2023固体绝缘材料 介电和电阻特性第8部分：介电特性（AC方法）

8（AC）（MHz～300MHz）II目 次前言 II引言 III112范引文件 13语定义 14验法 25验序 9697复和现性 10附录A（料）串电路偿法 11附录B（料）带蔽环平电极 12附录C（料）仪器 13附录D（料）空中微控平电的接触极法 17参考献 18图2等电图 4图3带试和线备的效联路 5图4两极统存的剩阻和散容 7图A.1联路偿法 11图B.1屏环并电极置 12图C.1联T网的电路图 13图C.2联T网的际电图 13图C.3 谐法理电图 15图C.4动衡路 16图D.1接电方法 17表1使仪的率围 8PAGEPAGE108（AC相对介电常数和介质损耗因数（1MHz～300MHz）范围1MHz至300MHz（AC方法）。（IEC60212固体绝缘材料在试验前和试验时采用的标准条件(Standardconditionsforusepriortoandduringthetestingofsolidelectricalinsulatingmaterials)注：GB/T10580—2015固体绝缘材料在试验前和试验时采用的标准条件(IEC60212:2010，IDT)下列术语和定义适用于本文件。ISO和IEC维护的用于标准化的术语数据库地址如下：。电气绝缘材料electricalinsulatingmaterial具有可忽略不计的低电导率的固体材料，用于隔离电势不同的导体部分。注1：术语“电气绝缘材料”也可以指绝缘液体和绝缘气体。IEC60247包含绝缘液体的内容[1]。介电特性dielectricproperties绝对介电常数absolutepermittivityε电通密度除以电场强度的商。真空介电常数vacuumpermittivityε0000真空的介电常数，与磁常数ε0μ0和真空中光速c0相关，用关系式εμc2=1表示。000相对介电常数relativepermittivityεr绝对介电常数与真空介电常数ε0的比值。相对复介电常数relativecomplexpermittivityεr稳定的正弦场下，以复数表示的介电常数。介质损耗因数tanδdielectricdissipationfactortanδ损耗角正切值losstangent复介电常数的虚部与实部的比值。电容capacitanceC导体间存在电势差时，导体和电介质组成的系统存储电荷的特性。施加电压voltageapplication电极间施加的电压。注：施加电压有时被称为电化。测量电极measuringelectrodes贴附于材料表面的或者埋入材料内部的导体，与之接触以测量材料的介电或电阻特性。注：测量电极的设计取决于试样和试验目的。基本原理电容C是导体和电介质排列的特性，当导体之间存在电位差时，电容C允许电荷存储。C是电荷量q与电位差U的比值。电容值始终为正，用公式（1）表示。 𝐶=𝑞················································································(1)𝑈式中：C——电容，单位为法拉（F）；q——电荷量，单位为库仑（C）；U——电位差，单位为伏特（V）。测量的绝缘材料的介电常数ε是其相对介电常数εr和真空介电常数ε0的乘积，可由公式(2)表示： 𝜀=×············································································(2)（F/m）ε0（2） =8.854187817×10−12····························································(3)相对介电常数是绝对介电常数和真空介电常数ε0的比值。（4）

=𝐶𝑋···············································································(4)𝐶0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εr等于1.00053。因此在实践中，空气中电极结构的电容Ca通常可以代替C0来确定相对介电常数εr，具有足够的精度。在稳定正弦电场下，相对复介电常数是以复数表示的介电常数，如公式(5)所示： 𝜀𝑟=𝜀𝑟′−𝑗𝜀𝑟′′=|𝜀𝑟|×𝑒−𝑗𝛿·····························································(5)−其中𝜀𝑟′和𝜀𝑟′′为实数。注2：复介电常数𝜀𝑟通常以𝜀𝑟′和𝜀𝑟′′，或εr和tanδ的形式使用。−注3：𝜀𝑟′′又称损耗指数。介质损耗因数tanδ（损耗角正切值）是复介电常数虚部与实部的比值。说明：U——施加的电压；I——产生的电流；I0——产生的电流的虚部；Iw——产生的电流的实部；φ——施加电压与产生电流的相位差；δ——介质损耗角，φ角的余角。图1介质损耗因数介质损耗因数tanδ（损耗角正切值）是复介电常数虚部与实部的比值，如公式(6): tan𝛿=𝜀𝑟′′ (6)𝜀𝑟′）tanδ是弧度φδ（）比较（2）（7）（8）和公式（9）。 𝑡𝑎𝑛𝛿=

×

= 1

·····························································(7) = 1 ···········································································(8)𝐶𝑆 1+𝑡𝑎𝑛2𝛿 𝑅𝑝=1+ 1 ·········································································(9)𝑅𝑆 𝑡𝑎𝑛2𝛿注4：RS和RP特性的影响。说明：RS——串联电路中的电阻器；CS——串联电路中的理想电容器；Rp——并联电路中的电阻器；Cp——并联电路中的理想电容器。图2等效电路图说明：端子；b——端子；Cp——接有试样PRp——接有试样P的等效并联电路的电阻；Zp——接有试样P的等效并联电路的阻抗；Rlead——剩余电阻；剩余电感；Zlead——由剩余电阻Rlead和从设备到测试装置的引线上存在的剩余电感Llead而产生的阻抗；Clead——包含在Zlead中的的杂散电容；Cedge——电极边缘电容；Rleak——试样和电极装置上的泄漏电阻；Zedge——由于电极边缘电容Cedge与试样和电极装置上的泄漏电阻Redge而产生的阻抗。图3带有试样和引线设备的等效并联电路测量介电常数和介电损耗因数应考虑测量电路的电气特性以及材料的特定电气性能。进行试验时，大多数情况下会使用高压，应注意防止触电。本文件不描述测试仪器和方法的基本原理，相关资料参见IEC6263-2-1[2]。高频测量的特殊因素图3显示了一个等效并联电路，包括一个带有试样的电极系统和端子a和b的接线引线。CpCp100kHz100MHzCp100kHz1000倍Zedge阻抗ZedgeRleak如IEC62631-2-1100kHz注1：由于电容器的阻抗与频率成反比，所以在高频下电容器基本起到导线的作用。注2：杂散电容是与试样电容并联存在的附加电容。杂散电容也存在于接地和连接设备端子与电极的引线之间。注3：（例如通过蒸发及一个仪器端子和电极之间连接的引线上产生的阻抗。电源2电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±5%。电压波形应近似于正弦波，其正负峰值的幅度差小于2%。2正弦形状(峰值与RMS比值等于

)的偏差应在±5%范围内。首选电压为0.1V、0.5V、10V、100V、500V、1000V和2000V。注1：在工作电场强度下进行试验，可能使用更高的电压值。注2：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设备精度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，且测量系统的精度应记录在报告中。注：用户可根据测量结果需要选择测量系统精度。概述如4.2所述，图3中阻抗Zlead和Zedge的在高于1MHz的频率范围内显著影响测量数据的准确性。为避免精度显著降低，宜考虑以下建议：——小的平坦表面且相当厚的圆盘型试样（见4.6.2）；——测量电路的剩余阻抗小；——两端电极系统剩余阻抗小；——使用高可靠性的电导和电容作为基准。图3中的阻抗ZPZP（IEC图3CedgeCpRleakRleak宜采用补偿方法消除杂散电容和剩余阻抗，且要求使用高度可靠的电导和电容作为基准。如）mmmm（IEC62631-2-1:2018A）带有屏蔽环的平行电极是一种有效的电极装置，可在高频范围内减小测量中的边缘效应，参见附录B所述。保护如IEC62631-2-13Clead（a和标引序号说明：1——阻抗测量设备；2——电极和试样。说明：a——端子；b——端子；Rlead——剩余电阻；Llead——剩余电感；Zlead——由剩余电阻Rlead和从设备到测试装置的引线存在的剩余电感Llead而产生的阻抗；Clead——包含在Zlead中的的杂散电容；Zx——试样的等效阻抗。图4两电极系统中存在的剩余阻抗和杂散电容用于高频范围的测量方法可分为如下三种：——电桥法（平衡法）；——共振法；——I-V法。共振法适用于10kHz至几百MHz，基于在谐振电路中感应一个已知的小电压时，测量谐振电路中的电压。当与非接触电极法结合使用时，该方法可适用于高达300MHz频率。当使用保护电极时，这些方法不能轻易调整。IEC62631-2-1:2018的和分别介绍了电桥法和阻抗分析仪法。在高于10MHz的频率下进行测量使用的仪器如表1所示。有必要使用两电极系统。附录C中介绍了这些设备。表1使用仪器的频率范围仪器测量方法频率范围并联T网络电桥法1MHz至150MHz谐振电路共振法10kHz至300MHz阻抗分析仪I-V法20Hz至300MHza自动平衡电桥电桥法20Hz至120MHza用于高频测量的专门设计参见附录C.3。校准应使用准确已知的标准负载校准设备。试样概述测量材料的介电常数和介质损耗因数，建议使用片状试样。300.3mm到5.0参见IEC62631-2-1:2018A）当试样直径比电极直径大两倍或更多时，带屏蔽环的两电极不需要边缘效应校正。附录B中介绍了屏蔽环。D应根据相关产品标准确定待测试样数量，如无此类数据，试样数量应至少为三个。IECB），在23和50特定材料的程序概述试验程序有关的试品制备的一般建议参照IEC62631-2-1：2018的5.1。测量Cx和C0后，可使用公式（10）计算相对介电常数εr。

=𝐶𝑥·············································································(10)𝐶0式中：Cx——试样的电容，其中两个电极之间的空间完全且完全填充有相关绝缘材料；C0——真空中相同结构电极的电容。tanδ通过测量值使用公式（11）计算介质损耗因数tanδ。 tan𝛿= 1𝜔𝐶𝑝×𝑅𝑝

·······································································(11)报告报告应包括如下内容：——试样的名称、标识、材料规格、颜色、来源和制造商代码；——试样和测试单元的形状和尺寸；——试样温度和环境相对湿度；——试样的固化条件和任何预处理；——试验次数和描述程序；——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；——————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、相对介电常数和带有估计精度的介质损耗因数，试样有效面积的误差修正以及由该值计算得到的损耗指数和损失角。如果对一个试样进行多次试验，则应给出与温度和频率有关的平均值。并非所有情况下都是必要的，甚至不适用。总体上，高频范围测量的重复性和再现性低于低频范围内的测量值。附录A（）如所述，使用两电极系统时，测量值中涉及剩余阻抗和杂散电容（见图A.1A）。A.1P1P2ZR值相ZR（K：open）（Zx）（A.1） =𝑍𝑅(𝐾:𝑜𝑝𝑒𝑛)−𝑍𝑅(𝐾:𝑐𝑙𝑜𝑠𝑒) (A.1)串联电路补方法中的阻抗测量设备仅用于获得P1和P2之间的阻抗，因此，获得的阻抗Zx不包括引线的剩余阻抗。该方法适用于几百MHz的频率。注：元件每个元件的电流与补偿后的电流也不相同。a）电系统 b）联偿路统标引序号说明：1——两电极系统的阻抗测量设备；2——两电极系统的电极和试样；3——串联补偿电路系统的阻抗测量设备；4——串联补偿电路系统的电极和试样。说明：a——端子；b——端子；P1——端子；P2——端子；ZR——基准阻抗；Zx——试样阻抗；K——开关。图A.1串联电路补偿方法附录B（资料性）带屏蔽环的平行电极图B.1（B）（A）位于在0.5mm30mm1/20。500kHz至200MHz标引序号说明：1——接地屏蔽环；2——千分尺；3——高压电极；4——接地屏蔽环5——接地电极。图B.1带屏蔽环的并联电极装置该方法的详细资料可查阅参考文献[3]、[4]和[5]。附录C（资料性）仪器T并联T网络是一种桥接电路，其中从振荡器通过两个T网络流向检测器的电流在检测器输入端相等探测器说明：C1、C2和C3——电容器；R1、R2和R3——电阻。图C.1并联T网络的主电路图探测器说明：CA、CB、CN和CH——电容器；L——电感器；RF，RT——电阻；X，Y——端子。图C.2并联T网络的实际电路图图C.1显示了仅使用电阻器和电容器的最简单的并联T电路。更常用于电介质测量的电路原则上如图C.2所示，其平衡条件为（端子X、X开路）： 1+1+1= 1

·····························································(C.1)𝜔2𝐶A𝐶NL 𝑅(1+𝐶H)= 1

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

𝜔2𝐶A𝐶N𝑅FXCVL和RFXYCVCH当试样的电容降低到ΔCV时，试样的电导如公式（C.3）： 𝐺=𝜔2𝐶A𝐶N𝑅T×

································································(C.3)H试样的介质损耗因数tanδ如公式（C.4）： tan𝜕=𝜔𝐶A𝐶N𝑅T×(C.4)式中：ΔCH——CH的增加值。T50kHz150MHz（共振法共振法适用于在10kHz至几百MHz的频率，基于在谐振电路中感应一个已知的小电压时，测量谐振电路中的电压。图C.3显示了电路的常见形式，其中谐振电路通过公共电阻Ro与振荡器耦合。其他耦合方法也同样可以接受。U1当连接试样并重新调整电路时，总电容几乎保持不变，前提是RLG≪1（见图C.3）。因此，试样的电容约为ΔC，即可变电容器的电容变化。试样的介质损耗因数如公式（C.5）所示：( 𝑡𝑎𝑛𝜕≈×1−1) (C.5)(式中：

∆𝐶

𝑄0C1——带有电压表的电路中的总电容和电感器的自电容；Q1——接入试样时Q的值；Q0——不接入试样时Q的值。RLG≪当与非接触电极法配合使用时，该方法适用于高达300MHz的频率。说明：RV——可调电阻器；RL，R0，R——电阻（R=1/G）；L——电感；C——电容；V——电压表；I——电流。图C.3谐振法原理和电路图I-V图Zlead）若一个阻抗的匹配技术是测量电路应用了特性阻抗为50Ω的同轴电缆，则频率范围可以扩展到高于300MHz的值。为了扩大频率范围，还需要仔细布置测量电路和带有试样的电极系统之间的连接。该仪器市场有售，且制造商提供了该方法的说明书