電容相對(duì)介電常數(shù)及損耗因數(shù)的測(cè)量課件

2-1概述2-2電橋法測(cè)量Cx及tanδ2-3諧振法測(cè)量Cx及tanδ2-4測(cè)量誤差及其消除方法2-5介電譜的測(cè)量電容(相對(duì)介電常數(shù))及損耗因數(shù)的測(cè)量1、對(duì)相對(duì)介電常數(shù)εr的要求 1）儲(chǔ)能元件大，使單位體積中儲(chǔ)存的能量大2）一般電工設(shè)備小，減小流過的電容電流2、對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ(介質(zhì)損耗角正切)的要求1）一般電工設(shè)備中用的電介質(zhì)和絕緣體小，否則易消耗浪費(fèi)電能，使介質(zhì)發(fā)熱，容易造成老化或損壞2）特殊要求利用介質(zhì)發(fā)熱大3、測(cè)量目的： 1）檢驗(yàn)評(píng)定電工設(shè)備、元件的性能，選擇合適的絕緣材料2）通過測(cè)量，來判斷絕緣系統(tǒng)中的含濕量、老化程度等3）測(cè)量其頻率譜和溫度譜，可作為研究電介質(zhì)和絕緣材料物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種手段2-1概述相對(duì)介電常數(shù)εr定義：在同一電極結(jié)構(gòu)中，電極周圍充滿介質(zhì)時(shí)的電容Cx與周圍是真空時(shí)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(cè)量電容Cx及與電極、試品有關(guān)的尺寸電路分析法計(jì)算tanδ并聯(lián)串聯(lián)說明：1、并聯(lián)等效阻抗能切實(shí)反映絕緣體中有泄漏電流的事實(shí)Cx=Cp，當(dāng)tanδ<0.1時(shí)，Cx=Cp≈Cs，誤差不超過1%2、介質(zhì)損耗很微小，不能用普通的功率表測(cè)量，將試品視為等效阻抗，測(cè)得

計(jì)算tanδ影響相對(duì)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(guān)若有夾層極化，高場(chǎng)強(qiáng)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(cè)得的值增大2、頻率極化需要一定時(shí)間，若這時(shí)間比交變電場(chǎng)的周期長(zhǎng)的多，這種極化就來不及完成。頻率低時(shí)，各種極化都存在，εr大，頻率高時(shí)，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(chǎng)變化而無滯后，相位差為90o，也無損耗；只在極化有滯后時(shí)出現(xiàn)介質(zhì)損耗，εr變化時(shí)，tanδ出現(xiàn)最大值

4、濕度水的εr很大（81），同時(shí)水分滲入會(huì)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(dǎo)也比較大，tanδ也明顯增大。適用：測(cè)量頻率不很高時(shí)（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(duì)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(dòng)平衡電橋雙T電橋2-2電橋法測(cè)量Cx及tanδ阻容電橋：高壓橋臂：試品Zx，無損標(biāo)準(zhǔn)電容器Cx低壓橋臂：無感電阻R3，R4/C4并聯(lián)調(diào)節(jié)R3，C4使電橋平衡當(dāng)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(jié)構(gòu)、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(guān)：1）比例臂兩阻抗相等時(shí)（串接部分），靈敏度最高；2）電壓、頻率越高、指示器可測(cè)出的電流或電壓越小，電橋靈敏度就越高。電橋的四個(gè)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(zhǎng)電纜等，高壓下會(huì)流過很大的電流，在R3上并聯(lián)電阻分流器(a)；當(dāng)電流更大時(shí)，要用精密電流互感器(b)反接和對(duì)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(hù)金屬環(huán)K，減小絕緣子泄露電流的影響對(duì)角線接地電橋：電橋在C點(diǎn)接地，試驗(yàn)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(gè)阻抗可以做的很接近，彌補(bǔ)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(shí)加瓦格納接地（三）自動(dòng)平衡電橋：電壓比例臂變壓器電橋制成選擇標(biāo)準(zhǔn)元件RN，CN，自動(dòng)平衡的改變UR，UC，直到電橋平衡數(shù)字式自動(dòng)平衡電橋LR，CR鎖相器；ADA模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器；不接試品，選擇RN，CN；接試品，自動(dòng)調(diào)節(jié)UC，URd:試樣厚度A:電極面積CN:標(biāo)準(zhǔn)電容Ux:施加于試樣上的電壓Uc:記錄的信號(hào)RN:標(biāo)準(zhǔn)電阻UR:記錄的信號(hào)γ0:電流電導(dǎo)率ε’’：損耗指數(shù)雙T電橋兩個(gè)T形網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)組成輸入端接電源E輸出端接平衡指示器G測(cè)量過程1、閉合開關(guān)，接入試品，C2i，C3i2、打開開關(guān)，不接試品，C2o，C3o精度：公共接地O，a端對(duì)地雜散阻抗與電源并聯(lián)，b端對(duì)地雜散阻抗與指示器并聯(lián)，不會(huì)引入測(cè)量誤差?？稍?0kHz~50MHz范圍內(nèi)保持較高的準(zhǔn)確度諧振法測(cè)量電容1、由電感L和調(diào)諧電容C組成，損耗用等效電導(dǎo)Go表示2、諧振回路品質(zhì)因數(shù)Qo和損耗因數(shù)tanδ是倒數(shù)關(guān)系3、電壓表V用以測(cè)量C兩端的電壓4、測(cè)量電容CP：根據(jù)諧振條件求得

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

3）試品電容為：5、兩次測(cè)量值均有誤差，但只要誤差是相同的，在計(jì)算偏差時(shí)可以消除，是替代法的優(yōu)點(diǎn)變Q法測(cè)量tanδ1、諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q值和tanδ成倒數(shù)關(guān)系2、Q值可用諧振時(shí)調(diào)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(cè)量4、諧振回路接與不接試品，回路Q值不同，接試品時(shí)Q小1)不接試品時(shí)2)接試品時(shí)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M(fèi)Hz；電壓：幾V。要求負(fù)載能力很強(qiáng)，輸出阻抗很小，頻率和幅值在負(fù)載變化時(shí)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(dú)立元件，測(cè)量頻率較高時(shí)，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(cè)量電源及調(diào)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(chǎng)干擾 試品空間中的電磁場(chǎng)，在試品測(cè)試回路中產(chǎn)生干擾電流消除：1)屏蔽法:試品的測(cè)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(chǎng)透過屏蔽層時(shí)大大衰減，衰減程度與屏蔽材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、金屬板的厚度以及被衰減的電磁波的頻率有關(guān)。適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在變電站等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中無法采用。2)倒向法：在正相和反相電壓下，兩次測(cè)量檢測(cè)：磁場(chǎng)干擾主要是影響指示電橋平衡的檢流計(jì)的正常工作，即改變其中的固有磁場(chǎng)。測(cè)量前先把檢流計(jì)的輸入開關(guān)置于斷開位置，若只是不為零，說明有外來磁場(chǎng)的干擾，可移動(dòng)電橋和檢流計(jì)位置，直到指示為零?；虿捎玫瓜蚍y(cè)量后計(jì)算2-4測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果造成嚴(yán)重影響1)星形阻抗與試品耦合:

耦合阻抗不同，對(duì)測(cè)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(jī)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(chǎng)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(cè)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(zhì) 3)可用并聯(lián)等效阻抗分析試品表面及周圍媒質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

測(cè)得的電容總是偏大 若邊緣tanδb小于試品，則測(cè)得的tanδ偏小

若夾層tanδb大于試品，則測(cè)得的tanδ偏大4、消除或減少接線及電極帶來誤差的方法簡(jiǎn)單方法用較粗的架空短接線，用替代法時(shí)，不接試品時(shí)，將接線保留在測(cè)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(yīng)的影響測(cè)微電極高頻下測(cè)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(jì))3-試品4-接地電極5-波紋管6-測(cè)微螺釘7-微調(diào)電容器8-高壓電極(接電路)不接觸電極接試品時(shí)電極與試品間留一間隙電極可用測(cè)微電極，也可用其他電極結(jié)構(gòu)電極間距離可固定或可調(diào)電橋法或諧振法測(cè)量要求測(cè)量?jī)x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(cè)量誤差比電極法大，尤其是低損耗薄膜材料電極中媒質(zhì)要選用和試品測(cè)量值接近的液體電極必須刷洗干凈，避免嚴(yán)重誤差復(fù)介電常數(shù)為相對(duì)介電常數(shù)，損耗指數(shù)，介電頻譜：復(fù)介電常數(shù)隨頻率變化的曲線測(cè)量要求頻率的量程很寬前文介紹一臺(tái)儀器不能滿足，兩臺(tái)儀器銜接不好需大量測(cè)量數(shù)據(jù)，大量時(shí)間要求測(cè)量?jī)x器穩(wěn)定性好，零點(diǎn)漂移很小，且不必人工逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量自動(dòng)平衡電橋法可以使用不平衡電橋法、相位比較法、時(shí)域——頻域法、白噪聲法等介電溫譜：復(fù)介電常數(shù)隨溫度變化的曲線2-5介電譜的測(cè)量不平衡電橋1、平衡電橋

不同頻率下，逐點(diǎn)平衡電橋，測(cè)出，，或tanδ,時(shí)間長(zhǎng)2、不平衡電橋

在開始時(shí)，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(shí)輸出電壓的實(shí)部和虛部計(jì)算，1、電橋法 測(cè)ε’和ε’’量程范圍不大，測(cè)溫譜時(shí)變化范圍大，需要相位比較法2、原理 相敏檢波技術(shù) 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(cè)得的PVC介電溫譜時(shí)域-頻域法1、測(cè)量原理

介電譜本質(zhì)上是表征介質(zhì)極化強(qiáng)度隨時(shí)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(shí)間變化的時(shí)域特性上，對(duì)這種時(shí)域特性進(jìn)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(cè)量方法 1）把直流電壓加到試樣上，可測(cè)到隨時(shí)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(cè)得符號(hào)相反的類似的電流-時(shí)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(cè)量電流的持續(xù)時(shí)間，上限決定于階躍電壓的上升時(shí)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(duì)階躍電壓響應(yīng)的過渡電流的積分不能準(zhǔn)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(gè)問題，可以準(zhǔn)確的測(cè)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(gè)很寬的松弛時(shí)間分布，所以過渡電流的測(cè)量也應(yīng)在一段很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。時(shí)間間隔大：混淆誤差變大?。翰蓸訑?shù)據(jù)量十分大過渡電流開始時(shí)隨時(shí)間急劇下降，隨后則逐漸緩慢?？梢园凑詹煌臅r(shí)間范圍選用不同的時(shí)間間隔若要求測(cè)量的頻譜下限頻率很低：測(cè)量電流的時(shí)間很長(zhǎng)，因此要求測(cè)量?jī)x器要非常穩(wěn)定，零點(diǎn)漂移很小要進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，要等試樣放點(diǎn)完畢，就需要更多的時(shí)間解決：施加方波電壓代替階躍電壓，可以大大縮短測(cè)量時(shí)間電荷法階躍電壓下直接測(cè)量電流時(shí)域曲線，由于受采樣速度的限制，只適用于測(cè)低頻段的介電頻譜要測(cè)量較高頻段的頻譜，需要采用電荷法。電荷法測(cè)量的是電荷量，是電流對(duì)時(shí)間的積分值，在給定時(shí)間內(nèi)，其幅值變化比電流的變化要緩慢的多。電荷與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系基本接近線性。電荷法測(cè)量原理大小相等、極性相反的兩個(gè)階躍電壓，同時(shí)施加在兩個(gè)三端電容器上。Cx被測(cè)試樣Ca空氣電容器，抵消第一次采樣前的響應(yīng)放大器A，積分，并保證電容被保護(hù)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(yīng)快、沒有因漏電流、分布電容等造成顯著地誤差。采