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GBT 31838.6-2021 固体绝缘材料 介电和电阻特性 第6部分：介电特性(AC方法) 相对介电常数和介质损耗因数(频率0.1Hz~10MHz).pdf

固体绝缘材料介电和电阻特性 第6部分：介电特性（AC方法） 相对介电常数和介质损耗因数 (频率 0.1 Hz~10 MHz)

材料介电常数和介质损耗因数特性的 试验方法（AC方法）。

材科电常数利尔质损耗因数特性 验方法（AC方法）。 注：本文件主要考虑带有保护电

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中GB50330-2013《建筑边坡工程技术规范》.pdf，注日期的引用文 件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于 本文件。 IEC6o212固体绝缘材料在试验前和试验时采用的标准条件（Standardconditionsforuseprior to and duringthetesting of solid electrical insulating materials) ISO4593塑料薄膜和薄板机械扫描测定厚度（Plastics一Filmandsheeting一Determinationof thickness bymechanical scanning)

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于 本文件。 IEC6o212固体绝缘材料在试验前和试验时采用的标准条件（Standardconditionsforuseprior to and duringthetesting of solid electrical insulating materials) ISO4593塑料薄膜和薄板机械扫描测定厚度（Plastics一Filmandsheeting一Determinationof thicknessbymechanical scanning)

绝对介电常数absolutepermittivit

电通密度除以电场强度的商。

测量的绝缘材料的介电常数*其相对介电常数，和真空介电常数e。的乘积，可由公式（1)表示： E=EoXE, ·（1） 介电常数以法拉每米（F/m)为单位，真空介电常数e。具有下值，如公式（2)所示： 。=8.854187817×1012F/m ·（2） 相对介电常数*绝对介电常数和真空介电常数ε。的比值。 在恒定电场和足够低频率的交变电场情况下，各向同性或准各向同性电介质的相对介电常数等于 电容器的电容与真空中相同电极结构的电容的比值，其中电极之间和电极周围的空间完全充满电介质。 在实际工程中，通常用相对介电常数表示介电常数。绝缘材料的相对介电常数ε，*电容性试样 （电容器）加人到电极间所测得的电容Cx与电极之间为真空时测得的电容C。的比值，如公式（3)所示， 其中试样完全填充两电极之间的空间：

在标准大气压下，不含二氧化碳的干燥空气的相对介电常数ε，等于1.00053。因此在实践中，空 中电极结构的电容C。通常可代替C。来确定相对介电常数e，，具有足够的精度。 在稳定正弦电场下，相对复介电常数*以复数来表示的介电常数，如公式（4）所示

."=E.XeK +++++.+.++++.++.(4

注1：复介电常数e，通常以ε，和e."，或=,和tan的形式引用。如果e>e"，则e,~e，称为相对介电常数 注2：又称损耗指数

介质损耗因数tan（损耗角正切值)*复介电常数虚部与实部的比值，如公式（5)所示

介质损耗因数tan（损耗角正切值)*复介电常数虚部与实部的比值，如公式（5)所示

度减去施加电压与产生电流的相位差所得角（介质损耗角）的正切值（与图1比较）。介质损耗因数 也可用等效电路图表示，图中使用理想电容器串联或并联电阻（见图2）。此时，有公式（6）、公式（7）和 公式（8）。

注3：Rs和Rp与绝缘材料的体积和表面电阻没有直接关系，但受其影响。因此，介质损耗因数也可能受到这些材 料电阻特性的影响。 电容C*导体和电介质排列的特性，当导体之间存在电势差时，则允许存储电荷。 C*电荷量q与电位差U之比，按公式（9)计算。电容值总*正值。当电荷以库仑表示并且电势 以伏特表示时，单位为法拉

这种通用方法描述一般测量的常见值。如果在本文件中描述了特定类型材料的方法，则应使用特 定的方法。 测量介电常数和介质损耗因数时应仔细进行，并考虑测量电路的电性能以及材料的特定电性能， 注4：进行试验时，大多数情况下需要使用高压，注意防止触电。 本文件不描述测试仪器和方法的基本原理，相关资料见参考文献

电压源应提供稳定的正弦电压。在测量期间，电压源的电压值波动应不超过土5%。 电压波形应近似于正弦波，其正负峰值的幅度差小于2%。 正弦形状（峰值与r.m.s比值等于/2）的偏差应在土5%范围内。 首选电压为0.1V、0.5V、10V、100V、500V、1000V和2000V。 为了在工作电场强度下进行试验，可使用更高的电压值，并应在报告中记录相关的电压等级 注：当电压超过特定起始电压时，局部放电可能会影响测量。在空气中，电压低于340V时，不会发生局部放电

测量设备宜能够测量与预期材料特性一致的未知介电常数和介质损耗因数，且测量系统的精度 录在报告中。 注：用户可根据测量结果需要选择测量系统精度

4.3.2试验方法选择

测量介电常数和介质损耗因数的方法可分为如下三种： 电桥法； 阻抗分析仪法； 数字移相法。

对于介电常数和介质损耗因数的测量，可使用平衡电桥替代技术，即在电桥的一个桥臂上接人或不 接人试品，调整桥臂达到平衡。通常使用的电桥有西林电桥、变压器电桥（即互感耦合比例臂电桥）和并 联T型电桥。变压器电桥的优点*采取保护电极不需任何外加附件或过多操作，与其他电桥相比没有 缺点。

4.3.2.3阻抗分析仪法

很多商用仪器（阻抗分析仪或LCR测试仪)可用于测量。这些仪器将试样的阻抗确定为测量的电 玉和电流矢量之比。矢量包含幅值和相位。通常，在一个或多个固定频率下确定阻抗，或在频率范围内 扫频确定阻抗。 大多数仪器允许使用给定频率的串联或并联等效电路将阻抗表示为损耗电容（C，tan或D）。本 文件使用并联等效电路。 宜注意以正确方式补偿测量导线的影响。为此，通常应对测量导线进行开路和短路补偿，在某些情 允下还应进行负载补偿，不规则的补偿可能会导致测量错误。 阻抗分析仪的精度取决于仪器本身的质量，但也可能很大程度上取决于测量阻抗（容量）的大小和 则量的频率。可能使用任何仪器，但仪器的精度应适用于被测材料，并应在报告中说明

4.3.2.4数字移相法

用于绝缘材料的电极宜为方便实用的材料，可与试样表面紧密接触，且不会由于电极电阻或试样污 染而引起明显的误差。在试验条件下，电极材料宜耐腐蚀。电极应与给定形状和尺寸的适当垫板一起 更用。使用两种不同的电极材料或两种应用方法可有利于观察*否引入明显误差。 电极尺寸的测量应符合ISO4593的规定。 注：电极尺寸测量的准确性直接关系到预期试验结果的准确性。 对于压敏试样，电极施加在试样上的机械力约为1Pa。也可便用其他机械力，但应在报告中记录 几械力不宜使试样承受过大的应力

4.3.3.2保护电极

测试电路的绝缘最好由与被测材料特性相匹配的材料组成。测量误差可能与下列因素有关： 影响测量容量的电场边缘效应： 可能影响介质损耗因数的表面电阻，特别*在低频时。 使用保护电极可有效改善测量误差

保护电极所构成的保护系统与测量电极形成三电极系统，其基本连接如图3所示。

图3用于平板型试样测量的带保护电极的圆柱形电极系统

A=×(di+BXg)

因子B*试样间隙和厚度与介电常数之比的函数。公式（10)*假定相对介电常数ε，趋近于无穷 大。忽略因子B，则公式（11）表示有效面积可能存在的误差

将自身带有电极的试样连接在金属垫衬电极之间，该电极比试样自带的电极略小。附录A给出了 用于计算圆盘形或圆柱形电极不同布置方式电容的公式，以及计算此类电极边缘效应的经验公式

4.3.3.3导电银漆

4.3.3.4喷镀金属电极

射金属电极能用于材料不受离子轰击、温度应力或

4.3.3.5液体电极

作液体电极，如镓、钢和*等。不宜使用水银作为液体电极

图4液体电极测量示例

铝和***常用金属*。通常使用最少量的凡土 其地合适的材科作为黏合剂附有在 试样上。 所有黏合材料均可影响测量结果，宜控制用量 注：经验表明，硅脂具有足够低的介电损耗，*十分合适的黏合材料

4.3.3.7管状试样

最适合管状试样的电极系统取决于其介电常数、壁厚、直径以及所需的测量准确度。一般情况下， 电极系统应由内电极和稍窄的外电极组成，每端都有保护电极。内电极外壁和保护电极之间的间隙应 小于管壁厚度。对于小直径和中等直径的管状试样，可在管的外侧施加三个*带或熔敷金属带，中间带 作为工作外电极，另外两个*或熔敷金属带，每侧一个，作为保护电极。可使用液态金属内电极、熔敷金 属膜或紧密配合的芯轴。 对于高介电常数的管状试样，内电极和外电极可延伸到管的整个长度，并且可免除保护电极， 对于大直径的管子或圆筒，电极系统可能*圆形的或矩形贴片，仅测试管外围的一部分。这样的试 样能视为片状试样。金属*、熔敷金属膜或紧配合芯轴的内电极与金属*或熔敷金属的外电极和保护 电极一起使用。如果使用*式电极，管内可能需要一个灵活的膨胀夹，以确保内部电极和试样之间的良 好接触。 对于相对介电常数ε，高达10的管状试样，最方便的电极**或液态金属。对于相对介电常数ε， 大于10的管状试样，应使用熔敷金属电极。对于陶瓷管，应使用烧制电极。可在整个圆周上或圆周的 部分上施加带状电极

4.3.3.8空气中平行电极（微米级精度）

4.3.3.9液体替代法

在一种液体中，其介电常数与试样的介电常数几乎相同，且损耗因数可忽略不计。此时，与通常相 比，试样厚度的精确测量已不重要。通过两种液体的交替使用，试样厚度和电极系统尺寸可能从方程中 消除。 试样应为直径与电极相同的圆盘，或对于微米级电极，试样可足够小，以使边缘效应可忽略不计。 为使边缘效应在微米级电 小至少两倍的试样厚度

应根据所测得的介质损耗因数校准设备

为确定材料的介电常数和介质损耗因数，宜优先使用片状试样。若材料形状只能*管状，则试样厚 度应与其实际应用厚度相接近。 当测量介电常数要求高精度时，不确定度主要来源于试样的尺寸，特别*厚度，因此试样尺寸应足 够大，以使测量达到所要求的精度。厚度的选择取决于试样的制备方法以及不同点厚度的可能变化。 应通过系统地在试样电气测试区域上的测量来确定厚度，且平均厚度应均匀到土1%以内。选择的试样 面积应提供足够的电容以达到测量所要求的精度。 注1：经验表明，典型试样的电容大约在10pF到100pF之间。 当测量的介质损耗因数比较小时，由导线串联电阻引入的损耗尽可能小，否则需要修正，即电阻与 被测电容的乘积尽可能小。同时，测量电容与总电容的比值尽可能大。 注2：第一点表明保持尽可能低的导线串联电阻，以及具有小试样电容的重要性。第二点表明与试样连接的电桥 中的总电容较低，且较大试样电容的必要性。通常，最佳的方案*试样的电容约为20pF，与试样并联的测量 电路的电容不超过5pF。 注3：若无其他规定.可使用尺寸为[100mm×100mm×（1 mm±0.5mm）的平板试样

4.5.2试样与电极的建议尺寸

如无其他规定，各种类型的试样推荐使用表1中的尺寸。

试样的尺寸应大于包括保护电极在内的测试电极的尺寸。

应根据材料的相关标准，确定试样的形状并进行制备。在试样制备和移动过程中，不应改变试样状 态，也不应损坏试样。 如果试样表面与电极接触区域进行了机加工，则应在试验报告中记录加工类型。试样应具有简单 的几何形状（如具有平行测量区域的板、圆筒等）。 如可能，来自成品的试样，应根据成品厚度制备

应根据相关产品标准确定试样的数量。若没有可参考的标准或数据，至少应准备三个试样进

4.5.5试样条件处理和预处理

应按照相关产品标准对试样进行条件处理和预处理。若没有可参考的产品标准，则应按 60212（标准条件B）的规定，在23℃、50%相对湿度条件下，进行至少4天的条件处理。

特定材料的程序见材料规范。若存在特殊材料的特定程序，则应使用该规范。报告中应说明包 详制备在内的试验程序

按照相关规范的要求准备一定数量的试样。若无其他规定，则应测试至少三个试样。在放置电极 前，宜最少在5个点测量试样厚度。试样的厚度和电极尺寸的精度应为土1%。应根据相关标准，对试 详进行条件处理和预处理。若没有可参考的产品标准，则应按照IEC60212（标准条件B)的规定，在 23℃、50%相对湿度条件下，进行至少4天的条件处理

5.2介电常数和相对介电常数计算

5.2.1相对介电常数

的测量电容为C.时，根据公式（12)计算相对介申

其中C。可根据公式（13)计算如下

如有必要，应对试样对地的电容、开关触点之间的电容、以及等效串联和并联电容之间的差异进 以的校正。

5.2.2介质损耗因数 tand

测量装置给出的方程式，通过测量值计算介质损

试验报告应包含以下信息： 试样的名称、标识、材料规范、颜色、来源和制造商的代码； 试样和测试单元的形状和尺寸； 试样的温度和环境的相对湿度； 试样的固化条件处理和任何的预处理； 试验次数，描述程序； 试验方法和使用的测量电路； 试验设备的精度和制造商的仪器标识； 试验的时间和地点； 环境温度、相对湿度和气压； 试验电压； 试验频率； 电极布置方式和试样使用的电极类型； 机械电极压力（Pa）（如适用）； 试样数量； 试验时间和日期； 介质损耗因数和介电常数的每个值和平均值； 其他任何重要信息； 并联电容值，相对介电常数和介质损耗因数与估计精度，试样有效面积的误差修正值以及由计 值计算得到的损耗指数和损耗角。如果对一个试样进行多次试验，则应给出与温度和频率术 关的平均值

相对介电常数和介质损耗因数的测量取决于许多方面。 注：经验表明.介质损耗因数和相对介电常数的测量值的重复性和再现性在10%以内

A.1环形保护电极有效面积的误差

以下以d，=25mm、50mm或100mm，u=1mm为例进行说明。 间隙和厚度的比可能引起测量误差，特别*对于薄试样。目前已获得修正公式来解决该问题。对 于标准几何形状，校正系数B如公式（A.3)所示。对于其他需要更高精度的情况，宜计算B。如试样的 尺寸与推荐尺寸不同，则采用边缘修正系数计算（见图A.1图A.3）

A.2有效面积边缘效应的校正

工程投标中施工组织设计的编制注：e.的初始值可通过假设B=1或使用基于预知的估计来确定

通过曲线拟合H近似值见公式（A.1)和公式（A.2）

图A.3不同ε,和d.的误差计算

图A.4有效面积边缘效应修正计算流程图

式中： W 电极间隙； h 试样厚度； H 待确定的系数。 图A.5显示了系数H与间隙w和厚度h的关系。

B值的计算见公式（A.3）。

HG∕T 20637.7-2017 化工装置自控专业工程设计文件的编制规范 仪表安装材料的统计式中： 电极间； h 试样厚度； E 相对介电常数； H 已确定的系数； B 试样间隙和厚度与介电常数之比的函数。

图A.5H与间隙W和厚度h的关系