纸板片材介电性能测试仪

发布时间：2022年11月

符合标准还包括：
GB/T1409-2006；IEC60250；
GB/T1693-2007；
ASTM D150-11；

ASTM D150-11

实心电绝缘材料的交流损耗特性和

电容率（介电常数）的标准试验方法¹

本标准是以固定代号D150发布的。其后的数字表示原文本正式通过的年号；在有修订的情况下，为上一次的修订年号；圆括号中数字为上一次重新确认的年号。上标符号（ε）表示对上次修改或重新确定的版本有编辑上的修改。
　　　　本标准经批准用于国防部所有机构。
1.范围
1.1 本试验方法包含当所用标准为集成阻抗时，实心电绝缘材料样本的相对电容率，耗散因子，损耗指数，功率因子，相位角和损耗角的测定。列出的频率范围从小于1Hz到几百兆赫兹。

注1：在普遍的用法，“相对”一词经常是指下降值。

1.2 这些试验方法提供了各种电极，装置和测量技术的通用信息。读者如对某一特定材料相关的议题感兴趣的话，必须查阅ASTM标准或直接适用于被测试材料的其它文件。^2,3

1.3　　本标准并没有*列举所有的安全声明，如果有必要，根据实际使用情况进行斟酌。使用本规范前，使用者有责任制定符合安全和健康要求的条例和规范，并明确该规范的使用范围。特殊危险说明见7.2.6.1和10.2.1。

¹　本规范归属于电学和电子绝缘材料ASTM D09委员会管辖，并由电学试验D09.12附属委员分会直接管理。

当前版本核准于2011年8月1日。2011年8月发行。原版本在1922年批准。前一较新版本于2004年批准，即为　D150-98R04。DOI：10.1520/D0150-11。

²　R. Bartnikas, 第2章, “交流电损耗和电容率测量,” 工程电介质, Vol. IIB, 实心绝缘材料的电学性能, 测量技术, R. Bartnikas, Editor, STP 926,ASTM, Philadelphia, 1987.

³　R. Bartnikas, 第1章, “固体电介质损耗,” 工程电介质,Vol IIA, 实心绝缘材料的电学性能: 分子结构和电学行为, R. Bartnikas and R. M. Eichorn, Editors, STP 783, ASTM, Philadelphia, 1983.

2.引用文件
2.1 ASTM标准：⁴

D374 　　　　固体电绝缘材料厚度的标准试验方法

D618 　　　　试验用塑料调节规程

D1082 　　　云母耗散因子和电容率（介电常数）试验方法

D1531 　　　用液体位移法测定相对电容率（介电常数）与耗散因子的试验方法

D1711 　　　电绝缘相关术语

D5032 　　　用饱和甘油溶液方式维持恒定相对湿度的规程

E104 　　　　用水溶液保持相对恒定湿度的标准实施规程

E197 　　　　室温之上和之下试验用罩壳和服役元件规程（1981年取消）⁵

3.术语

3.1 定义：

3.1.1 这些试验方法所用术语定义以及电绝缘材料相关术语定义见术语标准D1711。

3.2 本标准术语定义：

3.2.1 电容，C，名词——当导体之间存在电势差时，导体和电介质系统允许储存电分离电荷的性能。

3.2.1.1 讨论——电容是指电流电量 q与电位差V之间的比值。电容值总是正值。当电量采用库伦为单位，电位采用伏特为单位时，电容单位为法拉，即：

C=q/V 　　　　　　　　　　（1）

3.2.2 耗散因子（D），（损耗角正切），（tanδ），名词——是指损耗指数（K''）与相对电容率（K'）之间的比值，它还等于其损耗角（δ）的正切值或者其相位角（θ）的余切值（见图1和图2）。

D=K''/K' 　　　　(2)

⁴　相关ASTM标准，可浏览ASTM网站或与ASTM客服联系。ASTM标准手册卷次信息，可参见ASTM网站标准文件汇总。

⁵　该历史标准的较后批准版本参考网站

3.2.2.1 讨论——a：

D=tanδ=cotθ=X_p/R_p=G/ωC_p=1/ωC_pR_p　　　　　　　　(3)

式中：

G=等效交流电导，

X_p=并联电抗，

R_p=等效交流并联电阻，

C_p=并联电容，

ω=2πf（假设为正弦波形状）

耗散因子的倒数为品质因子Q，有时成为储能因子。对于串联和并联模型，电容器耗散因子D都是相同的，按如下表示为：

D=ωR_sC_s=1/ωR_pC_p　　　　　　　　(4)

串联和并联部分之间的关系满足以下要求：

C_p=C_s/(1 D²) 　　　　　　　　　　　　(5)

R_p/R_s=(1 D²)/D²=1 (1/D²)=1 Q²　　　　　　　　　　　　　(6)

图1 并联电路的矢量图

图2 串联电路的矢量图

3.2.2.2 讨论——b:串联模型——对于某种具有电介质损耗（图3）的绝缘材料，其并联模型通常是适当的模型，其总是能和偶尔要求模拟在单频率下电容C_s与电阻R_s串联（图4和图2）的某个电容器。

图3 并联电路

图4 串联电路

3.2.3 损耗角（缺相角），（δ），名词——该角度的正切值为耗散因子或反正切值K''/K'或者其余切值为相位角。

3.2.3.1 讨论——相位角和损耗角的关系见图1和图2所示。损耗角有时成为缺相角。

3.2.4 损耗指数，K''（ε''），名词——相对复数电容率虚数部分的大小；其等于相对电容率和耗散因子的乘积。

3.2.4.1 讨论——a——它可以表示为：

K''=K' D=功率损耗/（E²×f×体积×常数） 　　　(7)

　　　　　当功率损耗采用瓦特为单位，施加电压采用伏特/厘米为单位，频率采用赫兹为单位，体积（是指施加了电压的体积）采用立方厘米为单位，此时的常数值为5.556×10^-13。

3.2.4.2 讨论——b——损耗指数是上协定使用的术语。在美国，K''以前成为损耗因子。

3.2.5 相位角，θ，名词——该角度的余切值为耗散因子，反余切值K''/K'，同时也是施加到某一电介质的正弦交流电压与其形成的具有相同频率的电流分量之间的相位角度差值。

3.2.5.1 讨论——相位角和损耗角之间的关系见图1和图2所示。损耗角有时也

称为缺相角。

3.2.6 功率因子，PF，名词——某一材料消耗的功率W（单位为瓦特）与有效正弦电压V和电流I之间乘积（单位为伏特-安）的比值。

3.2.6.1 讨论——功率因子可以采用相位角θ的余弦值（或损耗角的正弦值δ）来表示：

　　　　　　（8）

　　　　当耗散因子小于0.1时，功率因子与耗散因子之间的差值小于0.5%。可从下式找到它们的准确关系：

　　　　　　（9）

3.2.7 相对电容率（相对介电常数）（SIC）K'（ε_r），名词——相对复数电容率的实数部分。它也是采用某一材料作为电介质的某一给定形状电极等效并联电容C_p与采用真空（或空气，适用于多数实际用途）作为电介质的相同形状电极电容C_v之间的比值。

K'=Cp/C_v　　　　　　　　　　　（10）

3.2.7.1讨论——a——在普遍的用法，“相对”一词经常是指下降值。

3.2.7.2 讨论——b——从经验来看，真空在各处必须采用材料来替代，因为其能显著改变电容。电介质等效电路假设包含一个电容C_p，该电容与电导并联。

3.2.7.3 讨论——c——C_x视为图3所示的等效并联电容C_p。

3.2.7.4 讨论——d——当耗散因子为0.1时，串联电容大于并联电容，但是两者差值小于1%，而当耗散因子为0.03时，两者差值小于0.1%。如果测量电路获得串联部分的结果，在计算修正值和电容率之前，并联电容必须由公式5计算得出。

3.2.7.5 讨论——e——干燥空气在23℃和101.3kPa标准压力下的电容率为1.000536（1）。⁶其从整体的背离值K'-1与温度成反比，同时直接与大气压力成正比。当空间在23℃下达到水蒸气饱和时，电容率增加至为0.00025（2,3），同时随着温度（单位为℃）从10到27℃近似发生线性变化。对于局部饱和，增加值与相对湿度成正比。

4.试验方法摘要

4.1 电容和交流电阻测量在一个样本上进行。相对电容率等于样本电容除以（具有相同电极形状）真空电容计算值，同时很大程度上取决于误差源分辨率。耗散因子通常与样本几何形状无关，同时也可以依据测量值计算得出。

4.2 本方法提供了（1）电极，装置和测量方法选择指南；和（2）如何避免或修正电容误差的指导。

4.2.1 一般的测量考虑：

边缘现象和杂散电容 　　　受保护电极

样本几何形状 　　　　　　　　　真空电容计算

边缘，接地和间隙修正

4.2.2 电极系统—接触式电极

电极材料 　　　　　　　　　　　　　金属箔片

导电涂料 　　　　　　　　　　　　　烧银

喷镀金属 　　　　　　　　　　　　　蒸发金属

液态金属 　　　　　　　　　　　　　刚性金属

水

4.2.3 电极系统—非接触式电极

固定电极 　　　　　　　　　　　　　测微计电极

液体置换法

⁶ 括号里的粗体字参阅这些试验方法附属的参考文献清单。

4.2.4 电容和交流损耗测量装置和方法选择

频率 　　　　　　　　　　　　　　　　　直接和替代方法

两终端测量 　　　　　　　　　　　三终端测量

液体置换法 　　　　　　　　　　　精度考虑

5.意义和用途

5.1 电容率——绝缘材料通常以两种不同方式来使用，即（1）用于固定电学网络部件，同时让其彼此以及与地面绝缘；（2）用于起到某一电容器的电介质作用。在靠前种应用中，通常要求固定的电容尽可能小，同时具有可接受且一致的机械，化学和耐热性能。因此要求电容率具有一个低值。在第二种应用中，要求电容率具有一个高值，以使得电容器能够在外型上能尽可能小。有时使用电容率的中间值来评估在导体边缘或末端的应力，以将交流电晕降至较小。影响电容率的因子讨论见附录X3。

5.2 交流损耗——对于这两种场合（作为电学绝缘材料和作为电容器电介质），交流损耗通常必须是比较小的，以减小材料的加热，同时将其对网络剩余部分的影响降至较小。在高频率应用场合，特别要求损耗指数具有一个低值，因为对于某一给定的损耗指数，电介质损耗直接随着频率而增大。在某些电介质结构中，例如试验用终止衬套和电缆所用的电介质，通常电导增加可获得损耗增大，这有时引入其来控制电压梯度。在比较具有近似相同电容率的材料时或者在材料电容率基本保持恒定的条件下使用任何材料时，这可能有助于考虑耗散因子，功率因子，相位角或损耗角。影响交流损耗的因子讨论见附录X3。

5.4 相关性——当获得适当的相关性数据时，耗散因子或功率因子有助于显示某一材料在其它方面的特征，例如电介质击穿，湿分含量，固化程度和任何原因导致的破坏。然而，由于热老化导致的破坏将不会影响耗散因子，除非材料随后暴露在湿分中。当耗散因子的初始值非常重要的，耗散因子随着老化发生的变化通常是及其显著的。

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