固体绝缘材料介电常数、介质损耗试验方法

1主题内容与适用范围

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 15 HZ～300 MHZ频率范围内测量固体绝缘材料的相对介电常数、介质损耗因数，并由此计算某些数值，如损耗指数。

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

绝缘材料的相对介电常数。r是电极间及其周围的空间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C0之比：

Er=CX／C0………………………………………（ 1）

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等于 1． 000 53。因此，用这种电极构型在空气中的电容C。来代替C。测量相对介电常数时，有足够的精确度。在一个给定的测量系统中，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：

E0=8.854×10-12F/m≈1×10-9F/36πm………………………（ 2）

在本标准中用PF／cm来计算，真空介电常数为：

E0=0.08854pF/cm

2. 2介质损耗角 6

绝缘材料的介质损耗角a，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tanδ

绝缘材料的介质损耗因数是介质损耗角E的正切tanE。

2.4损耗指数En

绝缘材料的损耗指数En，等于该材料的介质损耗因数不清tanE与相对介质常数e的乘积。

2.5相对复介电常数E

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俣而得出的。

Er=Er-JEr

Er=Er

式中：Er是2.1条中所定义的相对介电常数。

E=Etane

有介质损耗的电容量，在任何经定的频率下既可用电容Cs和电阻Rs的串联回路来表示：

也能用电容Cp和电阻Rp（或电导Gp）的并联回路来表示：

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Cs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+tan2e)

不管采用串联表示法还是并联表示法，其介质损耗因数tane是相等的。

注：本标准中的计算和测量是根据正弦波形电流（w=2πf）作出的。

3影响介电性能的因素

3.1频率

只有少数材料，如聚苯乙烯，聚丙烯、聚四氟乙烯等，在很宽的频率范围内相对介电常数和介质损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料不均匀性导致的界面极化是弓愧上述变化的主要原因。

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是正的也可以是负的，这由测量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，其结果使相对分电常数、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，自由离子的数目随电场强度的增加而增加，其损耗指数最大值的大小和位置也随此而变。

在较高的频率下，只要绝缘材料不出现局部放电，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，也可以采用管状试样。在测定。r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，

1．5 mm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tan6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，折衷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容应小于5 pF。试样的大小应适合所采用的电极系统。

4．2电极系统

42．1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，金属电极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。高频下测量时，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，试样的一侧或

两侧有一个充满空气或液体的间隙，该间隙可以是固定的，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给出。

表1真空电容的计算和边缘电容的修正

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

当试样插入和不插入电极时。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（见图书1）。

4．2．2．2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一种液体内进行测量。

这种测量与试样厚度测量的精度关系不大。当相继采用两种流体时，试样厚度和电极系统的尺寸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。

42．3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。

43．1金属箔电极

金属箔可以为厚度在100卜m以下的纯箔、铅箔及厚度在10卜m以下的退火铝箔，也可以使用金箔。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。用少量纯净的硅油或其他低耗粘合剂将金属箔贴到试样上。

4.3.2烧熔金属电极1

烧熔金属电极一般用银，但在高温和高温下最好采用金。

烧熔金属电极适用于能耐高温的材料，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镀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；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。

43．4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。 

43．5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。漆中的溶剂对试样应没有持久的影响，在极高的频率下不能使用导电银漆。

4．3．6导电橡皮

用体积电阻车小于30Ω、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。

44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接触式电极砸们靠、计算简便。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；

b、不接触电极：可避免由于试样和电极接触不良带来的误差，因此测量精度较高。但是空气填充不接触法测量时减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；而采用两种溶伏桃中法测量时，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箔、汞或沉积金属作电极材料。若厚度的测量精度较商，则可以用空气填充测微计测理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和一

般情况下记极采用三电极系统，管内电极为高压电极，可用汞、沉积金属膜、金属箱和配合较好的金属芯轴。管外为测量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50MHz的测理，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量。

可用替代法和直接法测量

5.2回路谐振法用于10kHz-300MHz的测量。这种方法总是替代法，常用的方法有变电纳法和变Q值法等。

几种典型的测试仪器原理见附录A。

6试验步骤

6．1试样

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％＋0.001 mm）以内，测量点应均匀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IMHZ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阻对测量结果

的影响，也可以采用同轴接线系统。

6．4精度要求

通常所要求的精度是：相对介电常数精度为士1％，介质损耗因数精度为土（5％十0．000 5）。

在较低频率下和较高要求时所要求的精度为：电容测量精度为士（0． 1％＋0． 02 PF），介质损耗因数的测量精度为士（2％＋0．000 05）。

在较高频率下的精度要求为：电容测量精度士（0．5％十0．IPF），介质损耗因数精度为士（2％＋

0．000 2）。

7结果

7．1相对个电常数E

有保护电极的试样，其相对介电常数按式（12）计算：

Er= Cx／C。……………………………（ 12）

没有保护电极的试样，其相对介电常数按式（13）计算：

Er=（C'x一Cc）／C。……………………（13）

式中，Cc、C。由表1中公式给出。

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tan6

介质损耗因数tan6按照所用的测量装置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。

8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；

b．试样处理的方法和时间；

C．电极装置和测量仪器；

d．试验时的环境温度、相对湿度和试样温度；

e．外施电压和频率；

r．测得的相对介电常数。r各个值及最终结果；

g．测得的介质损耗因数tan6各个值及最终结果；

h．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。

附录A

几种典型的仪器

（参考件）

川西林电桥

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 50 HZ直至100 kHZ数量级的频率范围之内。电容测量范围通常为 50～10 000 PF。西林电桥可分为高频西林电桥和低频西林电桥。

AI．1低频西林电桥

一般为高压电桥，电路如图AI所示，该电桥平衡时：

图AI西林电桥线路图

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AZ所示。操作时，把S反复打向a、b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。

图AZ具有瓦格纳（Wagnor）接地线路的西林电桥

AI．2高频西林电桥

这种电桥一般在中等电压下工作，通常，电桥中的标准电容是可变的。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臂。

AZ变压器电桥

变压器电桥的原理图见图A3，当电桥平衡时，复电抗Zx和ZM的比值等于电压矢量Ul和U。的比值，而由于U；／U。是一个常数K，Z。是已知的，故Zx一KZ。，从而得到试样的电容Cx和介质损耗因数

图A3变压器电桥线路图

变压器电桥可用三端测量而无需辅助桥臂，可获得宽广的电容量程和较高的准确度，它可应用于几十赫到几十兆赫的频率范围。

AZ．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Ul和U。之间的相位差会直接影响tans的测量值。因而，需用一个无损电容C。代替Zx进行标定，采用图A4的装置，把S分别打向a、b时，可以保持高压边的负载不变而进行标定。

当用并联于电压U1上的无损电容来标定时，承受电压U2的阻抗Zw是如下组成的；

a.U1与U2同相时，Zm为纯电容Cm；

b.U2超前于U1时，Zm由电容Cm与电阻Rm组成；

c.U2滞后于U1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同相的U3。

注：当U2滞后于U1时用绕组U2补偿。虚线：与Cm并联形成一个高电阻（当I2超前于I1时）。

A2.2高频电桥

上面的计论同样适用于高频电桥，由于它通常为低压电桥，因而可以采用替代法。

A3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示出了双T网络的原理图。图A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；

测试时，先不接试样，调节Cv和Ch使电路达到平衡然后，将试样接到X、X端，此时，Cv和Ch的变化值分别为△

Cv和CH则：

双T网络应用的频率范围可从50kHz至50MHz,这种线路也很容易屏蔽，但是其平衡随频率的变化太灵敏，在较同高频率

的变化分别为△Cv和△Ch则：

双T网络应用的频率范围可从50kHz至50MHz，这种线路也很容易屏蔽，但是其平衡随频率的变化太灵敏，在较高频率下接线和开关阻抗会引起较大误差。

A4谐振法（Q表法）

Q表法可在10kHz到260MHz频率范围内使用，图A8为这种线路原理图。在接入试样和不接入试样情况下分别调节电路谐振，并测量电容两端的电压作为Q值，求得试样的Cx值和tane值。则：

式中：C2、Q2-分别为有试样时的电容和Q值；

C1、Q1-分别为无试样时的电容和Q值；

C0-测量回路的分布电容值。

A5变电纳法

变电纳法一般用于较高频率下的测量，它与测微电极系统配合使用，可以消除测试过程中高频下接线电阻和测量电容的串联电感和串联电阻对测量值产生的影响。在这样的系统中，不管试样在不在回路中，电路中的电感与电阻总是相对地保持恒定，试样的直径约比电极直径小两倍试样厚度，以消除由于试样插入而引起的边缘电容的变化测试中，首先将试样放入测微电极中，调节测量回路参数，然后拿出试样，调节测微电极和标准电容 器，使电路总电容保持不变。按表2计算C。

tan8＝（aCI一 aCZ）／2 Cp………………………（ A10）

式中。回路中有试样时电压等于谐振电压和等于谐振电压2／2时可变电容C。的两个读数差值；

C。无试样时上述相同情况下两电容读数差值。

A6屏蔽

为了使桥臂不受外电场干扰，消除各桥臂和各部件间的杂散耦合，可采用屏蔽技术。变压器电桥和带瓦格纳接地的西林电桥都采用了这种技术。采用替代法测量时，线路可以不用屏蔽。

为了消除操作者身体对桥体的影响，可以将试样、检测器和振荡器等屏蔽起来。在100 kHZ或更高频率时，连线应尽可能短而粗，以减少连线电阻对测量的影响。 在线路中若使用开关将试样从测试回路断开，则开关在打开时的电容应尽可能小，或者可以对开关实行屏蔽。

A7电桥的振荡器和检测器

A7．1振荡器

振荡器产生测试电压，该电压的总谐波分量应小于1％。

A7．2检测器

下列各类检测器均可使用，并可以带一个放大器以增加灵敏度：

a．电子伏特计或波分析器；

b．阴极射线示波器；

c. 振动式检流计。

在电桥和检测器中间可以加入一个变压器，用来匹配阻抗。

为了消除谐波对平衡的影响，可以在检测器的输入端加一个低通滤波器。

表A1各种仪器的使用频率范围