电容相对介电常数及损耗因数的测量课件

2-1概述2-2电桥法测量Cx及tanδ2-3谐振法测量Cx及tanδ2-4测量误差及其消除方法2-5介电谱的测量电容(相对介电常数)及损耗因数的测量1、对相对介电常数εr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tanδ(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概述相对介电常数εr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(几何电容)之比

若为平行板电极A—电极面积(m2)，t——电极间距离(m)，ε0—8.854×10-12(F/m)

εr是测量电容Cx及与电极、试品有关的尺寸电路分析法计算tanδ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tanδ<0.1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，将试品视为等效阻抗，测得

计算tanδ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2、频率极化需要一定时间，若这时间比交变电场的周期长的多，这种极化就来不及完成。频率低时，各种极化都存在，εr大，频率高时，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，εr减小。tanδ：主要由偶极子极化、夹层极化造成。频率高，无极化故无损耗；频率低，极化完全跟的上电场变化而无滞后，相位差为90o，也无损耗；只在极化有滞后时出现介质损耗，εr变化时，tanδ出现最大值

4、湿度水的εr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εr明显增大，在加上水的电导也比较大，tanδ也明显增大。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，反接和对角线接地电桥低压阻容电桥：电容比例臂电桥，电阻比例臂电桥变压器电桥（电感比例臂电桥）电流比变压器电桥电压比变压器电桥自动平衡电桥双T电桥2-2电桥法测量Cx及tanδ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tanδ<0.1，误差允许不大于1%，则，工频高电压，取安全性：Zx>>Z3，ZN>>Z4，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）。大电容电桥精密西林电桥内电阻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)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，试验变压器两端都不能接地低压阻容电桥（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C1,G1接上试品：Ci，Gi取掉试品：Co，Go适用于50Hz及以下超低频（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加瓦格纳接地（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，CN；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γ0:电流电导率ε’’：损耗指数双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，C3i2、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50kHz~50MHz范围内保持较高的准确度谐振法测量电容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tanδ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：根据谐振条件求得

1）闭合S，接入试品，调C使电路谐振Ci2）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，是替代法的优点变Q法测量tanδ1、谐振回路的品质因数Q值和tanδ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：30~500pF；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测量误差及其消除方法二、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tanδ影响不同2)变压器旁放置木梯

电容偏大，tanδ偏小3)电机棒放在桌子上

电容和损耗因数都偏大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tanδb小于试品，则测得的tanδ偏小

若夹层tanδb大于试品，则测得的tanδ偏大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)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自动平衡电桥法可以使用不平衡电桥法、相位比较法、时域——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介电谱的测量不平衡电桥1、平衡电桥

不同频率下，逐点平衡电桥，测出，，或tanδ,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，1、电桥法 测ε’和ε’’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IR 差90o电流IC

相位比较法相位比较法测得的PVC介电温谱时域-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电压阶跃函数来分析数值傅里叶变换法 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50mHz~1μHz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用不同的时间间隔若要求测量的频谱下限频率很低：测量电流的时间很长，因此要求测量仪器要非常稳定，零点漂移很小要进行重复测量，要等试样放点完毕，就需要更多的时间解决：施加方波电压代替阶跃电压，可以大大缩短测量时间电荷法阶跃电压下直接测量电流时域曲线，由于受采样速度的限制，只适用于测低频段的介电频谱要测量较高频段的频谱，需要采用电荷法。电荷法测量的是电荷量，是电流对时间的积分值，在给定时间内，其幅值变化比电流的变化要缓慢的多。电荷与时间对数的关系基本接近线性。电荷法测量原理大小相等、极性相反的两个阶跃电压，同时施加在两个三端电容器上。Cx被测试样Ca空气电容器，抵消第一次采样前的响应放大器A，积分，并保证电容被保护电极零电位电荷法电极系统电极装置，要保证接触良好、响应快、没有因漏电流、分布电容等造成显著地误差。采