2023固體絕緣材料 介電和電阻特性第8部分：介電特性（AC方法）

8（AC）（MHz～300MHz）II目 次前言 II引言 III112范引文件 13語定義 14驗法 25驗序 9697復(fù)和現(xiàn)性 10附錄A（料）串電路償法 11附錄B（料）帶蔽環(huán)平電極 12附錄C（料）儀器 13附錄D（料）空中微控平電的接觸極法 17參考獻(xiàn) 18圖2等電圖 4圖3帶試和線備的效聯(lián)路 5圖4兩極統(tǒng)存的剩阻和散容 7圖A.1聯(lián)路償法 11圖B.1屏環(huán)并電極置 12圖C.1聯(lián)T網(wǎng)的電路圖 13圖C.2聯(lián)T網(wǎng)的際電圖 13圖C.3 諧法理電圖 15圖C.4動衡路 16圖D.1接電方法 17表1使儀的率圍 8PAGEPAGE108（AC相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)（1MHz～300MHz）范圍1MHz至300MHz（AC方法）。（IEC60212固體絕緣材料在試驗前和試驗時采用的標(biāo)準(zhǔn)條件(Standardconditionsforusepriortoandduringthetestingofsolidelectricalinsulatingmaterials)注：GB/T10580—2015固體絕緣材料在試驗前和試驗時采用的標(biāo)準(zhǔn)條件(IEC60212:2010，IDT)下列術(shù)語和定義適用于本文件。ISO和IEC維護的用于標(biāo)準(zhǔn)化的術(shù)語數(shù)據(jù)庫地址如下：。電氣絕緣材料electricalinsulatingmaterial具有可忽略不計的低電導(dǎo)率的固體材料，用于隔離電勢不同的導(dǎo)體部分。注1：術(shù)語“電氣絕緣材料”也可以指絕緣液體和絕緣氣體。IEC60247包含絕緣液體的內(nèi)容[1]。介電特性dielectricproperties絕對介電常數(shù)absolutepermittivityε電通密度除以電場強度的商。真空介電常數(shù)vacuumpermittivityε0000真空的介電常數(shù)，與磁常數(shù)ε0μ0和真空中光速c0相關(guān)，用關(guān)系式εμc2=1表示。000相對介電常數(shù)relativepermittivityεr絕對介電常數(shù)與真空介電常數(shù)ε0的比值。相對復(fù)介電常數(shù)relativecomplexpermittivityεr穩(wěn)定的正弦場下，以復(fù)數(shù)表示的介電常數(shù)。介質(zhì)損耗因數(shù)tanδdielectricdissipationfactortanδ損耗角正切值losstangent復(fù)介電常數(shù)的虛部與實部的比值。電容capacitanceC導(dǎo)體間存在電勢差時，導(dǎo)體和電介質(zhì)組成的系統(tǒng)存儲電荷的特性。施加電壓voltageapplication電極間施加的電壓。注：施加電壓有時被稱為電化。測量電極measuringelectrodes貼附于材料表面的或者埋入材料內(nèi)部的導(dǎo)體，與之接觸以測量材料的介電或電阻特性。注：測量電極的設(shè)計取決于試樣和試驗?zāi)康??；驹黼娙軨是導(dǎo)體和電介質(zhì)排列的特性，當(dāng)導(dǎo)體之間存在電位差時，電容C允許電荷存儲。C是電荷量q與電位差U的比值。電容值始終為正，用公式（1）表示。 ??=??················································································(1)??式中：C——電容，單位為法拉（F）；q——電荷量，單位為庫侖（C）；U——電位差，單位為伏特（V）。測量的絕緣材料的介電常數(shù)ε是其相對介電常數(shù)εr和真空介電常數(shù)ε0的乘積，可由公式(2)表示： ??=×············································································(2)（F/m）ε0（2） =8.854187817×10?12····························································(3)相對介電常數(shù)是絕對介電常數(shù)和真空介電常數(shù)ε0的比值。（4）

=????···············································································(4)??0在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對介電常數(shù)εr等于1.00053。因此在實踐中，空氣中電極結(jié)構(gòu)的電容Ca通?？梢源鍯0來確定相對介電常數(shù)εr，具有足夠的精度。在穩(wěn)定正弦電場下，相對復(fù)介電常數(shù)是以復(fù)數(shù)表示的介電常數(shù)，如公式(5)所示： ????=????′???????′′=|????|×???????·····························································(5)?其中????′和????′′為實數(shù)。注2：復(fù)介電常數(shù)????通常以????′和????′′，或εr和tanδ的形式使用。?注3：????′′又稱損耗指數(shù)。介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ（損耗角正切值）是復(fù)介電常數(shù)虛部與實部的比值。說明：U——施加的電壓；I——產(chǎn)生的電流；I0——產(chǎn)生的電流的虛部；Iw——產(chǎn)生的電流的實部；φ——施加電壓與產(chǎn)生電流的相位差；δ——介質(zhì)損耗角，φ角的余角。圖1介質(zhì)損耗因數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ（損耗角正切值）是復(fù)介電常數(shù)虛部與實部的比值，如公式(6): tan??=????′′ (6)????′）tanδ是弧度φδ（）比較（2）（7）（8）和公式（9）。 ????????=

×

= 1

·····························································(7) = 1 ···········································································(8)???? 1+??????2?? ????=1+ 1 ·········································································(9)???? ??????2??注4：RS和RP特性的影響。說明：RS——串聯(lián)電路中的電阻器；CS——串聯(lián)電路中的理想電容器；Rp——并聯(lián)電路中的電阻器；Cp——并聯(lián)電路中的理想電容器。圖2等效電路圖說明：端子；b——端子；Cp——接有試樣PRp——接有試樣P的等效并聯(lián)電路的電阻；Zp——接有試樣P的等效并聯(lián)電路的阻抗；Rlead——剩余電阻；剩余電感；Zlead——由剩余電阻Rlead和從設(shè)備到測試裝置的引線上存在的剩余電感Llead而產(chǎn)生的阻抗；Clead——包含在Zlead中的的雜散電容；Cedge——電極邊緣電容；Rleak——試樣和電極裝置上的泄漏電阻；Zedge——由于電極邊緣電容Cedge與試樣和電極裝置上的泄漏電阻Redge而產(chǎn)生的阻抗。圖3帶有試樣和引線設(shè)備的等效并聯(lián)電路測量介電常數(shù)和介電損耗因數(shù)應(yīng)考慮測量電路的電氣特性以及材料的特定電氣性能。進(jìn)行試驗時，大多數(shù)情況下會使用高壓，應(yīng)注意防止觸電。本文件不描述測試儀器和方法的基本原理，相關(guān)資料參見IEC6263-2-1[2]。高頻測量的特殊因素圖3顯示了一個等效并聯(lián)電路，包括一個帶有試樣的電極系統(tǒng)和端子a和b的接線引線。CpCp100kHz100MHzCp100kHz1000倍Zedge阻抗ZedgeRleak如IEC62631-2-1100kHz注1：由于電容器的阻抗與頻率成反比，所以在高頻下電容器基本起到導(dǎo)線的作用。注2：雜散電容是與試樣電容并聯(lián)存在的附加電容。雜散電容也存在于接地和連接設(shè)備端子與電極的引線之間。注3：（例如通過蒸發(fā)及一個儀器端子和電極之間連接的引線上產(chǎn)生的阻抗。電源2電源應(yīng)提供穩(wěn)定的正弦電壓。在測量期間，電壓源的電壓值波動應(yīng)不超過±5%。電壓波形應(yīng)近似于正弦波，其正負(fù)峰值的幅度差小于2%。2正弦形狀(峰值與RMS比值等于

)的偏差應(yīng)在±5%范圍內(nèi)。首選電壓為0.1V、0.5V、10V、100V、500V、1000V和2000V。注1：在工作電場強度下進(jìn)行試驗，可能使用更高的電壓值。注2：當(dāng)電壓超過特定起始電壓時，局部放電可能會影響測量。在空氣中，電壓低于340V設(shè)備精度測量設(shè)備宜能夠測量與預(yù)期材料特性一致的未知介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)，且測量系統(tǒng)的精度應(yīng)記錄在報告中。注：用戶可根據(jù)測量結(jié)果需要選擇測量系統(tǒng)精度。概述如4.2所述，圖3中阻抗Zlead和Zedge的在高于1MHz的頻率范圍內(nèi)顯著影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為避免精度顯著降低，宜考慮以下建議：——小的平坦表面且相當(dāng)厚的圓盤型試樣（見4.6.2）；——測量電路的剩余阻抗?。弧獌啥穗姌O系統(tǒng)剩余阻抗?。弧褂酶呖煽啃缘碾妼?dǎo)和電容作為基準(zhǔn)。圖3中的阻抗ZPZP（IEC圖3CedgeCpRleakRleak宜采用補償方法消除雜散電容和剩余阻抗，且要求使用高度可靠的電導(dǎo)和電容作為基準(zhǔn)。如）mmmm（IEC62631-2-1:2018A）帶有屏蔽環(huán)的平行電極是一種有效的電極裝置，可在高頻范圍內(nèi)減小測量中的邊緣效應(yīng)，參見附錄B所述。保護如IEC62631-2-13Clead（a和標(biāo)引序號說明：1——阻抗測量設(shè)備；2——電極和試樣。說明：a——端子；b——端子；Rlead——剩余電阻；Llead——剩余電感；Zlead——由剩余電阻Rlead和從設(shè)備到測試裝置的引線存在的剩余電感Llead而產(chǎn)生的阻抗；Clead——包含在Zlead中的的雜散電容；Zx——試樣的等效阻抗。圖4兩電極系統(tǒng)中存在的剩余阻抗和雜散電容用于高頻范圍的測量方法可分為如下三種：——電橋法（平衡法）；——共振法；——I-V法。共振法適用于10kHz至幾百MHz，基于在諧振電路中感應(yīng)一個已知的小電壓時，測量諧振電路中的電壓。當(dāng)與非接觸電極法結(jié)合使用時，該方法可適用于高達(dá)300MHz頻率。當(dāng)使用保護電極時，這些方法不能輕易調(diào)整。IEC62631-2-1:2018的和分別介紹了電橋法和阻抗分析儀法。在高于10MHz的頻率下進(jìn)行測量使用的儀器如表1所示。有必要使用兩電極系統(tǒng)。附錄C中介紹了這些設(shè)備。表1使用儀器的頻率范圍儀器測量方法頻率范圍并聯(lián)T網(wǎng)絡(luò)電橋法1MHz至150MHz諧振電路共振法10kHz至300MHz阻抗分析儀I-V法20Hz至300MHza自動平衡電橋電橋法20Hz至120MHza用于高頻測量的專門設(shè)計參見附錄C.3。校準(zhǔn)應(yīng)使用準(zhǔn)確已知的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載校準(zhǔn)設(shè)備。試樣概述測量材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)，建議使用片狀試樣。300.3mm到5.0參見IEC62631-2-1:2018A）當(dāng)試樣直徑比電極直徑大兩倍或更多時，帶屏蔽環(huán)的兩電極不需要邊緣效應(yīng)校正。附錄B中介紹了屏蔽環(huán)。D應(yīng)根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)確定待測試樣數(shù)量，如無此類數(shù)據(jù)，試樣數(shù)量應(yīng)至少為三個。IECB），在23和50特定材料的程序概述試驗程序有關(guān)的試品制備的一般建議參照IEC62631-2-1：2018的5.1。測量Cx和C0后，可使用公式（10）計算相對介電常數(shù)εr。

=????·············································································(10)??0式中：Cx——試樣的電容，其中兩個電極之間的空間完全且完全填充有相關(guān)絕緣材料；C0——真空中相同結(jié)構(gòu)電極的電容。tanδ通過測量值使用公式（11）計算介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ。 tan??= 1??????×????

·······································································(11)報告報告應(yīng)包括如下內(nèi)容：——試樣的名稱、標(biāo)識、材料規(guī)格、顏色、來源和制造商代碼；——試樣和測試單元的形狀和尺寸；——試樣溫度和環(huán)境相對濕度；——試樣的固化條件和任何預(yù)處理；——試驗次數(shù)和描述程序；——試驗方法和使用的測量電路；——試驗設(shè)備的精度和制造商的儀器標(biāo)識；——試驗的時間和地點；——環(huán)境溫度、相對濕度和氣壓；——————電極布置方式和試樣使用的電極類型；——機械電極壓力（Pa）(如適用)；——試樣數(shù)量；——試驗時間和日期；——介質(zhì)損耗因數(shù)和介電常數(shù)的每個值和平均值；——其他任何重要信息；——并聯(lián)電容值、相對介電常數(shù)和帶有估計精度的介質(zhì)損耗因數(shù)，試樣有效面積的誤差修正以及由該值計算得到的損耗指數(shù)和損失角。如果對一個試樣進(jìn)行多次試驗，則應(yīng)給出與溫度和頻率有關(guān)的平均值。并非所有情況下都是必要的，甚至不適用。總體上，高頻范圍測量的重復(fù)性和再現(xiàn)性低于低頻范圍內(nèi)的測量值。附錄A（）如所述，使用兩電極系統(tǒng)時，測量值中涉及剩余阻抗和雜散電容（見圖A.1A）。A.1P1P2ZR值相ZR（K：open）（Zx）（A.1） =????(??:????????)?????(??:??????????) (A.1)串聯(lián)電路補方法中的阻抗測量設(shè)備僅用于獲得P1和P2之間的阻抗，因此，獲得的阻抗Zx不包括引線的剩余阻抗。該方法適用于幾百MHz的頻率。注：元件每個元件的電流與補償后的電流也不相同。a）電系統(tǒng) b）聯(lián)償路統(tǒng)標(biāo)引序號說明：1——兩電極系統(tǒng)的阻抗測量設(shè)備；2——兩電極系統(tǒng)的電極和試樣；3——串聯(lián)補償電路系統(tǒng)的阻抗測量設(shè)備；4——串聯(lián)補償電路系統(tǒng)的電極和試樣。說明：a——端子；b——端子；P1——端子；P2——端子；ZR——基準(zhǔn)阻抗；Zx——試樣阻抗；K——開關(guān)。圖A.1串聯(lián)電路補償方法附錄B（資料性）帶屏蔽環(huán)的平行電極圖B.1（B）（A）位于在0.5mm30mm1/20。500kHz至200MHz標(biāo)引序號說明：1——接地屏蔽環(huán)；2——千分尺；3——高壓電極；4——接地屏蔽環(huán)5——接地電極。圖B.1帶屏蔽環(huán)的并聯(lián)電極裝置該方法的詳細(xì)資料可查閱參考文獻(xiàn)[3]、[4]和[5]。附錄C（資料性）儀器T并聯(lián)T網(wǎng)絡(luò)是一種橋接電路，其中從振蕩器通過兩個T網(wǎng)絡(luò)流向檢測器的電流在檢測器輸入端相等探測器說明：C1、C2和C3——電容器；R1、R2和R3——電阻。圖C.1并聯(lián)T網(wǎng)絡(luò)的主電路圖探測器說明：CA、CB、CN和CH——電容器；L——電感器；RF，RT——電阻；X，Y——端子。圖C.2并聯(lián)T網(wǎng)絡(luò)的實際電路圖圖C.1顯示了僅使用電阻器和電容器的最簡單的并聯(lián)T電路。更常用于電介質(zhì)測量的電路原則上如圖C.2所示，其平衡條件為（端子X、X開路）： 1+1+1= 1

·····························································(C.1)??2??A??NL ??(1+??H)= 1

·····························································(C.2)T

??2??A??N??FXCVL和RFXYCVCH當(dāng)試樣的電容降低到ΔCV時，試樣的電導(dǎo)如公式（C.3）： ??=??2??A??N??T×

································································(C.3)H試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ如公式（C.4）： tan??=????A??N??T×(C.4)式中：ΔCH——CH的增加值。T50kHz150MHz（共振法共振法適用于在10kHz至幾百MHz的頻率，基于在諧振電路中感應(yīng)一個已知的小電壓時，測量諧振電路中的電壓。圖C.3顯示了電路的常見形式，其中諧振電路通過公共電阻Ro與振蕩器耦合。其他耦合方法也同樣可以接受。U1當(dāng)連接試樣并重新調(diào)整電路時，總電容幾乎保持不變，前提是RLG?1（見圖C.3）。因此，試樣的電容約為ΔC，即可變電容器的電容變化。試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)如公式（C.5）所示：( ????????≈×1?1) (C.5)(式中：

???

??0C1——帶有電壓表的電路中的總電容和電感器的自電容；Q1——接入試樣時Q的值；Q0——不接入試樣時Q的值。RLG?當(dāng)與非接觸電極法配合使用時，該方法適用于高達(dá)300MHz的頻率。說明：RV——可調(diào)電阻器；RL，R0，R——電阻（R=1/G）；L——電感；C——電容；V——電壓表；I——電流。圖C.3諧振法原理和電路圖I-V圖Zlead）若一個阻抗的匹配技術(shù)是測量電路應(yīng)用了特性阻抗為50Ω的同軸電纜，則頻率范圍可以擴展到高于300MHz的值。為了擴大頻率范圍，還需要仔細(xì)布置測量電路和帶有試樣的電極系統(tǒng)之間的連接。該儀器市場有售，且制造商提供了該方法的說明書