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电气绝缘材料在工频、音频、高频介质损耗因数的推荐方法

点击次数:120 发布时间:2020-07-03

电气绝缘材料在工频、音频、高频介质损耗因数的推荐方法

[介质]损耗指数

 为了避免边缘效应引起电容率的测量误差,电极系统可加上保护电极。保护电极的宽度应至少为两倍的试样厚度,保护电极和主电极之间的间隙应比试样厚度小。假如不能用保护环,通常需对边缘电容进行修正,表1给出了近似计算公式。这些公式是经验公式,只适用于规定的几种特定的试样形状。

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。

该材料的损耗因数tanδ与相对电容率εr的乘积。

复相对电容率

由相对电容率和损耗指数结合而得到的:

电介质的用途

电介质一般被用在两个不同的方面:

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;

用作电容器介质。

频率

因为只有少数材料如石英玻璃、聚苯乙烯或聚乙烯在很宽的频率范围内它们的εr和tanδ几乎是恒定的,且被用作工程电介质材料,然而一般的电介质材料必须在所使用的频率下测量其介质损耗因数和电容率。

电容率和介质损耗因数的变化是由于介质极化和电导而产生,重要的变化是极性分子引起的偶极子极化和材料的不均匀性导致的界面极化所引起的。

温度

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。

湿度

极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必不可少的。

试样的几何形状

测定材料的电容率和介质损耗因数,采用板状试样,也可采用管状试样。

在测定电容率需要较高精度时,的误差来自试样尺寸的误差,尤其是试样厚度的误差,因此厚度应足够大,以满足测量所需要的度。厚度的选取决定于试样的制备方法和各点间厚度的变化。对1%的度来讲,1.5mm的厚度就足够了,但是对于更高度,采用较厚的试样,例如6mm〜12mm。测量厚度必须使测量点有规则地分布在整个试样表面上,且厚度均匀度在±1%内。如果材料的密度是已知的,则可用称量法测定厚度。选取试样的面积时应能提供满足精度要求的试样电容。测量10pF的电容时,使用有良好屏蔽保护的仪器。由于现有仪器的极限分辨能力约1pF,因此试样应薄些,直径为10cm或更大些。

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,

加到试样上的电极

电极可选用5.1.3中任意一种。如果不用保护环,而且试样上下的两个电极难以对齐时,其中一个电极应比另一个电极大些。已经加有电极的试样应放置在两个金属电极之间,这两个金属电极要比试样上的电极稍小些。对于平板形和圆柱形这两种不同电极结构的电容计算公式以及边缘电容近似计算的经验公式。

流体排出法

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,试样厚度和电极系统的尺寸可以从计算公式中消去。

试样为与试验池电极直径相同的圆片,或对测微计电极来说,试样可以比电极小到足以使边缘效应忽略不计。在测微计电极中,为了忽略边缘效应,试样直径约比测微计电极直径小两倍的试样厚度。

对于介质损耗因数的测量,这种类型的电极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所示的电极系统也要求试样厚度均匀。.

注:湿度的显著影响常常发生在1MHz以下及微波频率范围内。

板状试样

考虑下面两点很重要:

a)不加电极,测量时快而方便,并可避免由于试样和电极间的不良接触而引起的误差。

b)若试样上是加电极的,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△εrr可由下式得到:

……………………………(12)

式中:

△εr——相对电容率的偏差;

εr——相对电容率;

h——试样厚度; 

Ah——试样厚度的偏差。

若试样上加电极,且试样放在有固定距离S>h的两个电极之间,这时

 ……………………………(13)

式中:

△εr、εrh同式(12)。

εr——试样浸入所用流体的相对电容率,对于在空气中的测量则εr等于1。

对于相对电容率为10以上的无孔材料,可采用沉积金属电极。对于这些材料,电极应覆盖在试样的整个表面上,并且不用保护电极。对于相对电容率在3〜10之间的材料,能给出高精度的电极是金属箔、汞或沉积金属,选择这些电极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,试样上不加电极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。

管状试样

对管状试样而言,合适的电极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,电极系统应为一个内电极和一个稍为窄一些的外电极和外电极两端的保护电极组成,外电极和保护电极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极(测量电极),两端各有一条用作保护电极。内电极可用汞,沉积金属膜或配合较好的金属芯轴。

高电容率的管状试样,其内电极和外电极可以伸展到管状试样的全部长度上,可以不用保护电极。

大直径的管状或圆筒形试样,其电极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极与金属箔或沉积金属膜的外电极和保护电极一起使用。如采用金属箔做内电极,为了保证电极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。

对于非常准确的测量,在厚度的测量能达到足够的精度时,可采用试样上不加电极的系统。对于相对电容率εr不超过10的管状试样,方便的电极是用金属箔、汞或沉积金属膜。相对电容率在10以上的管状试样,应采用沉积金属膜电极;瓷管上可采用烧熔金属电极。电极可像带材一样包覆在管状试样的全部圆周或部分圆周上。

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