——內(nèi)電極的外直徑d1——試樣的內(nèi)直徑 d2試樣的外直徑 d3——外電極的內(nèi)直徑h0——平行平板間距 h——試樣的平均厚度 M——h0 /h—1 lg――常用對(duì)數(shù) 注；在二流體法的公式中，腳注1和2分別表示第1種和第二種流體。 |
2. 平板電極——流體排出法 | ||
| tanδx= tanδc+M·εr·△tanδ
| |
當(dāng)試樣的損耗因數(shù)小于1時(shí)，可以用下列公式: | ||
|
| |
3. 圓柱形電極——流體排出法（用于tanδ小于0.1時(shí)） | ||
|
| |
4. 二流體法——平板電極（用于tanδx小于0. 1時(shí)） | ||
|
| |
1——測(cè)微計(jì)頭； | 6——微調(diào)電容器； |
2——連接可調(diào)電極（B)的金屬波紋管； | 7——接檢測(cè)器； |
3——放試樣的空間（試樣電容器M1； | 8——接到電路上； |
4——固定電極（A）； | 9——可調(diào)電極（B）。 |
5——測(cè)微計(jì)頭； |
|
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
1——內(nèi)電極； | 1——把柄； |
2——外電極； | 5——棚硅酸鹽或石英墊圈； |
3——保護(hù)環(huán)； | 6——硼硅酸鹽或石英墊圈。 |
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
圖4 液體測(cè)量的平板兩電極試驗(yàn)池
地址：北京市房山區(qū)長(zhǎng)陽(yáng)萬興路86號(hào)
郵箱：bjhtwc@163.com
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