【国家标准(GB)】 固体绝缘材料在工频、音频、高频(包括米波长在内)下相对介电常数和介质损耗因数的试验方法

中华人民共和国国家标准
固体绝缘材料在工频，音频、高频(包括米波长在内）下相对介电
常数和介质损耗因数的试验方法Methods for the determination of the permittivity and dielectricdissipation factor of solid electrical Insulating materials atpower, audio and radio fre quensies including metre wavelengthsGB1409-88
代替 GB 1409—78
本标准等效采用国际标准IEC250（1969）&测基电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波长在内）下相对介电带数和介质损耗因数的推荐方法》，只是去掉其中液体试样及其试验部分。1主题内客与适用范围
本标准规定了固体绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波长在内）下相对介电常数和介质损耗因数的试验方法。
本标准适用于15Hz～300MHz频率范围内测量固体绝缘材料的相对介电带数、介质损耗因数，并由此计算革些数值，如摄耗指数。测量所得的数值与一些物理条件，例如频率、温度、湿度有关，在特殊情况下也与场强有关。2定义
2.1相对介电常数e
绝缘材料的相对介电常数ε,是电极间及其周围的空问全部充以绝缘材料时，其电容Cx与同样构型的真空电容器的电容C之比：
e = Cx/C.
在标准大气压下，不含一氧化碳的干燥空气的相对介电带数等于1.00053。因此，用这种电极构型在空气中的电容C.来代替C。测景相对介电常数时，有足够的精确度，在一个给定的测系统中，绝缘材料的介电常数是该系统中绝缘材料的相对介电常数与真空介电常数 。的乘积。
真空介电常数：
E= 8. 854 × 10 12 F/m 2
在本标推中用 pF/r:m 来计算,真空介电常数为：361
X 10-iF/m
Eg=0.08854pF/cm
2.2介质损耗角5
绝缘材料的介质损耗角，是由该绝缘材料作为介质的电容器上所施加的电压与流过该电容器的电流之间的相位差的余角。
2.3介质损耗因数tang
中华人民共和国机械电子工业部1988·0831批准1989-07-01实施
GB1409—88
绝缘材料的介质损耗因数是介质损耗角6的止切tang。2. 4损耗指数 E\,
绝缘材料的损耗指数&\,等于该材料的介质损耗因数 tan与相对介电常数 E,的乘积。2.5相对复介电常数
绝缘材料的相对复介电常数是由相对介电常数和损耗指数结合而得出的：e = e, je\
E, = 6,
式中：.是2.1条中所定义的相对介电常数。e\, e,tand
tand = e\/e'.
有介质损耗的电容器，在任何给定的额率下既可用电容C,和电阻R.的申联回路来表示：R
tand = αC.R.
也能用电容Cp和电阻R(或电导Gp)的并联回路来表示：R,(G.)
tad = 1/ C,Rp
.（3)
（4）
（7）
虽然一个有介质损耗的绝缘材料通常用并联回路来表示，但在单一频率下有时也需要用电容C和电阻Rs的串联回路来表示。
串联元件与并联元件之间有下列关系：Cp = Cs/(1 + tan8)
1+tan'g
r CsRs
不管采用申联表示法还是并联表示法，其介质损耗因数tan是相等的。注,本标准中的计算和测量是根据正弦波形电流(α二2 元D作出的。3影响介电性能的因素
3.1频率
-<10）
只有少数材料，如聚苯乙烯、丙烯、聚四氟乙烯等，在很宽的率范围内相对介电常数和介质摄耗因数是基本恒定的，因而一般的绝缘材料必须在它所使用的频率下测量介质损耗因数和相对介电常数。相对介电常数和介质损耗因数的变化是由于介质极化和电导而引起的，极性分子的偶极极化和材GB 1409--88
料不均匀性导致的界面极化是引起上述变化的主要原四。3.2温度
损耗指数在某一频率下可以出现最大值，这个频率值与绝缘材料的温度有关。介质损耗因数和相对介电常数的温度系数可以足正的也可以是负的，这由测基温度下的损耗因数与其最大值的相对位置来决定。
3.3湿度
极化的程度随水分的吸收量或绝缘材料表面水膜的形成而增加，其结果使相对介电常数、介质损耗因数和直流电导率增大
3.4电场强度
存在界面极化时，自由离了的数日随电场强度的增加而增加，其损耗指数敢人值的大小和位置也随此而变。
在较高的频率下，只要绝缘材料不湛现局部放电，相对介电常数和介质损耗因数与电场强度无关。4试样和电极
4.1试样的几何形状
测定材料的相对介电常数和介质损耗因数，最好采用片状试样，也可以采用状试样。在测定E，值时，最大的误差来自试样尺寸的误差，尤其是厚度的误差。对于1%的精度来说，1.5mm的厚度就足够了对于更高的精度要求，则试样应更厚些，测定tan时，导线的串联电阻与试样电容的乘积应尽可能小，同时，又要求试样电容在总电容中的比值尽可能大。因而，折惠的方案是试样具有几十皮法的电容。测量回路与试样并联的电穿应小于5PF。试样的大小应适合所采用的电极系统。4.2电极系统
4.2.1接触式电极
用4.3条所列电极材料之一加到试样上。电极型式有三电极系统和两电极系统两种。使用两电极系统且使上下两个电极对准有困难时，则下电极应比上电极稍大些，金属电板应稍小或等于试样上-的电极。板状和管状试样使用不同电极时的电容计算公式以及边缘电容近似计算经验公式列于表1，这些公式仅适用于规定的几种试样形状。高额下测量时，为了避免接线电阻、分布电容的影响，推荐使用测微计电极。4.2.2不接触电极
表面电导率很低的试样可以不用电极材料而将它插入电极系统，在这种电极系统中，试样的侧或两侧有一个充满空气或液体的间隙，该问隙可以是固定的，也可以是可调的。用平板电极和圆柱形电极装置进行测量时，其计算公式由表2和表3给山。表1真空电容的计算和边缘电容的修正法向极间电容pF,cm
1.有保护环的圆盘状电极
- 0. 88 544
4=- +g)
2．没有保护坏的圆盘电被
边缴电容的修止PF.cm
电极直径=试样直径
b）上下电极相等.但比试样小
c）上下电极不等
有保护坏的圆柱形电极
4.没有保护环的圆柱形电极
GB 1409--88
续表1
法向极问电容pF,cm
=0,069 54
2 n( g)
Intata/dt)
=0. 24t 6
logGen In(d,/d)
=0. 241 6 1ng(d./d,)
边缘电容的警正，PF,rm
当家时
—0.025—0.058lugh
P' rd:
=0. C19510.058logh+0. CIu
P=元d:
或中:e
试样相对介电常数的迟
似值,并且
0. C4151— C. 077lugh+0. 045P nd.
我中6
试群相对介电常数的运
似值：并且
C. 519e: - 0. 058logh 0. 010P-(d, h)
式师8
试样相对介电常数的近
试样电容
GB1409-88
表2试样电容的计算一接触式测微计电极说明
1．并联一个标准电容器来替代试样电容符号定义
Cp——试样的并联等值电容
试样直径至少比测微计电极的直Cp= AC + Ca
径小2r
在计算相对介电常数时，必须采用试样的真实厚度h和面积A
2、取去试样后减少测微计电极间的距离来替代试样电容试样直径至少比测微计电极的直径小27
Cp= C -C, +Cc
在计算相对介电常数时,必须采用试样的真实厚度h和面积 A
3，并联一个标准电容器来替代试样电容，当试样与电极的直径相时，只有一个微小的误差（因电极边缘电场畸变引起0.2%～0.5%的误差）因面可以避免空气电容的两次计算试样直径等于测微计电极直径，施Cp = C + Cot
加于试样上的电极厚度为零
aC取去试样后,为恢复平衡，标
准电容器的电容增量
C,在距离为，时，测微计电极的校正电容
C取去试样后，恢复平衡，电极距离为S时测微计电极的校正电
ChCib—测微计电极间面积为所插人的试样的面积、距离分
别为r或时的空气电
容，可用表1的式(1)来计
试拌与附加电极的厚度
试样厚度
相对介电常数，e,-
GB 1409—88
表3相对介电常数和介质摄耗因数的计算一不接触电极相对介电常数
测微计电极(在空气中）
或,如果h。调到一个新值h,,而 C二0五
,- h- (h。 - ho)
2．平板电极一流体排出法
I + tan'e,
(C + &C)(1 + tan*8e)
介质摄耗因数
tand, = tanie + Meatano
tand, - tandc + MAtand .
(C + AC)(1 - tan'c)
C + M(C - (Ce + AC)(I + tanBe)JC, + M[Cr - (Cr + AC)(1 - tan))] 符号定义
试样插入时电容改变的值（电
容增加时为+号）
·电极空间装有试样时的电容
·电极间仅有一种流体时的电
容，其值为C
一所考虑的面积上的真空电容，其值为aA/h，
试样个面的面积，cm（当试
样与电极同样大小或当试样大
于电极时即为电极面积）
在试验温度下的流体相对介电
常数(对空气而言=1.00)
真空介电常数，pF/cm
当试样的介质损耗因数小于0,1时，可以用下列公式：tand
eC。+ AC'h
tand, - tande + M =atand
3．圆柱形电极一流体排出法(用于 tan小于 0.1时）tand'- tandc + Stang. -
Aclog(a,7a)
\log(a,ld,)
[logldafde-1
log(d/d,)
4.两种流体法平板电极（用于tam，小于0.1时）ACICea - en)
AC,C,-AC,C
tand. wtanbe +G-atanb,
推荐使用下列两种型式的电极装置。4.2.2.1空气填充测微计电极
试样插入时，介质损耗因
数的增加值
电极空间装有试样时的介
质摄耗因数
试样介质损耗因数的计算
内电极的外直径
试样的内直径
试的外直径
d——外电极的内直径
hu——平行平板间的距离
试样的平均厚度
注：在两种流体法的等式中,注脚1和2 分别表示第 -种和第二种流体当试样插入和不插人电极时。电容都能调节到同一个值，不需作系统的电气校正就能测量相对介电常数(见图1)。
GB 1409—88
图1用于固体绝缘材料测量的测微计电极测微计头;2一用来连接可谢电极B的金属软壁腔;3放试样的空间(试样电容器C,）;4—固定电极A;5—测微计头t6游标电穿器Cs7—电极引出接头;8—可调电极 B4.2.2.2流体排出法固定式电极
在相对介电常数近似等于试样的相对介电常数、而介质损耗因数可以忽略的-种液体内进行测量，这种测量与试样厚度测基的精度关系不大。当相继采用两种流体时，试样厚度和电极系统的尺小可以从计算公式中消去。
试样为试验池电极直径相同的圆形，在测微计电极中，为了消除边缘效应，试样直径约比测微计电极直径小两倍试样厚度。
4.2.3边缘效应
为避免边缘效应引起相对介电常数的测量误差，电极系统应加进一个保护电极，保护电极的宽度至少为试样厚度的两倍。保护电极和测量电极间的间隙应小于试样厚度。使用两电极系统时，应对边缘电容按表1列出的近似计算公式进行修正（这些公式是经验公式，只适用于几种规定的试样形状）。此外，边缘电容也可以用有保护环和无保护环测量的结果进行比较获得。用这个边缘电容来修正另一频率和温度下的电容时，其精确度可以满足要求。4.3电极材料
电极材料是用于改善金属块电极与试样的接触而施加于试样表面的导电材料。4.3.1金属箔电极
金属箔可以为厚度在100μm以下的纯箔、铅箔及厚度在10uμm以下的退火铅箔，也可以使用金箍。在较高温度下不宜使用铝箔，因为铝箔在较高温度下易生成电绝缘的氧化膜而影响测量结果，而少量纯净的硅油或其他低耗粘合剂将金属箔贴到试样E。4.3.2烧熔金电极
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烧熔金属电极一般用银，但在高温和高湿下最好采用金。烧熔金属电极适用于能耐高猛的材料，如玻璃、陶瓷、云母等。4.3.3真空镀膜和金属喷镀电极
真空镀膜电极是在真空下将银或铝或其他金属喷链到试样表面形成的电极。金属喷镀电极是低熔点的金属喷镀到试样表面形成的电极1在制作电极时，真空和喷镀温度对材料性能应不产生永久性的损害。这些电极是多孔的，因此可以在加上电极后进行预处理和条件处理。喷镀金属电极特别适合于潮湿条件下的测试。4.3.4导电液体电极
把试样夹在两块相互配合好的凹模之间，凹模中充满导电液体，该导电液体必须是纯净的。导电液体可为汞，但应谨慎使用汞，因为汞易蒸发出有剧毒的气体，尤其在高温下。4.3.5导电漆
高电导率的银漆，除在试样上经气干或低温烘干后即成电极，该电极具有与4.3.3条相似的优点。漆中的获剂对试样应没有持久的影响，在极高的频率下不能便用导电银。4.3.6导电橡皮
用体积电阻率小于3·m、邵氏硬度为40～~60(A表)的橡皮作为电极材料，把试样放入两块橡皮电极之间,加上 0. 01 MPa 左右的压力。导电橡皮只适合于工频及以下频率的测量。4.4电极的选择
4.4.1板状试样
电极的选择必须考虑以下几点：a。接触式电极：测量、计算简使。工频下的测量主要选用接触式电极，缺点是各种电极材料对测试结果都有影响：
：不接触电极：可避免由于试样和电极接触不良带米的误差，困此测量精度较高。但是，空气填充不接触法测量时，试样厚度测量误差所引起的相对介电常数的误差比接触式电极的稍大；而采用两种流体排出法测量时,试样厚度测量误差对测试结果没有影响。相对介电常数在10以上的非多孔性材料最好采用沉积金属电极，且不用保护电极；介电常数在3～10之间的材料最好采用金属箱，汞或沉积金属作电极材料。若厚度的测量精度较高，则可以用空气填充测微计测量或用流体排出法测量。4.4.2管状试样
对于管状试样，电极系统的选择取决于它的相对介电常数、管壁厚度、试样直径及测量精度要求。般情况下，电极采用三电极系统，管内电极为高压电极，可用求、沉积金属膜、金属箔和配合较好的金属芯轴。管外为测基电极和在它两端的保护电极，电极可用金属箔或沉积金属。高相对介电常数的管状试样，可使用两电极系统和与电极等宽度的试样。大直径的管状试样，可按板状试样考虑。5测量方法的选择
测量绝缘材料的相对介电常数和介质损耗因数的方法可分成两种：零点指示法和回路谐振法。5. 1零点指示法适用于频率不超过50 MHz 的测量,通常采用西林电桥,变压器电桥和平行T形网络，可用替代法和直接法测景。
5.2回路谐振法用于 10kH2.～300 MHz的测基。这种方法总是用替代法，常用的方法有变电纳法和变Q值法等，
儿种典型的测试仪器原理见附录A。6试验步骤
6.1试样
GB 1409—88
试样可按产品规范中的要求或合适的标准方法制备。厚度测量应精确到士(0.2%+0.001mm）以内，测量点应均均地分布在整个测量面上。6.2试样处理
试样处理应按有关的产品规范进行。6. 3 测量
电气测量按本标准和所使用仪器的操作规范进行。在1MHz或更高的频率下测量时，必须用短而粗的导线连接，以消除电感和接线电对测量结果的影响，也可以采用同轴接线系统。6.4精座要求
通常所要求的精度是：相对介电常数精度为土1%，介质损耗因数精度为土（5%十0.0005）。在较低颗率下和较高要求时所要求的精度为：电容测基精度为士（0.1%+0.02pF)，介质损耗因数的测量精度为士（2%+0.00005）。在较高频率下的精度要求为，电容测血精度土（0.5%+0.1PF），介质损耗因数精度为士（2%十0. 000 2).
7结果
7. 1相对介电常数 E,
有保护电极的试样，其相对介电常数按式（12)计算：FC,/C.
没有保护电极的试样，其相对介电常数按式(13)计算：E - (C\+-- C,)/C.
式中,C。、C，由表1中公式给出。12此内容来自标准下载网
（132
测微电极间或不接触电极间被测试样的相对介电常数可按表2、表3中相应的公式计算出来。7. 2介质损耗因数 tan
介质损耗因数tan按照所用的测量装谨给定的公式算出或直接从仪器上读出。7.3数据处理
取各个相对介电常数的算术平均值作为相对介电常数的最终结果。取各个介质损耗因数的算术平均值作为介质损耗因数的最终结果。B试验报告
试验报告应至少报告下列内容：a.
绝缘材料的说明和标志（名称、型号、生产厂等），试样形状及尺寸：试样处理的方法和时间；
电极装置和测量仪器，
试验时的环境温度、相对湿度和试样温度，外施电压和频率；
测得的相对介电常数印各个值及最终结果；测得的介质损耗因数tana各个值及最终结果；试验日期和试验员。
有必要时，还需报告损耗指数、介质损耗角等所要求报告的计算结果。A1西林电桥
CB 1409—88
附录A
几种典型的仪器
(参考件）
西林电桥是测量介电常数和介质损耗因数的最典型装置。它可以使用于频率低于50Hz直至100kHz数量级的颜率范围之内。电容测量范围通常为50～10000pF。西林电桥可分为高频西林电桥和低额西林电桥。A1.1低频西林电桥
一般为高压电桥，电路如图A1所示，该电桥平衡时：C
tandt = aC,Ri
图A1西林电桥线路图
（A2）
为了消除杂散电容、对地电容、残余电感的影响，以及高压端对测量端的影响，电桥必须有良好的屏蔽并带有瓦格纳接地，电路如图A2所示。操作时，把S反复打向a、h端，调节电桥平衡。这样，电桥M、N两点与屏蔽电位相等，因而消除了对地电容等的影响。A1.2高频西林电桥
GB 1409—88
图 A2具有瓦格纳(Wagnor)接地线路的西林电桥这种电桥-般在中等电压下工作，通常，电桥中的标电容是可变的。测试可以用替代法。为了提高测量精度，仍可以使用瓦格纳接地辅助桥替。A2变压器电桥
变压器电桥的原理图见图A3,当电桥乎衡时,复电抗Z,和ZM的比值等于电压矢量U,和U.的比值，而由于U1/U,是一个常数K,Zm是已知的,故Z一KZM·从而得到试样的电容C和介质损耗因数tana.
图A3变压器电桥线路图
变压器电桥可用三端测量而尤需辅助桥臂，可获得宽广的电容最程和较高的准确度，它可应用于几[-获到几十兆赫的频率范围。
A2.1低频变压器电桥
低频变压器电桥一-般为高压电桥。变压器电桥的误差会随负载而变化,尤其是U,和U2之间的相位差会直接影响 tan的测最值。因而,需用一个无损电容 Cn代替 Z,进行标定,采用图 A4 的装置，把 S分别打向 a、h时,可以保持高压边的负载不变而进行标定。GB1409—8B
图A4具有恒载校正的变压器电路当用并联于电压U，上的无损电容来标定时，承受电压V的阻抗ZM是如下组成的：U,与U2同相时,Zu为纯电容CM;
b.U.超前于U,时，Zm由电容C与电阻Ry组成；c.U.滞后于U,时，则采用如图A5所示的装置，引入一个辅助绕组提供一个与U,相的Ux。州
图A5变压器电桥
注：当U.滞后于U时用绕组U，补偿。虚线：与M并联形成：个高电阻（当I：超前于I时）。A2.2高频电桥
上面的讨论同样适用于高额电桥，由于它通常为低压电桥，因而可以采用替代法。43 双T网络
在双T网络桥路中，从电源经两个T形网络流向检测器的两个电流是大小相等、方向相反的。图A6示出『双T网络的原理图。图A7是测量绝缘材料最常用的双 T网络电路图,这种线路在平衡时：
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·(A3)
( A4 )
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