电容相对介电常数及损耗因数的测量PPT课件

1、 1、对相对介电常数r的要求1）储能元件大，使单位体积中储存的能量大 2）一般电工设备小，减小流过的电容电流 2、对介质损耗因数tan(介质损耗角正切)的要求 1）一般电工设备中用的电介质和绝缘体小，否则易消耗浪费电能，使介质发热，容易造成老化或损坏 2）特殊要求利用介质发热大 3、测量目的：1）检验评定电工设备、元件的性能，选择合适的绝缘材料 2）通过测量，来判断绝缘系统中的含湿量、老化程度等 3）测量其频率谱和温度谱，可作为研究电介质和绝缘材料物质结构的一种手段2-1 概述第1页/共45页相对介电常数r 定义： 在同一电极结构中，电极周围充满介质时的电容Cx与周围是真空 时的电容C0(几何

2、电容)之比 若为平行板电极 A电极面积(m2)， t电极间距离(m)， 08.85410-12(F/m) r是测量电容Cx及与电极、试品有关的尺寸0 xrCC00ACt0.036xrtCA第2页/共45页损耗因数tan 定义：试品在施加电压时所消耗的有功功率与无功功率的比值，即介质损耗角的正切tan 介质无损耗时，电流与电压相位差为90o 介质有损耗时，电流于电压相位差为90o-第3页/共45页电路分析法计算tan并联 串联说明：1、并联等效阻抗能切实反映绝缘体中有泄漏电流的事实Cx=Cp ，当tan0.1时， Cx=Cp Cs，误差不超过1%2、介质损耗很微小，不能用普通的功率表测量，将试品

3、视为等效阻抗，测得 计算tan1tanrrccPPPuIPuIC RtanrrssccPu IC RPu I1tanssPPC RC R21tanspCC21(1)tanPsRR1ssPPC RC R或第4页/共45页影响相对介电常数与损耗因数的因素 1、电压幅值 一般情况与施加电压的幅值无关一般情况与施加电压的幅值无关 若有夹层极化，高场强将使其增大若有夹层极化，高场强将使其增大 若绝缘体中有气泡，在电压超过起始放电电压后，测得的值增大若绝缘体中有气泡，在电压超过起始放电电压后，测得的值增大第5页/共45页 2、频率 极化需要一定时间，若这时间比交变电极化需要一定时间，若这时间比交变电场的周

4、期长的多，这种极化就来不及完场的周期长的多，这种极化就来不及完成。成。频率低时频率低时，各种极化都存在，各种极化都存在，r大，频率高时频率高时，夹层极化、偶极子极化来不，夹层极化、偶极子极化来不及完成，只剩下电子极化、原子极化，及完成，只剩下电子极化、原子极化，r减小。减小。 tan：主要由偶极子极化、夹层极化造主要由偶极子极化、夹层极化造成。成。频率高频率高，无极化故无损耗；，无极化故无损耗；频率低频率低，极化完全跟的上电场变化而无滞后，相极化完全跟的上电场变化而无滞后，相位差为位差为90o，也无损耗；只在极化有滞，也无损耗；只在极化有滞后时出现介质损耗，后时出现介质损耗， r 变化时，变化

5、时，tantan出现最大值出现最大值第6页/共45页3、温度r: 温度升高温度升高会使分子间的束缚力减小，会使分子间的束缚力减小，极化容易形成，因而介电常数极化容易形成，因而介电常数增大增大，但当温度但当温度很高很高时，物质密度降低，而时，物质密度降低，而且分子的热运动加剧，从而使极化强且分子的热运动加剧，从而使极化强度度降低降低。tan：温度温度较低较低时，在时，在r变化时出现最大值变化时出现最大值，而在温度而在温度很高很高时，由于电导产生的介时，由于电导产生的介质损耗占主要地位，介质损耗就和电质损耗占主要地位，介质损耗就和电导一样随温度上升而导一样随温度上升而指数式增长指数式增长。同。同时

6、温度升高，极化松弛时间减小，时温度升高，极化松弛时间减小， tan随随 频率变化的最大值向高频方向频率变化的最大值向高频方向移动。移动。第7页/共45页 4、湿度 水的r很大（81），同时水分渗入会起增塑作用，使极化更容易形成，也使得r明显增大，在加上水的电导也比较大， tan也明显增大。第8页/共45页 适用：测量频率不很高时（低于MHz） 分类： 阻容电桥 高压西林电桥：精密西林电桥，大电容电桥，精密西林电桥，大电容电桥，反接和对角线接地电桥 低压阻容电桥：电容比例臂电桥，电阻比例臂电桥电容比例臂电桥，电阻比例臂电桥 变压器电桥（电感比例臂电桥） 电流比变压器电桥电流比变压器电桥 电压比变

7、压器电桥电压比变压器电桥 自动平衡电桥自动平衡电桥 双T电桥2-2 电桥法测量Cx及tan第9页/共45页阻容电桥： 高压桥臂：试品Zx，无损标准电容器Cx 低压桥臂：无感电阻R3，R4/C4并联 调节R3，C4使电桥平衡 当tanZ3，ZNZ4，电桥上施加的电压绝大部分都降落在高压桥臂上 电桥灵敏度与电桥本身结构、电桥上施加的电压幅值及频率、以及电桥的平衡指示器有关：1）比例臂两阻抗相等时（串接部分），灵敏度最高；2）电压、频率越高、指示器可测出的电流或电压越小，电桥灵敏度就越高。电桥的四个桥臂都是由电阻电容组成的电桥（最常用）。441tanxPPC RC R42311tanPNxRCCR4

8、3PNRCCR4410R4tanKC14: :1CFKF注：第10页/共45页精密西林电桥（高压） 采取措施，消除或减小对电桥结构上可能造成的误差 1）减小标准电容器的损耗 标准电阻正常情况下tanN10-5,若受潮，受污染，或是电压太高出现局部放电，则会增大几个数量级，使用时应保证标准电阻干净、无局部放电 2）减小杂散电容的影响 试品低压端连接到桥臂及平衡指示器要用屏蔽线，且屏蔽线外屏蔽接地，采用电位自动跟踪器（输入阻抗很高1012，放大倍数1，无相位移的放大器），保证C、D零电位 3）减小残余电感及零电容的影响 R4中点加可调电容tantantanmxN第11页/共45页大电容电桥 精密西

9、林电桥内电阻R3允许的最大电流为30mA，电容量很大的试品，如电力电容器，长电缆等，高压下会流过很大的电流，在R3上并联电阻分流器(a)；当电流更大时，要用精密电流互感器(b)3434443( ) tan()NxNnNNnRRRaCCRRRC RCRRR4334443()( ) tanNNxNnNnNC R RRbCKKCR RRRC RC RR第12页/共45页反接和对角线接地电桥反接电桥：若试品一端必须接地，精密西林电桥不能使用，将电桥接地端改到高阻抗桥臂一端安全性：低压桥臂安装在法拉第笼S内，S用绝缘子N支撑，N上加保护金属环K，减小绝缘子泄露电流的影响对角线接地电桥：电桥在C点接地，试

10、验变压器两端都不能接地4443 tanxNRCCC RR4443 tanxNRCCC RR第13页/共45页低压阻容电桥（适用于薄膜材料） 适用：薄膜材料及某些电子器件，不允许施加过高电压，要采用低压电桥(不大于100V)，比例臂的两个阻抗可以做的很接近，弥补由于电压降低而造成的电桥灵敏度的降低 1、电容比例臂电桥 2、电阻比例臂电桥343343tantantantantantanxNmxNCCCCC RC1,G1接上试品：Ci，Gi取掉试品：Co，Go适用于50Hz及以下超低频0tanPioiPppCCCGGGCC第14页/共45页变压器电桥电感比例臂电桥 桥臂：试品，标准电容器，两个电感

11、（一）电流比变压器电桥:电感桥臂与平衡指示器回路耦合 适用：试品工作电压高，高电压下测量，又称为高压变压器电桥000 tanpaaPxPfGNGNCCNCCN第15页/共45页 （二）电压比变压器电桥：电感桥臂与电桥的电源耦合 适用：施加于电桥的电压不高时0tanPiPoipPCCCGGGGC1212+C = tanpaaaPPaPPPPfPGNGNNNCCGGNNNCCN加瓦格纳接地第16页/共45页 （三）自动平衡电桥：电压比例臂变压器电桥制成 选择标准元件RN，CN，自动平衡的改变UR，UC，直到电桥平衡 数字式自动平衡电桥LR，CR锁相器；ADA模数、数模转换器；不接试品，选择RN，C

12、N；接试品，自动调节UC，URd:试样厚度 A:电极面积 CN:标准电容 Ux:施加于试样上的电压 Uc:记录的信号RN:标准电阻 UR:记录的信号 0:电流电导率 ：损耗指数0NrCxCdUAU0001tanRNxUdA R U 第17页/共45页双T电桥 两个T形网络并联组成 输入端接电源E 输出端接平衡指示器G 测量过程 1、闭合开关，接入试品，C2i，C3i 2、打开开关，不接试品，C2o，C3o 精度：公共接地O，a端对地杂散阻抗与电源并联，b端对地杂散阻抗与指示器并联，不会引入测量误差。可在50kHz50MHz范围内保持较高的准确度22333131= tanPioPPRCCCCCC

13、C RCC第18页/共45页 电桥法的局限性： 1、随频率提高，测量回路中的杂散电容及电感对测量结果的影响增大 2、电桥回路和元件的杂散电容及电感较大，一般适用于测量频率在MHz以下 谐振法优点： 1、测量频率在MHz以上 2、谐振法测试回路简单，用的元件少，杂散电容及电感较小 3、用替代法测量，可把部分固定的误差减除 4、在很高测量频率(GHz)下，可使测量误差减到允许范围2-3 谐振法测量Cx及tan第19页/共45页谐振法测量电容 1、由电感L和调谐电容C组成，损耗用等效电导Go表示 2、谐振回路品质因数Qo和损耗因数tan是倒数关系 3、电压表V用以测量C两端的电压 4、测量电容CP：

14、根据谐振条件求得 1）闭合S，接入试品，调C使电路谐振Ci 2）打开S，不接试品，调C出现谐振，Co 3）试品电容为： 5、两次测量值均有误差，但只要误差是相同的，在计算偏差时可以消除，是替代法的优点0001tanCQG1()ipLCC1oLCPoiCCCC 第20页/共45页变Q法测量tan 1、谐振回路的品质因数Q值和tan成倒数关系 2、Q值可用谐振时调谐电容器C两端的电压Ur与电源电压U0之比表示 3、 Q值可以用Q表测量 4、谐振回路接与不接试品，回路Q值不同，接试品时Q小 1)不接试品时 2)接试品时 3)试品损耗因数为0001tanrGQC01tan()PiiPiGGQCC001

15、11tan()()PrrxPiiPiPGGCCCQCCQQC第21页/共45页Q表 1、电源：频率和幅值都可变的高频正弦电压发生器，频率：几十kHz几百MHz；电压：几V。要求负载能力很强，输出阻抗很小，频率和幅值在负载变化时都很稳定 2、谐振回路：电感L和谐振电容C组成。C：30500pF；电感L：外插的独立元件，测量频率较高时，选较小的电感量。要求回路的损耗小，即Qo值大。 3、电压表：用以测量电源及调谐电容C两端的电压，后者要求输入阻抗很高，很灵敏，通常是电力毫伏表第22页/共45页变电纳法测量tan 1、谐振曲线的宽度C与谐振回路的损耗有一定的关系，损耗越大，C就越大 2、利用接和不接

16、试品两种情况下，回路谐振曲线宽度C的变化来测量试品的tan 3、接入试品测试1)调C使回路谐振，谐振电压Uri，计算 2)调大C，使UC下降为Usi，记C为Cbi3)调小C，使UC上升为Uri后再降到Usi，记C为Cai 4、不接试品测试1)调C使电路谐振，谐振电压Uro ，计算2)调大C，使UC下降为Uso，记C为Cbo3)调小C，使UC上升为Uro后再降到Uso，记C为Cai/2siriUU/2soroUU 2iibiaiioxCCCCGGG() 2iooboaoxioCCCCCGGGtan2xioxxxGCCCC要求电源电压和频率稳定，谐振回路的损耗小，并有微调电容器，比变Q值法具有较高

17、的灵敏度和准确度，但操作较烦第23页/共45页一、外来电磁场干扰试品空间中的电磁场，在试品测试回路中产生干扰电流消除：1)屏蔽法:试品的测试系统和干扰源之间用金属板或网屏蔽起来，使电磁场透过屏蔽层时大大衰减，衰减程度与屏蔽材料的电导率、磁导率、金属板的厚度以及被衰减的电磁波的频率有关。适用于实验室内，在变电站等现场试验中无法采用。2)倒向法：在正相和反相电压下，两次测量检测：磁场干扰主要是影响指示电桥平衡的检流计的正常工作，即改变其中的固有磁场。测量前先把检流计的输入开关置于断开位置，若只是不为零，说明有外来磁场的干扰，可移动电桥和检流计位置，直到指示为零。或采用倒向法测量后计算2-4 测量误

18、差及其消除方法第24页/共45页 二、外界耦合阻抗 外来阻抗与试品或任一桥臂耦合，对测量结果造成严重影响 1)星形阻抗与试品耦合:耦合阻抗不同，对测得电容及tan影响不同 2)变压器旁放置木梯电容偏大， tan偏小 3)电机棒放在桌子上电容和损耗因数都偏大第25页/共45页三、电极、电导等可能造成的误差：误差随测量频率的提高而增大1、连接导线的电阻、电感以及分布电容带来误差 分析接线电感和电阻影响时，试品用串联等效电路表示测量频率很高(几MHz以上)，试品电容很大，接线很长时，要注意接线电感及电阻的影响 分析接线电容影响时，试品用并联等效电路表示测得的电容偏大，损耗因数偏小第26页/共45页

19、2、对于原材料或某些部件，测量时必须加上电极才能加电压，电极与试品间 接触不好带来误差 电极与试品之间接触不良，即电极与试品之间存在一夹层，在电极之间的电场中，除了试品外还有夹层测得的电容总是偏小若夹层tan小于试品，则测得的tan偏小，如空气若夹层tan大于试品，则测得的tan偏大，如很脏的粘合剂或水第27页/共45页 3、电极边缘的影响1)某些场合不能使用三电极系统，各种元器件、各种绝缘材料在高频下用谐振法测量电容及损耗因数用两电极2)电极边缘的电力线仍然通过试品的表面及试品周围的媒质3)可用并联等效阻抗分析试品表面及周围媒质对测量结果的影响测得的电容总是偏大若边缘tanb小于试品，则测得

20、的tan偏小若夹层tanb大于试品，则测得的tan偏大第28页/共45页 4、消除或减少接线及电极带来误差的方法 简单方法 用较粗的架空短接线，用替代法时，不接试品时，将接线保留在测试系统中 用损耗因数与试品相同、介电常数很小的粘合剂涂在电极与试品的表面使两者接触好 用三电极系统可避免电极边缘效应的影响 测微电极 高频下测量绝缘材料的专用电极夹具 试品放在高压电极与接地电极之间1-接地端 2-高压电极(接伏特计)3-试品 4-接地电极 5-波纹管 6-测微螺钉 7-微调电容器 8-高压电极(接电路)第29页/共45页 不接触电极 接试品时电极与试品间留一间隙 电极可用测微电极，也可用其他电极结

21、构 电极间距离可固定或可调 电桥法或谐振法测量 要求测量仪器要有更高的灵敏度 由于试品厚度误差引起介电常数测量误差比电极法大，尤其是低损耗薄膜材料 电极中媒质要选用和试品测量值接近的液体电极必须刷洗干净，避免严重误差第30页/共45页复介电常数 为相对介电常数 ， 损耗指数， 介电频谱：复介电常数随频率变化的曲线 测量要求频率的量程很宽测量要求频率的量程很宽 前文介绍一台仪器不能满足，两台仪器衔接不好前文介绍一台仪器不能满足，两台仪器衔接不好 需大量测量数据，大量时间需大量测量数据，大量时间 要求测量仪器稳定性好，零点漂移很小，且不必人工逐点进行测量要求测量仪器稳定性好，零点漂移很小，且不必人

22、工逐点进行测量 自动平衡电桥法可以使用自动平衡电桥法可以使用 不平衡电桥法、相位比较法、时域不平衡电桥法、相位比较法、时域频域法、白噪声法等频域法、白噪声法等 介电温谱：复介电常数随温度变化的曲线2-5 介电谱的测量*jrtan第31页/共45页不平衡电桥 1、平衡电桥不同频率下，逐点平衡电桥，测出 ， ，或tan, 时间长 2、不平衡电桥在开始时，在某一频率下平衡电桥，之后改变电桥电源的频率，从电桥偏离平衡时输出电压的实部和虚部计算 ，第32页/共45页 1、电桥法测和量程范围不大，测温谱时变化范围大，需要相位比较法 2、原理相敏检波技术与u0同相电压，及差90o电压 产生：与u0同相电流I

23、R差90o电流IC相位比较法000RcdIu AdIuA第33页/共45页 相位比较法测得的PVC介电温谱第34页/共45页时域-频域法 1、测量原理介电谱本质上是表征介质极化强度随时间的变化特征，这可以表现在吸收电流、去极化电流等随时间变化的时域特性上，对这种时域特性进行傅里叶变换，就可以得到随频率变化的频域特性，即介电频谱。 2、测量方法1）把直流电压加到试样上，可测到随时间变化的通过试样的电流2）把电压去除，并将试样短路，又可测得符号相反的类似的电流-时间的曲线3）曲线中包含很宽的频谱信息，频谱下限决定于测量电流的持续时间，上限决定于阶跃电压的上升时间4）突然施加或去除的阶跃直流电压可用

24、电压阶跃函数来分析第35页/共45页*( )( )( )( )dQ tdu ti ttdtdt *j*0( )j ti t edt0001( )cosCttdtC0001( )sinGttdtC第36页/共45页数值傅里叶变换法对阶跃电压响应的过渡电流的积分不能准确地用解析法来求得，数值傅里叶积分法能较好的解决这个问题，可以准确的测量50mHz1Hz超低频段的介电谱。一般在低频区内发生的松弛过程都有一个很宽的松弛时间分布，所以过渡电流的测量也应在一段很长的时间内进行。时间间隔大：混淆误差变大大：混淆误差变大小：采样数据量十分大小：采样数据量十分大过渡电流开始时随时间急剧下降，随后则逐渐缓慢。可以按照不同的时间范围选过渡电流开始时随时间急