電容相對介電常數(shù)及損耗因數(shù)的測量課件

2-1概述2-2電橋法測量Cx及tanδ2-3諧振法測量Cx及tanδ2-4測量誤差及其消除方法2-5介電譜的測量電容(相對介電常數(shù))及損耗因數(shù)的測量1、對相對介電常數(shù)εr的要求 1）儲能元件大，使單位體積中儲存的能量大2）一般電工設備小，減小流過的電容電流2、對介質損耗因數(shù)tanδ(介質損耗角正切)的要求1）一般電工設備中用的電介質和絕緣體小，否則易消耗浪費電能，使介質發(fā)熱，容易造成老化或損壞2）特殊要求利用介質發(fā)熱大3、測量目的： 1）檢驗評定電工設備、元件的性能，選擇合適的絕緣材料2）通過測量，來判斷絕緣系統(tǒng)中的含濕量、老化程度等3）測量其頻率譜和溫度譜，可作為研究電介質和絕緣材料物質結構的一種手段2-1概述相對介電常數(shù)εr定義：在同一電極結構中，電極周圍充滿介質時的電容Cx與周圍是真空時的電容C0(幾何電容)之比

若為平行板電極A—電極面積(m2)，t——電極間距離(m)，ε0—8.854×10-12(F/m)

εr是測量電容Cx及與電極、試品有關的尺寸電路分析法計算tanδ并聯(lián)串聯(lián)說明：1、并聯(lián)等效阻抗能切實反映絕緣體中有泄漏電流的事實Cx=Cp，當tanδ<0.1時，Cx=Cp≈Cs，誤差不超過1%2、介質損耗很微小，不能用普通的功率表測量，將試品視為等效阻抗，測得

計算tanδ影響相對介電常數(shù)與損耗因數(shù)的因素1、電壓幅值一般情況與施加電壓的幅值無關若有夾層極化，高場強將使其增大若絕緣體中有氣泡，在電壓超過起始放電電壓后，測得的值增大2、頻率極化需要一定時間，若這時間比交變電場的周期長的多，這種極化就來不及完成。頻率低時，各種極化都存在，εr大，頻率高時，夾層極化、偶極子極化來不及完成，只剩下電子極化、原子極化，εr減小。tanδ：主要由偶極子極化、夾層極化造成。頻率高，無極化故無損耗；頻率低，極化完全跟的上電場變化而無滯后，相位差為90o，也無損耗；只在極化有滯后時出現(xiàn)介質損耗，εr變化時，tanδ出現(xiàn)最大值

4、濕度水的εr很大（81），同時水分滲入會起增塑作用，使極化更容易形成，也使得εr明顯增大，在加上水的電導也比較大，tanδ也明顯增大。適用：測量頻率不很高時（低于MHz）分類：阻容電橋高壓西林電橋：精密西林電橋，大電容電橋，反接和對角線接地電橋低壓阻容電橋：電容比例臂電橋，電阻比例臂電橋變壓器電橋（電感比例臂電橋）電流比變壓器電橋電壓比變壓器電橋自動平衡電橋雙T電橋2-2電橋法測量Cx及tanδ阻容電橋：高壓橋臂：試品Zx，無損標準電容器Cx低壓橋臂：無感電阻R3，R4/C4并聯(lián)調節(jié)R3，C4使電橋平衡當tanδ<0.1，誤差允許不大于1%，則，工頻高電壓，取安全性：Zx>>Z3，ZN>>Z4，電橋上施加的電壓絕大部分都降落在高壓橋臂上電橋靈敏度與電橋本身結構、電橋上施加的電壓幅值及頻率、以及電橋的平衡指示器有關：1）比例臂兩阻抗相等時（串接部分），靈敏度最高；2）電壓、頻率越高、指示器可測出的電流或電壓越小，電橋靈敏度就越高。電橋的四個橋臂都是由電阻電容組成的電橋（最常用）。大電容電橋精密西林電橋內(nèi)電阻R3允許的最大電流為30mA，電容量很大的試品，如電力電容器，長電纜等，高壓下會流過很大的電流，在R3上并聯(lián)電阻分流器(a)；當電流更大時，要用精密電流互感器(b)反接和對角線接地電橋反接電橋：若試品一端必須接地，精密西林電橋不能使用，將電橋接地端改到高阻抗橋臂一端安全性：低壓橋臂安裝在法拉第籠S內(nèi)，S用絕緣子N支撐，N上加保護金屬環(huán)K，減小絕緣子泄露電流的影響對角線接地電橋：電橋在C點接地，試驗變壓器兩端都不能接地低壓阻容電橋（適用于薄膜材料）適用：薄膜材料及某些電子器件，不允許施加過高電壓，要采用低壓電橋(不大于100V)，比例臂的兩個阻抗可以做的很接近，彌補由于電壓降低而造成的電橋靈敏度的降低

1、電容比例臂電橋2、電阻比例臂電橋C1,G1接上試品：Ci，Gi取掉試品：Co，Go適用于50Hz及以下超低頻（二）電壓比變壓器電橋：電感橋臂與電橋的電源耦合適用：施加于電橋的電壓不高時加瓦格納接地（三）自動平衡電橋：電壓比例臂變壓器電橋制成選擇標準元件RN，CN，自動平衡的改變UR，UC，直到電橋平衡數(shù)字式自動平衡電橋LR，CR鎖相器；ADA模數(shù)、數(shù)模轉換器；不接試品，選擇RN，CN；接試品，自動調節(jié)UC，URd:試樣厚度A:電極面積CN:標準電容Ux:施加于試樣上的電壓Uc:記錄的信號RN:標準電阻UR:記錄的信號γ0:電流電導率ε’’：損耗指數(shù)雙T電橋兩個T形網(wǎng)絡并聯(lián)組成輸入端接電源E輸出端接平衡指示器G測量過程1、閉合開關，接入試品，C2i，C3i2、打開開關，不接試品，C2o，C3o精度：公共接地O，a端對地雜散阻抗與電源并聯(lián)，b端對地雜散阻抗與指示器并聯(lián)，不會引入測量誤差?？稍?0kHz~50MHz范圍內(nèi)保持較高的準確度諧振法測量電容1、由電感L和調諧電容C組成，損耗用等效電導Go表示2、諧振回路品質因數(shù)Qo和損耗因數(shù)tanδ是倒數(shù)關系3、電壓表V用以測量C兩端的電壓4、測量電容CP：根據(jù)諧振條件求得

1）閉合S，接入試品，調C使電路諧振Ci2）打開S，不接試品，調C出現(xiàn)諧振，Co

3）試品電容為：5、兩次測量值均有誤差，但只要誤差是相同的，在計算偏差時可以消除，是替代法的優(yōu)點變Q法測量tanδ1、諧振回路的品質因數(shù)Q值和tanδ成倒數(shù)關系2、Q值可用諧振時調諧電容器C兩端的電壓Ur

與電源電壓U0之比表示3、Q值可以用Q表測量4、諧振回路接與不接試品，回路Q值不同，接試品時Q小1)不接試品時2)接試品時3)試品損耗因數(shù)為Q表1、電源：頻率和幅值都可變的高頻正弦電壓發(fā)生器，頻率：幾十kHz~幾百MHz；電壓：幾V。要求負載能力很強，輸出阻抗很小，頻率和幅值在負載變化時都很穩(wěn)定2、諧振回路：電感L和諧振電容C組成。C：30~500pF；電感L：外插的獨立元件，測量頻率較高時，選較小的電感量。要求回路的損耗小，即Qo值大。3、電壓表：用以測量電源及調諧電容C兩端的電壓，后者要求輸入阻抗很高，很靈敏，通常是電力毫伏表一、外來電磁場干擾 試品空間中的電磁場，在試品測試回路中產(chǎn)生干擾電流消除：1)屏蔽法:試品的測試系統(tǒng)和干擾源之間用金屬板或網(wǎng)屏蔽起來，使電磁場透過屏蔽層時大大衰減，衰減程度與屏蔽材料的電導率、磁導率、金屬板的厚度以及被衰減的電磁波的頻率有關。適用于實驗室內(nèi)，在變電站等現(xiàn)場試驗中無法采用。2)倒向法：在正相和反相電壓下，兩次測量檢測：磁場干擾主要是影響指示電橋平衡的檢流計的正常工作，即改變其中的固有磁場。測量前先把檢流計的輸入開關置于斷開位置，若只是不為零，說明有外來磁場的干擾，可移動電橋和檢流計位置，直到指示為零?；虿捎玫瓜蚍y量后計算2-4測量誤差及其消除方法二、外界耦合阻抗外來阻抗與試品或任一橋臂耦合，對測量結果造成嚴重影響1)星形阻抗與試品耦合:

耦合阻抗不同，對測得電容及tanδ影響不同2)變壓器旁放置木梯

電容偏大，tanδ偏小3)電機棒放在桌子上

電容和損耗因數(shù)都偏大3、電極邊緣的影響

1)某些場合不能使用三電極系統(tǒng)，各種元器件、各種絕緣材料在高頻下用諧振法測量電容及損耗因數(shù)用兩電極 2)電極邊緣的電力線仍然通過試品的表面及試品周圍的媒質 3)可用并聯(lián)等效阻抗分析試品表面及周圍媒質對測量結果的影響

測得的電容總是偏大 若邊緣tanδb小于試品，則測得的tanδ偏小

若夾層tanδb大于試品，則測得的tanδ偏大4、消除或減少接線及電極帶來誤差的方法簡單方法用較粗的架空短接線，用替代法時，不接試品時，將接線保留在測試系統(tǒng)中用損耗因數(shù)與試品相同、介電常數(shù)很小的粘合劑涂在電極與試品的表面使兩者接觸好用三電極系統(tǒng)可避免電極邊緣效應的影響測微電極高頻下測量絕緣材料的專用電極夾具試品放在高壓電極與接地電極之間1-接地端2-高壓電極(接伏特計)3-試品4-接地電極5-波紋管6-測微螺釘7-微調電容器8-高壓電極(接電路)不接觸電極接試品時電極與試品間留一間隙電極可用測微電極，也可用其他電極結構電極間距離可固定或可調電橋法或諧振法測量要求測量儀器要有更高的靈敏度由于試品厚度誤差引起介電常數(shù)測量誤差比電極法大，尤其是低損耗薄膜材料電極中媒質要選用和試品測量值接近的液體電極必須刷洗干凈，避免嚴重誤差復介電常數(shù)為相對介電常數(shù)，損耗指數(shù)，介電頻譜：復介電常數(shù)隨頻率變化的曲線測量要求頻率的量程很寬前文介紹一臺儀器不能滿足，兩臺儀器銜接不好需大量測量數(shù)據(jù)，大量時間要求測量儀器穩(wěn)定性好，零點漂移很小，且不必人工逐點進行測量自動平衡電橋法可以使用不平衡電橋法、相位比較法、時域——頻域法、白噪聲法等介電溫譜：復介電常數(shù)隨溫度變化的曲線2-5介電譜的測量不平衡電橋1、平衡電橋

不同頻率下，逐點平衡電橋，測出，，或tanδ,時間長2、不平衡電橋

在開始時，在某一頻率下平衡電橋，之后改變電橋電源的頻率，從電橋偏離平衡時輸出電壓的實部和虛部計算，1、電橋法 測ε’和ε’’量程范圍不大，測溫譜時變化范圍大，需要相位比較法2、原理 相敏檢波技術 與u0同相電壓，及差90o電壓產(chǎn)生： 與u0同相電流IR 差90o電流IC

相位比較法相位比較法測得的PVC介電溫譜時域-頻域法1、測量原理

介電譜本質上是表征介質極化強度隨時間的變化特征，這可以表現(xiàn)在吸收電流、去極化電流等隨時間變化的時域特性上，對這種時域特性進行傅里葉變換，就可以得到隨頻率變化的頻域特性，即介電頻譜。2、測量方法 1）把直流電壓加到試樣上，可測到隨時間變化的通過試樣的電流 2）把電壓去除，并將試樣短路，又可測得符號相反的類似的電流-時間的曲線 3）曲線中包含很寬的頻譜信息，頻譜下限決定于測量電流的持續(xù)時間，上限決定于階躍電壓的上升時間 4）突然施加或去除的階躍直流電壓可用電壓階躍函數(shù)來分析數(shù)值傅里葉變換法 對階躍電壓響應的過渡電流的積分不能準確地用解析法來求得，數(shù)值傅里葉積分法能較好的解決這個問題，可以準確的測量50mHz~1μHz超低頻段的介電譜。 一般在低頻區(qū)內(nèi)發(fā)生的松弛過程都有一個很寬的松弛時間分布，所以過渡電流的測量也應在一段很長的時間內(nèi)進行。時間間隔大：混淆誤差變大小：采樣數(shù)據(jù)量十分大過渡電流開始時隨時間急劇下降，隨后則逐漸緩慢?？梢园凑詹煌臅r間范圍選用不同的時間間隔若要求測量的頻譜下限頻率很低：測量電流的時間很長，因此要求測量儀器要非常穩(wěn)定，零點漂移很小要進行重復測量，要等試樣放點完畢，就需要更多的時間解決：施加方波電壓代替階躍電壓，可以大大縮短測量時間電荷法階躍電壓下直接測量電流時域曲線，由于受采樣速度的限制，只適用于測低頻段的介電頻譜要測量較高頻段的頻譜，需要采用電荷法。電荷法測量的是電荷量，是電流對時間的積分值，在給定時間內(nèi)，其幅值變化比電流的變化要緩慢的多。電荷與時間對數(shù)的關系基本接近線性。電荷法測量原理大小相等、極性相反的兩個階躍電壓，同時施加在兩個三端電容器上。Cx被測試樣Ca空氣電容器，抵消第一次采樣前的響應放大器A，積分，并保證電容被保護電極零電位電荷法電極系統(tǒng)電極裝置，要保證接觸良好、響應快、沒有因漏電流、分布電容等造成顯著地誤差。采