电容(相对介电常数)及损耗因数的测量.ppt
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1、,2-1 概述2-2 电桥法测量Cx及tan2-3 谐振法测量Cx及tan2-4 测量误差及其消除方法2-5 介电谱的测量,电容(相对介电常数)及损耗因数的测量,1、对相对介电常数r的要求1)储能元件大,使单位体积中储存的能量大 2)一般电工设备小,减小流过的电容电流2、对介质损耗因数tan(介质损耗角正切)的要求 1)一般电工设备中用的电介质和绝缘体小,否则易消耗浪费电能,使介质发热,容易造成老化或损坏 2)特殊要求利用介质发热大3、测量目的:1)检验评定电工设备、元件的性能,选择合适的绝缘材料 2)通过测量,来判断绝缘系统中的含湿量、老化程度等 3)测量其频率谱和温度谱,可作为研究电介质和
2、绝缘材料物质结构的一种手段,2-1 概述,相对介电常数r,定义:在同一电极结构中,电极周围充满介质时的电容Cx与周围是真空 时的电容C0(几何电容)之比 若为平行板电极 A电极面积(m2),t电极间距离(m),08.85410-12(F/m)r是测量电容Cx及与电极、试品有关的尺寸,损耗因数tan,定义:试品在施加电压时所消耗的有功功率与无功功率的比值,即介质损耗角的正切tan介质无损耗时,电流与电压相位差为90o介质有损耗时,电流于电压相位差为90o-,电路分析法计算tan,并联 串联说明:1、并联等效阻抗能切实反映绝缘体中有泄漏电流的事实Cx=Cp,当tan0.1时,Cx=Cp Cs,误差
3、不超过1%2、介质损耗很微小,不能用普通的功率表测量,将试品视为等效阻抗,测得 计算tan,影响相对介电常数与损耗因数的因素,1、电压幅值一般情况与施加电压的幅值无关若有夹层极化,高场强将使其增大若绝缘体中有气泡,在电压超过起始放电电压后,测得的值增大,2、频率极化需要一定时间,若这时间比交变电场的周期长的多,这种极化就来不及完成。频率低时,各种极化都存在,r大,频率高时,夹层极化、偶极子极化来不及完成,只剩下电子极化、原子极化,r减小。tan:主要由偶极子极化、夹层极化造成。频率高,无极化故无损耗;频率低,极化完全跟的上电场变化而无滞后,相位差为90o,也无损耗;只在极化有滞后时出现介质损耗
4、,r 变化时,tan出现最大值,3、温度r:温度升高会使分子间的束缚力减小,极化容易形成,因而介电常数增大,但当温度很高时,物质密度降低,而且分子的热运动加剧,从而使极化强度降低。tan:温度较低时,在r变化时出现最大值,而在温度很高时,由于电导产生的介质损耗占主要地位,介质损耗就和电导一样随温度上升而指数式增长。同时温度升高,极化松弛时间减小,tan随 频率变化的最大值向高频方向移动。,4、湿度 水的r很大(81),同时水分渗入会起增塑作用,使极化更容易形成,也使得r明显增大,在加上水的电导也比较大,tan也明显增大。,适用:测量频率不很高时(低于MHz)分类:阻容电桥高压西林电桥:精密西林
5、电桥,大电容电桥,反接和对角线接地电桥低压阻容电桥:电容比例臂电桥,电阻比例臂电桥变压器电桥(电感比例臂电桥)电流比变压器电桥电压比变压器电桥自动平衡电桥双T电桥,2-2 电桥法测量Cx及tan,阻容电桥:,高压桥臂:试品Zx,无损标准电容器Cx低压桥臂:无感电阻R3,R4/C4并联调节R3,C4使电桥平衡当tanZ3,ZNZ4,电桥上施加的电压绝大部分都降落在高压桥臂上电桥灵敏度与电桥本身结构、电桥上施加的电压幅值及频率、以及电桥的平衡指示器有关:1)比例臂两阻抗相等时(串接部分),灵敏度最高;2)电压、频率越高、指示器可测出的电流或电压越小,电桥灵敏度就越高。,电桥的四个桥臂都是由电阻电容
6、组成的电桥(最常用)。,精密西林电桥(高压),采取措施,消除或减小对电桥结构上可能造成的误差1)减小标准电容器的损耗 标准电阻正常情况下tanN10-5,若受潮,受污染,或是电压太高出现局部放电,则会增大几个数量级,使用时应保证标准电阻干净、无局部放电2)减小杂散电容的影响 试品低压端连接到桥臂及平衡指示器要用屏蔽线,且屏蔽线外屏蔽接地,采用电位自动跟踪器(输入阻抗很高1012,放大倍数1,无相位移的放大器),保证C、D零电位3)减小残余电感及零电容的影响 R4中点加可调电容,大电容电桥,精密西林电桥内电阻R3允许的最大电流为30mA,电容量很大的试品,如电力电容器,长电缆等,高压下会流过很大
7、的电流,在R3上并联电阻分流器(a);当电流更大时,要用精密电流互感器(b),反接和对角线接地电桥,反接电桥:若试品一端必须接地,精密西林电桥不能使用,将电桥接地端改到高阻抗桥臂一端安全性:低压桥臂安装在法拉第笼S内,S用绝缘子N支撑,N上加保护金属环K,减小绝缘子泄露电流的影响对角线接地电桥:电桥在C点接地,试验变压器两端都不能接地,低压阻容电桥(适用于薄膜材料),适用:薄膜材料及某些电子器件,不允许施加过高电压,要采用低压电桥(不大于100V),比例臂的两个阻抗可以做的很接近,弥补由于电压降低而造成的电桥灵敏度的降低 1、电容比例臂电桥 2、电阻比例臂电桥,C1,G1接上试品:Ci,Gi取
8、掉试品:Co,Go适用于50Hz及以下超低频,变压器电桥电感比例臂电桥,桥臂:试品,标准电容器,两个电感(一)电流比变压器电桥:电感桥臂与平衡指示器回路耦合适用:试品工作电压高,高电压下测量,又称为高压变压器电桥,(二)电压比变压器电桥:电感桥臂与电桥的电源耦合适用:施加于电桥的电压不高时,加瓦格纳接地,(三)自动平衡电桥:电压比例臂变压器电桥制成选择标准元件RN,CN,自动平衡的改变UR,UC,直到电桥平衡数字式自动平衡电桥LR,CR锁相器;ADA模数、数模转换器;不接试品,选择RN,CN;接试品,自动调节UC,URd:试样厚度 A:电极面积 CN:标准电容 Ux:施加于试样上的电压 Uc:
9、记录的信号RN:标准电阻 UR:记录的信号 0:电流电导率:损耗指数,双T电桥,两个T形网络并联组成输入端接电源E输出端接平衡指示器G测量过程1、闭合开关,接入试品,C2i,C3i2、打开开关,不接试品,C2o,C3o精度:公共接地O,a端对地杂散阻抗与电源并联,b端对地杂散阻抗与指示器并联,不会引入测量误差。可在50kHz50MHz范围内保持较高的准确度,电桥法的局限性:1、随频率提高,测量回路中的杂散电容及电感对测量结果的影响增大2、电桥回路和元件的杂散电容及电感较大,一般适用于测量频率在MHz以下谐振法优点:1、测量频率在MHz以上2、谐振法测试回路简单,用的元件少,杂散电容及电感较小3
10、、用替代法测量,可把部分固定的误差减除4、在很高测量频率(GHz)下,可使测量误差减到允许范围,2-3 谐振法测量Cx及tan,谐振法测量电容,1、由电感L和调谐电容C组成,损耗用等效电导Go表示2、谐振回路品质因数Qo和损耗因数tan是倒数关系3、电压表V用以测量C两端的电压4、测量电容CP:根据谐振条件求得 1)闭合S,接入试品,调C使电路谐振Ci 2)打开S,不接试品,调C出现谐振,Co 3)试品电容为:5、两次测量值均有误差,但只要误差是相同的,在计算偏差时可以消除,是替代法的优点,变Q法测量tan,1、谐振回路的品质因数Q值和tan成倒数关系2、Q值可用谐振时调谐电容器C两端的电压U
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