第一章-电阻、电阻率及微电流的测量

电阻、电阻率及微电流的测量,第,69,页,,,1,,单击此处编辑母版文本样式,,1-1 绝缘电阻与电阻率,绝缘体：,,隔离不同电位的导体，阻止电流流通，使得电能按设计的途径传输，保证设备正常工作并非绝对不导电,绝缘电阻：,,表征绝缘体阻止电流流通的能力,,,电阻值偏低——泄露电流大——电能浪费,,绝缘体发热而损坏,直流电压下绝缘体中的电流:,绝缘电阻,施加于绝缘体上两个导体之间的,直流电压,U,与流过绝缘体的,泄漏电流,I,之比，即：,体积电阻：,,绝缘体内的直流电场强度与体内泄漏电流密度之比，等于,单位立方体的绝缘电阻值,体积电阻率：,h,：绝缘体的厚度(m),,A,：电极的面积(m,2,),,E,V,：绝缘体内的电场强度(V/m),,J,V,：绝缘体内的电流密度(A/m,2,）,,ρ,V,：体积电阻率,(Ω),正比：导体间绝缘体的厚度,,反比：导体和绝缘体接触的面积,表面电阻,：,正比：导体间绝缘体表面上的距离,,反比：,绝缘表面上放置的导体的长度,表面电阻率：,,d,：导体间的距离(m),,l,： 导体的长度(m,2,),,E,S,：表面电场强度(V/m),,J,S,：电流线密度(A/m,2,),,ρ,S,：表面电阻率(Ω),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，等于,正方形面积内的表面电阻值,绝缘电阻的决定因素：,,绝缘材料的性能,,绝缘系统的形状和尺寸,,电阻率的决定因素：,,绝缘材料的性能,,,表面电阻率对外界影响很敏感，绝缘材料的电阻率一般指,体积电阻率,。

电导率为电阻率的倒数，单位S/m(西门子),注意,影响绝缘电阻的因素:,(1),温度,温度升高，,ρ,V,呈指数式下降——离子迁移,(2),湿度,湿度大，,ρ,V,下降——水的电导比绝缘材料的大的多，特别是水中有杂质时,(3),电场强度,E,不高时， 对,ρ,V,影响不大；,,E,很高，随,E,增大，,ρ,V,明显增加——电子电导,,U,升高，,ρ,V,有所下降——绝缘缺陷，产生放电,(4),辐照影响,有机材料辐照——光电流——,ρ,V,下降，维持较长时间,注意：,试验前预处理：温度(23±2),0,C，相对湿度(50,±5),% 处理24h,,试验条件处理,1-2 试样与电极,测试条件,：,绝缘电阻——直流电压加在导体端头,,ρ,V,， ρ,S,——制作适当试样，选择电极系统和电极材料,试样：,测,ρ,S,：——厚度不超过4mm，超厚切削后原表面测量,,大小：试样比电极的最大尺寸最少每边大7mm,,规定：,方形： 边长50mm或100mm,,圆形：直径50mm或100mm,,管形：长50mm或100mm,,预处理：,无污染，无损伤，无残余电荷,,残余电荷处理：,酒精清洗，或放置于湿度大的环境中,三极管电阻测量：,接地电阻测量电极：,接地电阻测量电极：,电阻率测量系统,：,水电阻测量：,回路电阻测量仪,：,各种测量电极：,各种测量电极：,检测对象的基本测试连接方法,：,试样体积电阻测量：,电流法测量接地电阻,：,电极材料：,电极系统：,三电极系统：,将体积电流和表面电流分开，以分别测量,ρ,V,,ρ,S,。

测,ρ,V,时，可使测量电极下的电场比较均匀，可用等效面积来计算，有平板形试样，管形试样,,二电极系统,：不用保护电极，只适用于某些特殊场合：试样很薄,,锥形电极：,层压制品，测表面、体积以及沿层电阻,,条形夹紧电极：,薄膜带状材料,,同轴形电极：,测量表面电阻率,,,结论：,特殊电极系统所测得的绝缘电阻，只能在用同一电极系统时进行比较，,不同电极系统测得的结果不能相比,平板形试样三电极系统,,,,,,,,,,,,,被保护电极：测量电极,,不保护电极：高压电极,管状试样三电极系统,三电极系统规定,1、电极尺寸(P7 表1-1),,2、其他（IEC规定），（D-直径，L-长度，h-厚度）,,电极,1,：,D,1,,或,L,1,> 10,h,(,试样厚度,),，且实际,>5mm,,电极,3,：,D,3,,或,L,3,>2,D,2,内,+2,h,,电极,2,：,D,2,外,>2,D,2,内,+2,h,,测表面电阻：电极,1,和电极,2,间的宽度,g>2,h,，且,g>1mm,测量原理：,ZC36型1017Ω超高电阻测试仪测试原理图,三电极测量系统实物：,,,ZC36高阻计外形图,三电极电阻测量系统,体积电阻和表面电阻测量示意图：,体积电阻Rv和表面电阻Rs测量示意图,锥形电极,条形电极,测量表面电阻率的同轴型电极,1 高压电极,,2 测量电极,,3 接地电极,,4 绝缘材料,电极尺寸的规定和选择,使得测量结果有代表性,,满足测量设备灵敏度,,测,ρ,V,时，使测量电极下的,电场尽可能均匀,，,减小电极边缘效应,,测,ρ,S,时，,间隔,g,不能太小,,使沿电极周长间隙,g,的相对误差不致太大,,为了尽量减少体积电流的影响,I,S,与,I,V,分布,曲线1：二电极系统,,g,/,h,增大,,I,S,、,I,V,减小，,I,S,比,I,V,减小的多,f,(,g,/,h,)上升,,,曲线2：三电极系统,,g/h增大,更多体积电流流向保护电极,，,,I,V,比,I,S,减小的多f(g/h)下降,,结论：,,测量表面电阻率时，采用三电极系统，减少体积电流的影响，且g/h≥2,电阻率计算：,三电极系统，平板形试样,三电极系统，管状试样,需测量量：,电压、电流、电极及试品的几何尺寸,,难度：微小的直流电流,,参数说明：,,应用标准电极尺寸时：,,有效直径,D,=,D,1,+g,,有效长度,L,=,L,1,+g,,g>>h,时：,,,其中：,,,B,：间隙宽度系数,,电极材料与装置：,基本要求：,,电极本身是良好的导体，且能与试样紧密接触。

电极与试样不能有相互作用，电极应能耐腐蚀，在试验过程特别是高温下，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、使用安全银漆和银膏：,适用于研究不同温度下电阻率随温度变化的规律,,喷涂或真空蒸发金属电极：,特点同导电银漆电极，但要注意离子轰击或真空处理对材料的影响,,金属箔电极：,,试样体积内潮气不能通过电极逸出，试样需预处理,,测表面电阻率，避免粘合剂涂到被保护极和保护极之间的间隙上,,高温下测量，注意粘合剂流动造成的电极移动，或粘合剂渗入试样,,导电橡皮电极,：,使用方便，但导电性能差，对有弹性的试样应注意因加压力而影响实际厚度,,胶体石墨电极,：,必须有一定厚度，保证整个电极面积是连续的导电层便宜，但导电性能不如银漆，且受潮或浸在变压器油中易脱落,,导电液体电极：,,水银电极：,倾注水银时，避免气泡或表面氧化层夹在试样与水银之间，水银对人体有害，不能长时间或高温下使用,,水电极：,可用于测量电线绝缘电阻,电极的选择,,固体材料：,1~6,,液体材料：导电性能好、电极与试样不会有相互作用、便于拆洗、电极容积不小于,40mL,，承受的试验电压不低于,2kV,液体电极,,平板形：便于拆洗安装，测量电极下气泡不易逸出而造成测量误差,,圆锥形：克服平板形缺点，但结构复杂，热惯性大，较长时间内试样温度才能平衡。

测量注意,：,,绝缘支架不浸入被测液体安装电极，注意电极间隙的均匀性测量前电极仔细拆洗，避免杂质对液体电阻率的影响试样注入,10min,测量，相邻,2,次测量值不得大于,35%,平板形液体电极,圆锥形液体电极,1-内电极 2-外电极 3、4-石英 5-保护环 6-提升柄,1-3直测法测量绝缘电阻,直接测量法,直接测量施加于试样的直流电压,U,和流过试样的电流,I,，通过欧姆定律计算出电阻,R,=,U,/,I,,使流过试样的电流通过一个已知的标准电阻,R,s，测量,R,s两端的电压而求得通过的电流,I,,常用方法：,,欧姆表,,检流计,,高阻计,欧姆表：,,原理：,,1、,手摇直流发电机,+流比式电流表,,2、电压稳定，指针偏转读数,a,与流过表内两个线圈的电流比成比例,,3、试样串联在电流表的一个支路内,,新型欧姆表采用,高频升压后再整流,，获得直流高压，更方便,特点及使用注意：,,1、仪器简单、便于携带，读数稳定，用于检测电工产品的绝缘电阻，特别用于户外现场，但灵敏度不高,,2、使用时要注意选择适当的电压，低：无法暴露绝缘弱点，高：绝缘击穿,,3、不同电压测得的绝缘电阻，有时是不可比的。

欧姆表实物：,检流计：直流电流表,灵敏度很高；,,最小电流：10,-10,A/mm；,,最大电阻：10,12,欧；,说明：,,1、,直流电源,：提供施加于试样的直流电压；整流稳压电源，要求电压稳定；提高电压可增大电阻量程，但太高电阻会下降，甚至击穿；输出端不接地,,2、,换向开关S1,：改变施加于式样的电压极性,,3、,测量试样电压,：静电电压表，电阻要比试样电阻高100倍；磁电式电压表，试样电阻要比保护电阻大100倍,,4、,保护电阻,：防止试样击穿，或高压电极与测量电极短路时损坏仪器，可用来校验检流计的常数,,5、,分流器,：扩大量程和保护检流计,,6、,检流计,静电电压表：,静电电压表特性：,1,、,精度高：,AC:1.0% DC:0.5%,,2,、,安全可靠：,工作时高压部分和低压仪表分开，工作安全可靠3,、,读数方便：,高压分压器上端均压罩为高压端，可直接接入被测高压，,,4,、,携带方便 ：,整机用铝合金包装箱作机壳，使用、携带十分方便5,、,静电电压表参数：,电压等级：,50kV,、,100kV,、,200kV,、,300kV,、,400kV,、,500kV,检流计中线圈偏转的阻尼由转动过程割切磁力线产生的感应电动势，圈与分流器组成的回路中干生的电流大小来决定。

1、,过阻尼A：,分流器总电阻太小,,感生电流太大,,检流计偏转太慢,,2、,欠阻尼C：,分流器总电阻太大,阻尼太小产生过冲振荡,,3、,正常工作状态B：,分流器总电阻=检流计外临界电阻 检流计的偏转最快达到稳定而不产生振荡,,,,,测量注意:,,应改变电压极性，分别测出两边的偏转读数，然后取平均值,a，,绝,,,缘电阻计算 ，其中n为分流比,,高阻计：,具有高输入阻抗的直流放大器绝缘电阻很高，电流小于10,-10,A时，检流计无法测量，用电子放大技术，放大微小电流信号,R,：放大器输出阻抗、微安表的内阻以及调节灵敏度的电阻,R,P,；,,S,=,A,/,R,为高阻计的特性常数,当,开关S：,保护作用试样施加电压前先闭合,,R,N,：,增大可提高测量电阻的范围，但需与放大器输入阻抗配合，且很大易使得测试回路时间常数增大，不能选的太高放大器：,输入阻抗>100,R,N,第一级用电测电子管或场效应管，10,14,欧姆,,特性常数S：,增大可提高灵敏度A受直流放大起的噪声干扰和零点漂移限制采用差动放大和负反馈电压放大倍数：,电流放大倍数,：,负反馈,R,f,：,增大有助于工作稳定，本机噪声小，输入阻抗减小，但损失电流放大倍数,,零点漂移误差：,直流调制为交流，交流放大后再检波测量,,S变化带来误差：,测量前自检,,测量精度：,最灵敏的仪器，量程1017欧姆，但准确度较差。

1015欧以下，误差10%更高电阻时，误差20%输入阻抗,：,高阻计实物：,1-4 比较法测量绝缘电阻,原理：,与已知标准电阻相比较来测定绝缘电阻的方法常用方法：,,1、电桥法,,2、电流比较法,比较测量法,电桥法：,组成：,试样；两个已知标准电阻,R,N,，,R,B,；一个可调电阻,R,A,,原理：,惠斯登电桥,,标准电阻,R,N,阻值很高，平衡指示,,器的灵敏度也比较高，能够测量较高,,的电阻R,x,：,为试样电阻；,R,N,为高阻值标准电阻10,12,欧；,,R,B,：,十进位标准电阻，用来改变量程；,,R,A,：,微调电阻，调整电桥平衡,测量准确度：,,1、各标准电阻的误差：1%以内,,2、电桥不完全平衡造成的误差：,,对角线电位差,,,由于灵敏度不够造成的最大相对误差为,,,减小的措施：提高,U,，增大,R,B,，采用灵敏的零点指示器,,优缺点：,,优点：可测最高电阻为10,14,欧姆，量程广，准确度比其他方法高,,缺点：电桥只有在电流稳定时才能平衡，不能用于测量随时间变化较快 的电阻,惠斯登电桥原理：,惠斯登电桥：,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,图中：,R,N,为标准电阻，,R,为分流电阻，无需从电压表读取电压值，电压表只是用以监视电压有无变化,,步骤：,先将S2打开，接入试样测一次；将S2闭合，将试样短路再测一次。

两次要求保持电压不变,,,,评价：,标准电阻和分流比的准确度都很高，只要读数准确，这种方法的相对误差可降到百分之几,1-5 充放电法测量绝缘电阻,让通过试样的泄漏电流对与试样串联的标准电容,C,0,充电,t,时间，使,C,0,上电压为,U,0,，则试样本身电容为,C,X,，电压降低,U,0,,C,0,两端电荷为：,,当,,注意：,,1、增加t可增大测量范围，但必须远小于充电的时间常数；若用更灵敏的电子静电计，可测电阻达,10,19,欧,，是目前为止,最灵敏的方法,,2、先闭合开关S后加压，经过1min打开S，开始计时间t；,,3、开关S、标准电容C,0,以及静电计的绝缘电阻必须足够高；,,4、用静电计测量时准确度较高，可以与检流计直测法相比；,,5、用电子静电计，灵敏度提高，准确度与高阻计直测法相当充电法：,自放电法：,1、闭合S1、S2，对试样充电，测得U,1,,2、打开S1、S2，试样放电，t时间后闭合S2，测得U,2,试样用一个电阻和电容并联的等效电路表示，电压衰减服从指数规律,,,,当,,注意：,,1、适用：已知试样电容，否则需要测得电容量Cx,,2、增加t或减小C,x,可以提高R,x,测量范围,,3、测量准确度主要决定于静电电压表的准确度，误差可以在百分之几之内,,4、开关的绝缘电阻要比试样的电阻大100倍以上,1-6 测量误差的来源及其消除方法,1、仪器本身的误差,,2、测量装置中的漏电流,,3、寄生的电动势,,4、试样留下的残余电荷,来源：,各种电表包括电流表、电压表都可以从精确度等级上，知道测量值可能的误差，若参数由多个参数测量计算得出，则采用间接误差计算方法计算总误差。

如：检流计测量绝缘电阻,,则,R,的相对误差,为,,：电压表的相对读数，,1.5,级电压表接近满刻度时误差最大为,1.5%,,,：检流计常数的相对误差，与检流计本身性能以及测量,K,值时用的标准绝缘电阻及电压标的精确度有关，一般不超过,3%,,,：检流计偏转读数的相对误差，检流计的刻度为每格,1mm,，若偏转,50,格，读数误差一般不会超过,1,格，则相对误差为,2%,,,：分流比的相对误差，此值一般小于,1%,,测得电阻的相对误差不超过,7.5%,仪器本身的误差：,测量线路中元件本身绝缘不是无限大,,存在微小的漏电流,,若测量绝缘电阻很高,待测电流很小漏电流造成极大的误差,,R,1,：从高压流经的各部分电阻,,漏电流I,1,，测量值,偏小,,R,2,：低电阻分流,,漏电流I,2,，测量值,偏大,消除漏电流保护技术,,将导体安插到漏电流途径中，将漏电流引到电源回路中；或使漏电流所经的电阻与测试电路中低电阻元件并联,漏电流：,消除漏电流保护技术应用：,,1、测量体积电阻：保护电极安插在表面电流的途径中,,2、检流计测绝缘电阻：所有部件都放在一块金属板上，并将金属板和电源的一端接地,,3、电桥法测量：保护电极与电桥对角线的一端连接,,4、高阻计测量很高电阻：低电阻并联于输入端时，电流分流及高阻计零点没调好均会造成测量电阻偏大。

漏电流影响因素：,,测量装置、环境条件、气候条件,,检查方法：,,I,1,：拆开试样测量端与仪器仪表的联结，加上电压，仪器各开关均至于测量位置，逐步增大灵敏度达到测量所需的范围，若仪器指示仍为0，可忽略,,I,2,：只有在用高阻计或充放电方法测量时，特别是在湿度大、有环境污染时才有必要检查用标准电阻进行比较，对带负荷反馈的高阻计，也可以在调零时留下微小的指针偏转读数，然后打开开关S看偏转是否有明显增大，若无说明可忽略,寄生电动势和外电场,：,检查方法：,,测量装置全部接好并调节到测量状态，不加直流电压，若仪器指示为零，则说明各种电动势的影响都可以忽略,,,,,,,,,,,,,,,,剩余电荷：,来源,:,,1,、,极化电荷：,试样上施加直流电压，试样表面和电极上将会积聚上极化电荷，若测量体积电阻后，接着测量表面电阻，极化电荷会产生与表面电流,I,S,反向的放电电流,I,d,，则测量电流,I,g,偏小，表面电阻偏大,,I,g,=,I,s,-,I,d,,,薄膜材料会出现反偏转,,2,、,残留静电荷：,绝缘材料在生产、储存、运输过程中，以试样制作过程中产生,,,检查：,,同寄生电动势,,应用情况：,,较高直流电压,(,几千到几万伏,),，电工设备,,灵敏度要求：,,电压高，泄漏电流大，不需要很灵敏的测试仪器，用微安表或毫安表,,目的,,电压高才能暴露出来某些绝缘的缺陷或受潮、老化等,,,电工设备经常要在直流高压下测量泄漏电流,1-7 泄露电流的测量,测量装置：,微安表连接方式：,,1,、试样非直接接地,,试样与地之间,,2,、试样一端固定接地,,串接在直流高压电源与接地端之间,,注意：,,,1),测得的电流包括所有高压端对地的电流,(,试样泄露电流,+,所有高压端对地泄漏电流,),,2),测量时先不接试样，升高电压达试验电压值，记电流,I,1,，接上试样，测电流,I,2,,若,I,2,>>I,1,，试样泄露电流,I,x,=,I,2,-,I,1,,否则，将微安表接在高压端读取电流，很不安全,改进后测量装置,1,、,串接电感,L,及并接电容,C,：,抑制脉动电流使微安表读数稳定,,2,、,放电间隙,G,：,用以保护,A,点不会出现高电位，当试样击穿，或电阻,R,、电感,L,以及微安表烧断时，,A,点出现高电位，放电间隙放电，强制,A,点接近地电位,,3,、,电阻,R,：,保护微安表，当电流过大时，,A,点的电压达到放电间隙的起始放电电压，将微安表短路，使电流通过放电间隙而不经过微安表。

吸收电流与电压或与时间的关系,目的：,分析绝缘中存在的缺陷或受潮情况,,吸收电流与加电压时间的关系：,,1,、,良好的绝缘体：,吸收电流随加电压时间下降很快，最后稳定的电流很小,,2,、,受潮或有缺陷：,吸收电流变化很慢，稳定的电流值也比较大，用,吸收比,I,15,/,I,60,来表示，吸收比大，绝缘良好,,3,、,非极性的绝缘材料：,如曲线,3,，吸收比也不大，但不能认为绝缘不好,试样可能出现的情况：,1,）,微安表指针连续摆动,电源波动、直流电压脉动系数较大以及测试回路中有充放电过程采用改进测试电路，并加大电容,C,，会使情况得到改善若摆动不大，可取平均值作为试验结果,,2,）,微安表突然出现不规则的大脉冲,试样中有局部地方出现间断性放电,,3,）,微安表读数随时间不断增大,试品有击穿危险,,,,2,、,3,出现时，说明绝缘系统有严重问题，应立即停止试验，否则试样就有击穿的危险,时变微电流,例如：,,试样在外加直流电压下的,吸收电流,,试样在外加直流电压去除后的,自放电电流,,试样在电热作用后的,热刺激电流,,作用：,,大小及衰减快慢，包含有丰富的介质特性的信息,,介质净化、介质极化、介质中空间电荷的累积和转移等,,可分析介质的物质结构、绝缘缺陷、以及研究击穿机理等,1-8 计算机辅助测量时变微电流,计算机辅助时变电流测量系统：,放大器：,,,1,、超低漂移、高输入阻抗,,,2,、增益和频带宽度的选择，都应保证被测信号不失真，并足以驱动采集卡正常工作,,采集卡：,,采用,PS-2107,模数转换接口板，把输入的电流模拟量经采样保持，并转换为数字量，转换时间为,100us,，输入电压范围为,0~5V,，总误差不大于,0.5%,,计算机：,,按设置的采集时间，依序采集指定时刻的电流值，生成电流数据文件，之后再按一定的数学模型拟合成电流,——,时间曲线。

本章小结,1,、概念：,绝缘电阻、电阻率、微电流，,,2,、影响绝缘电阻的因素：,温度、湿度、电场强度、辐照,,3,、试样：,材料、形状、尺寸、预处理,,4,、电极：,三电极、两电极、平板电极、板状电极、球电极、锥形电极,,5,、电极材料：,银漆、银膏、金属箔、金属蒸发、导电橡皮、石墨、导电液体,,6,、直流法测量,：欧姆表、检流计、高阻计、,,7,、比较法测量：,电桥法、电流比较法,,8,、充电法测量：,充电法、自放电法,,9,、误差来源与消除：,仪表、漏电流、寄生电动势、外电场、剩余电荷,,10,、泄漏电流测量：,微安表法11,、计算机辅助测量时变微电流：,放大器、采集卡、计算机、软件,。