测量电气设备的绝缘电阻,只要把直流电压施加在导体的端头,就可进行测量;而测量绝缘材料的体积电阻率和表面电阻率,则必须制作适当的试样,并选取适当的电极系统和电极材料。
常用的用于测试固体绝缘电阻的是三电极系统。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。同时用三电极系统测量体积电阻率时,可以使测量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。
平板电极
管状电极
在测量体积电阻率时,电极1为被保护电极(或称测量电极),电极2为保护电极,电极3为不保护电极(或称高压电极)。在测量表面电阻率时,电极2为不保护电极、电极3为保护电极。
电极尺寸的规定和选择,除了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之外,还要在测体积电阻率时,使测量电极下的电场尽可能均匀,减小电极边缘效应,从而近似按均匀电场来计算电阻率。在测量表面电阻时,间隙g不能太小,这一方面是为了使沿电极周长间隙g的相对误差不致太大;另一方面也是为了尽量减少体积电流的影响。
电极材料与装置必须满足以下要求:首先,电极本身是良好的导体,而且能够和试样紧密接触;其次,电极与试样不能有相互作用,电极应能耐腐蚀,在试验过程特别是在高温下,不能因有电极存在而引起试样的性能发生变化;此外,还要求电极制做方便、使用安全。
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很多,其中主要有下列几种。
(1)银漆和银膏高:导电的银漆在大气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,因此试样可先做好电极,而后再进行预处理。这种电极特别适用于研究不同温度下电阻率随温度变化的规律。使用这种电极时,必须注意银漆的溶剂对试样的性能有无影响。制做这种电极的方法是:先用圆规沾上银漆,画好各电极的外缘,然后再用毛笔将整个电极涂满。或者将不应涂电极的试样表面用面板覆盖,再涂上银漆或银膏。在使用喷枪喷涂电极漆时,可采用夹装的模板。
(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。这种电极与导电银漆电极有相同的特点,但要注意离子轰击或真空处理对材料的影响。
(3)金属箔电极:用柔软的金属箔如铝箔、锡箔等,涂以微量的粘合剂粘贴在试样表面。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2.5μm,特别在测量薄膜材料和电阻值不大的材料时,这层粘合剂越厚,测得电阻值的正误差就越大。采用这种电极时,试样体积内的潮气不能通过电极逸出,因此试样必须先经过预处理后再贴电极。另外在测表面电阻率时,要特别小心,不要把粘合剂涂到被保护极和保护极之间的间隙上,以免改变了试样表面的状态。在高温下测量时还应注意粘合剂流动造成的电极移动,或粘合剂渗人试样而改变试样的性能。
(4)液体电极:使用液体电极往往能够得到满意的结果。构成上电极的液体被框住,例如用不锈钢环来框住,每个环的下边缘在不接触液体的一面被削成锐边。所选用液体材料可如镓、铟、锡,这几种材料在室温下为液态,故推荐使用。不推荐使用水银。
(5)胶体石墨电极与制做银漆的方法相同,将胶体石墨涂刷到试品的表面干燥后形成一层石墨电极,这是片状石墨堆积形成的,因此必须有一定的厚度,才能保证整个电极面积是连续的导电层。石墨电极比较便宜,但导电性能不如银漆而且当受潮或浸在变压器油中试验,石墨容易脱落。
(6)导电橡胶:导电橡胶可被用作电极材料。它的优点是能方便快捷地置于试样上或者从试样上移除。由于只是在测量时才将电极放到试样上,因此它不妨碍试样的条件处理。导电橡胶的绝缘电阻应小于1000Ω。
(7)金属箔:金属箔可粘贴在试样表面作为测量体积电阻的电极,但不适用于测量表面电阻。铝和锡箔被普遍作为金属箔电极。通常用少量的凡士林、硅脂、硅油或其他合适的材料作为粘贴剂,将它们粘贴到试样上。所有类型的粘贴剂都可能影响测量结果,宜尽可能少量的使用。要在一个平稳的压力下粘贴电极,使之足以消除一切褶皱和将多余的粘贴剂赶到金属箔的边缘,再用一块干净的薄纸擦去多余的粘贴剂。用软物(如手指)按压能很好地做到这点。这个技巧仅适用于表面非常平滑的试样。通过操作,粘贴剂薄层可减小到0.0025mm或更薄。
测量电线的绝缘电阻时,可用水为电极。把电线浸于水中,两端离开水面一定高度,线芯导体与水组成一对电极,这样就可以很方便地测得整卷电线的电阻。
以上各种电极材料与装置,都是用于固体材料的;对于液体材料用的电极应满足以下要求:除了导电性能好、电极与试样不会有相互作用之外,还要求便于拆洗,电极容积一般不小于40mL,承受的试验电压不低于2kV。
杂质对液体的电阻率是非常敏感的,在测量前电极应仔细拆洗。先用清洗溶液清洗两次以上,再用磷酸钠盐蒸馏水溶液煮沸,而后再用蒸馏水漂洗煮沸,最后放在恒温箱内,在105~110℃℃温度下烘60~90min。在取样时还应特别注意避免各种杂质如水分、灰尘等混人。为了避免潮气凝结到试样中,在注入试样时,电极的温度要比试样的温度高,试样的温度又应比周围空气的温度高。
试样注入电极10min后,就可以进行测量,测量第一试样后,换一个试样再测一次,如果二次测量之差大于两个测量值中较大一个的35%,则应取更多的试样进行测量,直到相邻两次测量值之差不超过35%为止。若多次测量都达不到要求,则应重新清洗电极。
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