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1、电气绝缘测试技术,主讲：张文龙 哈尔滨理工大学 材料学院 高分子材料系Email:,电路电子有关知识回顾0-1 电学基础知识 1、欧姆定律:流过电阻的电流,与加在电阻两端的电压成正比,与电阻的阻值成反比,电阻元件的特点：无记忆元件：任意时刻电阻两端的电压仅与此刻的电流有关；无源元件：在关联参考方向时，电阻元件只消耗功率；耗散元件：吸收的能量都换成热能消耗掉,或,第0章 绪论,2、分压定律：当电路由n个电阻串联而成时，因流经各电阻的电流均为i，可得,此时任意电阻RK上的电压为,u,第0章 绪论,第0章 绪论,3、电容定义或解释 1）电容是导体或导体组容纳电量特征的物理量。导体的电容等于它所带电量
2、和它电势的比。3）当导体组所带电量和电势的比值只跟导体组的几何形状有关而不受其他物体影响，这种导体组叫做电容器。电容器的电容为C=Q/U；Q为一导体所带电量的绝对值，u为导体组之间的电势差。4）单位 在国际单位制中,电容的单位是法拉。常用_的单位还有微法拉和皮法拉。5）说明 孤立导体的电容仅与导体的几何形状有关而跟导体所带电量和电势高低无关，例如，一个均匀带电球体，设半径为r，带电量为q，则在球面处所具有的电势为U=KQ/r，那么r/K=Q/U。则得出Q和u的比值将只跟半径r有关，即当形状固定时，电容大小和导体是否带电无关。如果在导体的近旁有其他导体时，则导体就不是孤立的了，它的电势不仅和它自
3、己所带电量有关，还和其他导体的位置和形状有关，这是由于原带电导体使邻近导体的表面产生感应电荷而影响导体,第0章 绪论,的电势。因此单个导体作为电容器很不稳定，无实用价值。为了消除其他导体的影响采用导体组实现静电屏蔽。导体组所带电量和电势的比值只跟导体组本身的几何形状有关，而不受其他物体影响，这样的导体组即为电容器。在实际工作中，往往需要一定数值的电容和电势差(电压)，所以采用电容器的组合。组合的基本方法有串联和并联两种。电容器储藏的能量。因为形成任何一个带电体系时，都要消耗一定形式的能，而克服带电体之间相互作用也要作一定数量的功，因而具有电势能。所以电容器在充电过程中通过电源作功，有一部分能量
4、储藏在电容器的电场中。反之，在电容器放电过程中将释放电能。在一定电压下，电容量大的电容器储能多。如果对同一电容器来讲，电压越高，储能越多。所以电容量和电压将是电容器储能大小的标志，但须注意充电电压不能超过电容器的耐压值。,第0章 绪论,0-2 本课程内容1、电介质参数：电导率、相对介电常数、介质损耗角正切、击穿强度的基本概念及在外界因素影响下的变化规律；2、绝缘材料电性能：电介质四个参数的测量方法和测量技术；3、局部放电的测量：各种测量方法的基本原理及具体的测量技术；4、老化试验：常规老化试验应遵循的原则；热老化、电老化技术；5、试验的统计分析和设计：数理统计在绝缘测试中的应用；,第0章 绪论
5、,0-3 电气绝缘测试技术作用 高电压或强电场电工、电子产品在研究、设计、制造和运行中，绝缘性能的测试。其目的可概括如下：1）科学研究工作 研究介电性能（传统四大参数或、r、tan和Eb）与材料组份、微观结构的关系。2）工程领域（绝缘材料、电气设备制造业、电子器件制造业）产品开发和设计时，模型实验中绝缘性能的测试；制造过程中，材料、半成品和成品绝缘性能的测试判断产品合格与否；电力系统电气设备运行过程中，绝缘状态的检测和监测判断设备的运行状态是否满足运行要求及其可靠性等。,第0章 绪论,0-4 电气绝缘测试与一般电工测试的区别 1）测试难度大 绝缘电阻10101017；直流微电流小到1016A；
6、工频高电压可达1000kV以上；局部放电电脉冲信号小到V级；损耗因素小到10-5（相当时间测试小到10-8秒）。）有些测量参数有别于一般电气量 如：空间电荷、局部放电在放电量、寿命实验和可靠性实验等。3）影响因素复杂，分散性大,第一章 电阻率与微电流的测量,1-1 绝缘电阻与电阻率,一、定义：,泄漏电流：流过绝缘体的稳定电流；,初始电流,充电电流：线路刚开始充电的瞬间所引起的冲击电流；,极化电流：电极极化所产生的电流。,第一章 电阻率与微电流的测量,绝缘电阻定义：是施加于绝缘体上两个导体之间的直流电压 与流过绝缘体的泄漏电流之比：,R绝缘电阻，；U直流电压，V；I泄漏电流，A。,绝缘电阻的组成
7、：,体积电阻与表面电阻的并联,第一章 电阻率与微电流的测量,2、绝缘体的体积电阻,施加的直流电压U与通过绝缘体内部的电流Iv之比。绝缘体的体积电阻与导体间绝缘体的厚度成正比，与导体和绝缘体接触面积成反比。,体积电阻率是绝缘体内的直流电场强度与体积内部泄漏电流密度之比，即单位立方体的绝缘电阻值。,h绝缘体的厚度，m；A电极的面积，m2；V体积电阻率，m,EV绝缘体内的电场强度，V/m；JV绝缘体内的电流密度，A/m2；,第一章 电阻率与微电流的测量,3、绝缘体的表面电阻,施加的直流电压U与通过绝缘体表面的电流IS之比。绝缘体的表面电阻与绝缘体表面上放置的导体的长度成反比，与导体间绝缘体表面上的距
8、离成正比。,表面电阻率是绝缘体表面层的直流电场强度与通过表面层的电流线密度之比，即正方形面积内的表面电阻值。,d导体间距离，m；l导体长度，m；S表面电阻率，,ES表面电场强度，V/m；a电流线密度，A/m；,第一章 电阻率与微电流的测量,几点说明 绝缘电阻不仅与绝缘材料的性能有关，还决定于绝缘系统的形状和尺寸；电阻率则完全决定于绝缘材料的性能。表面电阻率对外界的影响很敏感，所以绝缘材料的电阻率一般指的是体积电阻率。,第一章 电阻率与微电流的测量,二、影响绝缘电阻的因素,实验条件和环境条件对试样的电阻存在一定的影响：,温度,在绝缘材料中，导电的载流子主要是靠离子迁移，温度升高时离子容易摆脱周围
9、分子的束缚而产生位移，从而使体积电阻率呈指数下降。,n离子浓度，离子数/m3；f离子振动频率，Hz；q离子所带电荷量，C;离子每次迁移的距离，m；A离子迁移活化能，J;T绝对温度，K;K波尔兹曼常数，J/K,第一章 电阻率与微电流的测量,湿度,绝缘材料在吸湿后，电阻率要明显下降。,.,水的电导比绝缘材料大得多，其介电常数也很大，能降低离子的电离能,电气设备在潮湿环境中停放后，在重新投入运行之前，应该先测其电阻，若下降很多，需烘干后在投入使用。,电场强度,电场强度不高时，电阻率与电场强度无关；电场强度很高时，电子电导起明显作用，此时电导随电场强度增高而明显增加。电压升高时，绝缘体中的某些缺陷（裂
10、纹、气泡）可能产生放电，绝缘电阻也会下降。,第一章 电阻率与微电流的测量,辐照,有机材料在强光或X射线、射线等的辐照下，会产生各种光电流，使绝缘电阻下降。辐照停止相当长时间后，此效应仍然存在；,试验前的样品预处理,为消除由于试样在试验之前所经历的环境条件不同而造成试验结果的偏差,试样在试验之前要做预处理。在温度为（232）C、相对温度为505%条件下处理24小时。,第一章 电阻率与微电流的测量,1-2 试样与电极,测量绝缘材料的体积电阻率和表面电阻率时，必须制作适当的试样，并选取适当的电极系统和电极材料；,一、试样,根据使用要求，绝缘材料具有不同的形状与尺寸（板状、薄膜、带状、管状、棒状）；测
11、量体积电阻率时，试样的形状和厚度决定于材料的形状和厚度；测量表面电阻率时，规定试样的厚度不超过4mm；过厚的试样需进行单面切削以达到试验要求，测量表面电阻率时应在未 加工的材料原表面上进行；测试表面电阻率时，试样的大小应比电极的最大尺寸至少每边大7mm；国标规定，方形板材边长50或100mm，圆形板材直径50或100mm，管状试样长度50或100mm。,第一章 电阻率与微电流的测量,二、电极系统,电极系统分为两电极和三电极系统两种。,平板试样三电极系统,管状试样三电极系统,第一章 电阻率与微电流的测量,三电极系统：,可以将体积电流和表面电流分开，以便分别测量体积电阻率和表面电阻率；使用三电极系
12、统测量体积电阻率时，可以使测量的电极下的电场比较均匀，从而可以用等效面积来计算体积电阻率；平板型试样的三电极系统中，当测量体积电阻率时，电极1为被保护电极（测量电极），电极2为保护电极，电极3为不保护电极（高压电极）；测量表面电阻率时，电极2为不保护电极，电极3为保护电极。,第一章 电阻率与微电流的测量,电极尺寸的规定和选择：,需考虑使测得的结果有代表性，并能满足测量设备灵敏度的要求；测量体积电阻率时，要使测量电极下的电场尽可能的均匀，减小电极边缘效应，从而近似按均匀电场来计算电阻率；测量表面电阻时，间隙g不能太小，这一方面是为了使沿电极周长间隙g的误差不至于太大，另一方面也是为了尽量减小体积
13、电流的影响。实际中，IEC规定，电极1的直径或长度至少要比试样的厚度大10倍，实际采用的一般均不少于25mm；电极3的直径或长度及电极2的外径应大于电极2的内径再加上试样厚度的2倍，实际采用的g不小于1mm。,第一章 电阻率与微电流的测量,体积电流的影响：,第一章 电阻率与微电流的测量,两电极系统中，随着g/h的增大，Iv，Is都减小；而且Is 比Iv减小得更多，因此f（g/h）是上升的；当电极为三电极系统时，g/h增大引起更多的体积电流流向保护电极，流向测量电极的Iv比Is 减小更多，因此f（g/h）是下降的。根据以上分析，在测量表面电阻率时，为了减小体积电流的影响，应采用三电极系统，而且g
14、/h 2.二电极系统（不采用保护电极）一般只适用于某些特殊情况，例如当试样很薄时，Iv Is，测量v就可以用二电极系统。但要注意用二电极系统测s时，g不能太小，否则会增大体积电流的影响。,第一章 电阻率与微电流的测量,三、电极材料与装置,要求：,电极本身是良好的导体，而且能够和试样紧密接触；电极与试样不能有相互作用，电极应能耐腐蚀。在试验过程中，特别是在高温下，不能因有电极存在而引起试样的性能发生变化；电极制作方便，使用安全。,第一章 电阻率与微电流的测量,由于各种绝缘材料的特性不同，而且试验条件也有很大差别，因此推荐作为电极的材料有很多，主要有以下几种：,（1）银漆和银膏,高导电的银漆在大气
15、中干燥或在低温下烘干，银膏在高温下还原，都能在试样表面形成电极。这种电极由不连续的银颗粒沉积在试样表面形成，它能让试样内部的潮气扩散出去，因此试验可先做好电极，然后再进行预处理。优点：特别适用于研究不同温度下电阻率随温度变化的规律。注意：必须注意银漆的溶剂对试样的性能有无影响。制作方法：先用圆规沾上银漆，画好各电极的外援，然后再用毛笔将整个电极涂满。,第一章 电阻率与微电流的测量,（2）喷涂或真空蒸发金属电极,采用能很好粘附于试样表面的低熔点金属材料，如锡、铝或其他合金等，直接喷涂在按电极模型覆盖好的试样上；或把上述试样放在真空蒸发器内，让气化的金属沉积在试样表面上。特点：与导电银漆电极特点相
16、同。注意：离子轰击或真空处理对材料的影响。,（3）金属箔电极,采用柔软的金属箔，如铝箔、锡箔等，涂以微量的粘合剂黏贴在试样表面。用干净的绢绸抹平以便把金属箔下的空气赶走，并将多余的粘合剂挤出去。粘合剂一般采用凡士林或硅脂，其厚度应小于2.5um。特别是在测量薄膜材料和电阻值不大的材料时，粘合剂越厚，测得的电阻值正误差越大。注意：试样粘电极前必须进行预处理。高温下测量时，应注意粘合剂流动造成的点击移动，或粘合剂渗入试样而改变试样的性能。,第一章 电阻率与微电流的测量,（4）导电橡皮电极,导电橡皮特征：电阻率不大于3104.m，邵氏硬度不大于60。特点：使用方便。注意：导电性能差。,（5）胶体石墨
17、电极,特征：片状石墨堆积而成，与制作银漆的方法相同。优点：价格便宜；为保证形成连续的导电层，石墨必须有一定厚度。注意：导电性能较差，当受潮或浸在变压器油中试验时，石墨容易脱落。,第一章 电阻率与微电流的测量,（6）导电液体电极,将试样放在水银面上，并用几个按电极尺寸做成的不锈钢环放在试样表面上，再将水银注入环内形成保护电极和被保护电极。特点：电极与试样接触良好。注意：倾注水银时，应避免气泡或表面氧化层夹在试样与水银之间；水银有毒，必能长时间连续使用，特别不能在高温下使用。,第一章 电阻率与微电流的测量,1-3 直接法测量绝缘电阻,定义：直接测量法即直接测量施加于试样的直流V和流过试样的电流I，
18、通过欧姆定律计算出电阻R=U/I，或者使流过试样的电流通过一个已知的标准电阻Rs，测量Rs两端的电压而求得通过的电流I。Rx=URsUs,检测仪器：,欧姆表,检流计,高阻计,第一章 电阻率与微电流的测量,一、欧姆表,组成：手摇直流发电机+流比式电流表,特征：1）发电机的电压基本稳定；2）流比式电流计的指针偏转读数与 流过表内两个线圈的电流成比例，外加电压变化对没有影响；3）试样串联在电流表的一个支路内。,第一章 电阻率与微电流的测量,优点：最方便；仪器简单，便于携带，读数稳定；常用于检测电工产品的绝缘电阻，特别是在户外使用。,缺点：1）灵敏度不高，只能测到100M，电压等级只有500V,100
19、0V,2500V三种；2）在使用中应根据需要选择适当的电压，电压太低可能暴露不出绝缘的弱点，太高可能发生绝缘击穿；3）在不同电压下测得的绝缘电阻有时不可比。,第一章 电阻率与微电流的测量,二、检流计,1）一种灵敏度很高的直流电流表；2）最小电流10-10A/mm；3）电阻可高达1012,主要特征：,直流电源提供施加于试样的电压，电压大小可调，1001000V之间；通过换向开关，可改变施加于试样的电压极性。此时电源的输出端均 不接地；使用静电电压表接试样两端直接测量施加于试样的电压。要求静电电压表的电阻至少比试样电阻高100倍；使用检流计测量绝缘电阻，通常应改变电压极性，分别测出两边的偏转读数，
20、然后取平均值；绝缘电阻的计算公式：,第一章 电阻率与微电流的测量,第一章 电阻率与微电流的测量,三、高阻计,测量原理：当绝缘电阻很高且通过的电流小于10-10A时，最灵敏的检流计也无法进行测量。只有应用电子放大技术，把微小的电流信号放大才能进行测量。部件核心：具有高输入阻抗的直流放大器。主要优点：目前测量绝缘电阻最灵敏的仪器，可测电阻值达1017；主要缺点：准确度较差，测量1015以下的电阻时，误差约为10%，测更高的电阻时误差可达20%.,第一章 电阻率与微电流的测量,从图中可以看出，通过试样的电流IX流经标准电阻RN,在RN两端产生电压Ug(即是直流放大器的输入信号），然后经过放大器的输出
21、端测得电流Ip,即Ip=AUg/R=AIxRN/R=SRNIx式中，R包括放大器的输出阻抗，微安表的内阻以及调节灵敏度的电阻Rp;S=A/R为高阻计的特性常数，于是 Rx=U/Ix=SURN/Ip从上式可以看出，增加RN可以提高测量电阻的范围，实际上可以通过改变RN来改变量程。但RN是与放大器本身的输入阻抗并联的，为了测试准确，其阻抗要比RN大100倍以上。一般阻抗器电阻1014，所以RN不能超过1012.另外，如果RN很大，其测试回路的时间常数很大，电流在1min内达不到稳定值。因此，RN不能太高,第一章 电阻率与微电流的测量,1-4 比较法测量绝缘电阻,比较法是与已知标准电阻相比较来测定绝
22、缘电阻值的方法。常用的比较法有两种：电桥法和电流比较法。,一、电桥法,由试样和三个已知标准电阻组成一个电桥，属于惠斯登电桥。,RN高阻值的标准电阻，可高达1012；RB十进位的标准电阻，用以改变量程；RA微调电阻，可以调节电桥最终平衡。,V,检测器,第一章 电阻率与微电流的测量,电桥法测量绝缘电阻的准确度，基本上取决于各标准电阻的误差和电桥不完全平衡而造成的误差；标准电阻的误差一般很小，1%；电桥不完全平衡造成的误差与平衡指示器的输入电阻、标准电阻、电桥对角线上的电位差以及灵敏度不够等因素有关；提高施加于电桥的电压U，增大RB，采用误差的零点指示器(UMIN小)都可以减小这种误差。,电桥法的特
23、征：,电桥法的优点：,可测的最高电阻约为1014;量程广泛；准确度较高。,电桥法的缺点：,平衡电桥比较麻烦;电桥只能在通过试样的电流达到稳定时才能平衡；不能用于测量随时间变化较快的电阻。,第一章 电阻率与微电流的测量,二、电流比较法,在同一电压作用下，通过比较流过试样的电流和流过标准电阻的电流，来测得绝缘电阻的方法，被称为电流比较法。,标准电阻和分流比的准确度很高，只要检流计的偏转读数准确，相对误差低至百分之几。,原理：用在同一电压作用下通过试样的电流和通过标准电阻的电流之比来测得试样电阻值。其电路如上图。步骤：测量时，先将开关K2打开，闭合开关K1并开始计时，逐步增大分流比值直到检流计有明显
24、的读数，等一分钟时记录下读数。之后将分流比退回到零，闭合K2再增大分流比直到检流计的偏转与上次相近为止，记录数据，如果在两次测试中电压保持不变，RX的计算：RX=a2n1/(a1n2)-1RN,第一章 电阻率与微电流的测量,1.5充放电法测量绝缘电阻分为：充电法和自放电法,充电法,原理：让通过试样的稳态电流对与试样串联的标样电容C0充电，测出在一定时间内C0上的电压，即可算出试样的电阻。(C0+Cj)U0=Q=Ixt-CxU0Ix=(C0+Cj+Cx)U0/t=CU0/tRx=U/Ix=Ut/(U0C0),放电法,原理：在试样电容Cx已知的条件下，先对试样充电，以后去除电源，让试样本身放电，于是通过自放电的时间常数就可以算出试样的电阻值。步骤：当开关K1、K2闭合时，电源对试样充电，在试样两端的电压充到U1时，将K1、K2打开，并开始计时，经过t秒钟后，在闭合K2测得此时的试样电压U2.假定在这期间试样上的电压变化完全是由于电极上的电荷经试样的电阻而泄漏的，则试样上的电压变化应 U2=U1e-t/(RxCx)=U1（1-t/RxCx）,1.6 测量误差的来源及其消除方法,环境条件：在标准环境下测量；测量仪器：尽量采用准确度高的仪表；寄生电动势：采用正反电压极性测量方法；残余电荷：应充分放电；漏电流：采用在漏电流回路中安插导体；,误差,Thank You!,
