ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ТВЕРДЫЕ

Методы определения удельного объемного и поверхностного сопротивления

Solid electrical insulating materials. Methods of test for volume resistivity and surface resistivity

ОКСТУ 3409

Дата введения 01.01.94

1. ОБЛАСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Настоящий стандарт распространяется на методы определения удельного объемного и поверхностного сопротивления и содержит соответствующие расчеты для определения упомянутых параметров твердых электроизоляционных материалов.

На результаты определения удельного объемного и поверхностного сопротивления влияют следующие факторы: амплитуда и время приложения напряжения, геометрия и природа электродов, температура и влажность окружающей атмосферы и образцов при кондиционировании и измерениях.

Дополнительные требования, отражающие потребности народного хозяйства, набраны курсивом.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

2.1. Объемное сопротивление

Частное от деления значения постоянного напряжения, приложенного между двух электродов, расположенных с противоположных сторон образца, на величину установившегося тока между этими электродами за вычетом поверхностного тока и без учета явления поляризации на электродах.

Издание официальное

© Издательство стандартов, 1993

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен без разрешения Госстандарта России

С. 2 ГОСТ Р 50499-93

Примечай и е. Если не указано иначе, объемное сопротивление определяют через 1 мин после подачи напряжения.

2.2.    У дельное объемное сопротивление

Частное от деления значения напряженности постоянного электрического поля на плотность установившегося тока в электроизоляционном материале. На практике за эту величину принимается объемное сопротивление, приведенное к кубической единице объема.

Примечание Размерность удельною объемного сопротивления в системе СИ — Ом*м На практике также используют единицу Ом*см.

2.3.    Поверхностное сопротивление

Частное от деления значения постоянного напряжения, приложенного между двух электродов на поверхности образца, на значение тока между электродами в данное время после включения тока без учета возможной поляризации электродов.

Примечания

1 Если не указано иначе, поверхностное сопротивление определяют через 1 мни после подачи напряжения.

2. Ток обычно проходит через поверхностный слой образца и любые соединения влажности и загрязнения, а кроме того включает составляющую тока через объем образца.

2.4.    Удельное поверхностное сопротивление

Частное от деления значения напряженности электрического

поля постоянного тока на значение линейной плотности тока в поверхностном слое изоляционного материала. На практике это значение рассчитывают как поверхностное сопротивление единицы площади.

П р и м е ч а и и е. В системе СИ размерностью удельного поверхностного сопротивления является Ом На практике иногда употребляют «Ом на единицу площади».

2.5.    Электроды

Измерительные электроды представляют собой проводники определенной формы, размера и конфигурации, контактирующие с испытуемым образцом.

П р и м с ч а и и о. Сопротивление изоляции является частным от деления значения напряжения постоянного тока между двух электродов, контактирующих с образцом на значение суммарного тока между электродами. Сопротивление изоляции зависит от удельного объемною и поверхностного сопротивления образца (см. ГОСТ Р 50344).

3. НАЗНАЧЕНИЕ

3.1. В основном электроизоляционные материалы используются для изоляции частей электрической системы друг от друга и от

ГОСТ Р 50499-93 С. 3

земли; твердые изоляционные материалы могут выполнять также функции механической опоры. Для этой цели обычно желательно иметь как можно большее сопротивление изоляции при наличии соответствующих механических, химических свойствах и нагрево-стойкости. Поверхностное сопротивление сильно зависит от влажности, а объемное сопротивление изменяется медленно, хотя окончательная величина изменения может быть больше.

3.2.    Удельное объемное сопротивление можно использовать как критерий при выборе изоляционного материала для конкретного применения. Изменение удельного сопротивления в зависимости от температуры и влажности может быть значительным, поэтому следует принимать во внимание такие изменения при конструировании для данных условий эксплуатации. Измерение сопротивления часто используют для контроля однородности изоляционного материала при производстве или для обнаружения проводящих включений, влияющих на качество материала, которые трудно обнаружить другим способом.

3.3.    При приложении постоянного напряжения к электродам, контактирующим с образцом, ток, проходящий через него, асимптотически снижается до установившейся величины. Уменьшение тока с течением времени является следствием диэлектрической поляризации и смещения подвижных ионов к электродам. Для материалов с удельным объемным сопротивлением менее 10¹⁰ Ом-м (10¹² Ом*см) установившееся значение тока достигается в течение 1 мин. Сопротивление определяют через 1 мин после подачи напряжения. Для материалов с более высоким удельным объемным сопротивлением уменьшение тока может наблюдаться в течение нескольких минут, часов, дней или недель. Для таких материалов соответственно требуется большее время выдержки под напряжением и при возможности такие материалы характеризуются зависимостью удельного объемного сопротивления от времени.

3.4.    Поверхностное сопротивление или поверхностную проводимость трудно измерить точно, т. к. в измерениях присутствует в той или иной мере объемная проводимость. Измеряемая величина в основном характеризует загрязнение поверхности образца при измерении.

Однако, диэлектрическая проницаемость образцов влияет на осаждение примесей, а их проводящая способность зависит от характеристик поверхности образца. Удельное поверхностное сопротивление не является свойством материала в обычном смысле, его можно рассматривать как относящееся к свойствам материала при наличии загрязнении. Некоторые материалы, такие как слоистые, могут иметь различное удельное сопротивление в поверхностном и

С. 4 ГОСТ Р 50499-93

внутреннем слоях. В связи с этим интерес представляет измерение истинных свойств, присущих чистой поверхности материала. Следует точно указать методику очистки поверхности для получения результатов, учитывая влияние воздействия растворителей и других факторов процесса очистки на повеохностные характеристики.

Поверхностное сопротивление, особенно при больших его значениях, часто имеет неустановившееся значение и в общем случае сильно зависит от времени воздействия напряжения; для измерений обычно указывается время выдержки под напряжением 1 мин.

4. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Для проведения испытаний требуется источник хорошо стабилизированного постоянного напряжения. Таким источником могут служить батареи или стабилизатор-выпрямитель. Степень стабильности должна быть такова, чтобы изменение тока за счет изменения напряжения было значительно меньше по сравнению с измеряемым током.

Обычно используют следующие значения напряжения, прикладываемого ко всему образцу: 100, 250, 500, 1000, 2500, 5000, 10000, 15000 В. Из этого ряда чаще используют значения 100, 500 и 1000 В.

В некоторых случаях сопротивление образца зависит от полярности прикладываемого напряжения.

Если сопротивление зависит от полярности прикладываемого напряжения, следует указать это в протоколе испытания. За результат принимают среднее геометрическое (среднее арифметическое логарифмических экспонент) двух значений сопротивления.

Поскольку сопротивление образца может зависеть от напряжения, следует указать также значение напряжения.

5. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ТОЧНОСТЬ

5.1. Методы измерения

Обычно употребляют прямые или сравнительные методы измерения высоких значений сопротивления.

Прямые методы базируются на одновременном измерении значения постоянного напряжения, подаваемого на образец с неизвестным сопротивлением и током, протекающим через него (метод вольтметра-амперметра).

Методы сравнения устанавливают соотношение неизвестного сопротивления и сопротивления известного резистора с помощью мостовой схемы или сравнением токов через сопротивления при

ГОСТ Р 50499-93 С. 5

фиксированном напряжении

Примеры, иллюстрирующие эти принципы приведены в приложении А

Метод вольтметра амперметра требует наличия достаточно точного вольтметра, но чувствительность и точность метода зависят в основном от характеристик измерительного устройства, которым может являться гальванометр, прибор с электронным усилением или электрометр

Метод моста требует наличия чувствительного детектора тока в качестве нуль — индикатора, а точность в основном определяется известными резисторами плеча моста, которую можно получить с высокой сходимостью и стабильностью в широком диапазоне сопротивлений Точность метода сравнения токов зависит от точности известного резистора и от стабильности и линейности прибора измерения тока, включая измерительные резисторы и т д, при этом точные значения тока не имеют значения при наличии постоянного значения напряжения Для сопротивлений порядка 10^й Ом можно использовать определение удельного объемного сопротивления в соответствии с п 10 1 с использованием гальванометра в методе вольтметра-амперметра Для более высоких значений сопротивле ния рекомендуется использовать усилитель постоянного тока или электрометр

По методу моста нельзя непосредственно измерить ток в короткозамкнутом образце (см п 10 1) Метод с использованием устройства, измеряющего ток, позволяет автоматически регистрировать ток, что облегчает контроль стабильности измерений (см п 10 1) Имеются специальные схемы и приборы для измерения высоких сопротивлений Их можно использовать при условии, если они достаточно стабильны и точны при необходимости обеспечивают соответствующее закорачивание образца и измерение тока перед включением напряжения

52    Точность

Измерительное устройство должно обеспечивать определение значения неизвестного сопротивления с суммарной точностью не менее ±10% для сопротивлений меньше 10¹⁰ Ом и ±°0% для более высоких значений (см приложение А)

53    Защита

Изоляция измерительных схем изготовлена из материалов, в лучшем случае имеющих свойства, сравнимые с испытуемыми материалами

Ошибки измерений образца могут быть связаны

а) с паразитными токами от паразитных внешних напряжений,

3 Зак 614

которые обычно имеют неизвестную величину и произвольный характер;

б) с непроизвольным шунтированием сопротивления образца, эталонного резистора или устройства измерения тока изоляцией, которая имеет неизвестное сопротивление, возможно переменное по величине.

Полностью избежать этих погрешностей можно, используя насколько возможно высокие значения сопротивления изоляции на всех участках схемы. Это может привести к созданию громоздких устройств, которые вместе с тем не могут обеспечить измерения сопротивления изоляции выше нескольких сотен МОм. Более удовлетворительных результатов можно добиться, используя методику защиты.

Защита обеспечивается введением во всех критических изолированных участках схемы защитных проводников, которые прерывают все паразитные токи, которые в противном случае могут привести к ошибкам измерения. Защитные проводники соединены между собой, образуя защитную систему, формируя вместе с измерительными терминалами трехтерминальную сеть.

При соответствующем соединении паразитные токи от паразитных внешних напряжений шунтируются от измерительной цепи схемы защитной системой; сопротивление изоляции от любого измерительного терминала к защитной системе шунтирует элемент цепи схемы, который должен иметь намного меньшее сопротивление, и тогда сопротивление образца является единственным прямым путем между измерительными терминалами. Используя такую методику, можно значительно уменьшить вероятность погрешности.

На черт. 1 приведена принципиальная схема подключения защищенных электродов для измерения объемного и поверхностного сопротивлений.

На черт. 5 н 7 приведено соответствующее использование защитной системы для метода, включающего измерение тока, где защитная система присоединена к точке соединения источника напряжения и устройства для измерения тока.

На черт. 6 приведена схема защитной системы для метода моста Уитстона, включенная в точку соединения двух с более низкими значениями сопротивления плеч моста. Во всех случаях для эффективной работы защитная система должна быть полной и включать в себя любое из устройств, управляемое оператором при проведении измерений.

Э.д.с. электролитического, контактного или термического характера, возникающие между защитой и защищенными терминалами,

ГОСТ Р 50499-93 С. 7

Черт 1

можно компенсировать, если они незначительны. Следует убедиться, что такие э.д.с. не вносят ощутимых погрешностей в измерения.

Ошибки в измерении тока могут происходить из-за того, что устройство, измеряющее ток, шунтируется сопротивлением между защищенным терминалом и защитной системой. Это сопротивление должно быть по крайней мере в 10 раз (а предпочтительнее в 100 раз) больше сопротивления устройства, измеряющего ток. В некоторых мостовых схемах защита и измерительный терминал приведены практически к одному потенциалу, но стандартный резистор моста шунтируется сопротивлением между незащищенным терминалом и системой защиты. Это сопротивление должно быть по крайней мере в 10 раз (а предпочтительнее в 100 раз) больше сопротивления эталонного резистора.

Для обеспечения удовлетворительной работы оборудования измерения следует проводить при отключенном источнике напряжения от образца.

При таких условиях оборудование должно показывать бесконечное сопротивление в пределах его чувствительности. Если имеются соответствующие стандарты известных значений, их можно использовать для испытания работы оборудования.

6. ИСПЫТУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ

6.1. Удельное объемное сопротивление

Для определения удельного объемного сопротивления испытуе-

С. 8 ГОСТ Р 50499-93

мый образец может иметь практически любую удобную форму, позволяющую использовать третий электрод для защиты от погрешностей, связанных с поверхностными эффектами. Для образцов с пренебрежимо малой поверхностной утечкой при измерении объемного сопротивления защиту можно не использовать при условии, что отсутствие защиты не оказывает практического влияния на результаты измерений.

Зазор на поверхности образца между защищенными и защитными электродами должен быть равномерной ширины и как можно более узким, при условии, что поверхностная утечка не вызывает погрешности измерении. Наименьший зазор, использующийся на практике, составляет 1 мм.

Пример расположения электродов на трубчатом образце

Черт. 2

ГОСТ Р 50499-93 С 9

На черт 2 и 3 приведены примеры размещения трех электродов. При измерении объемного сопротивления электрод 1 является защищенным, 2 — защитным и 3 — незащищенным. Диаметр d\ (черт. 2) или длина 1\ (черт. 3) защищенного электрода должна быть нс менее чем в 10 раз больше толщины образца Л, для практических нужд обычно не менее 25 мм. Диаметр (или длина L) незащищенного электрода и внешний диаметр (1$ защитного электрода (или длина /з между внешними краями защитных электродов) должны быть равны внутреннему диаметру cl₂ защитного электрода (или длине /₂ между внутренними краями защитных электродов) плюс значение, равное удвоенной толщине образца.

6.2. Удельное поверхностное сопротивление

Для определения удельного поверхностного сопротивления испытуемый образец может иметь практически любую удобную форму, позволяющую использовать третий электрод для защиты от погрешности, связанной с объемными эффектами. Рекомендуется три варианта сборки электродов, показанные на черт. 2 и 3. Сопротивление зазора на поверхности между электродами / и 2 измеряется непосредственно электродом / в качестве защищенного электрода, электродом 3 как защитным и электродом 2 в качестве незащищенного.

Измеренное таким образом сопротивление включает поверхностное сопротивление между электродами / и 2 и объемное сопротивление между этими двумя электродами. При условии придания электродам соответствующих размеров, можно достичь пренебрежимо малой величины влияния объемного сопротивления в широком диапазоне окружающих условий и свойств материала Это ус ловце может быть достигнуто для размещения электродов показанных на черт. 2 и 3. Поверхностный зазор £ должен быть по крайней мере в два раза больше толщины образца; на практике берется минимальное значение 1 мм. Диаметр d\ (или длина /|) защищенного электрода должен быть не менее чем в 10 раз больше толщины образна /г. На практике обычно берется значение не менее 25 мм.

В качестве альтернативного варианта можно использовать прямые электроды или другие варианты с соответствующими размерами.

Примем а нио Из-за влияния тока через объем образца расчетное значение удельного поверхностного сопротивления может сильно зависеть от размеров образца и электродов Для сравнительного определения рекомендуется использовать образцы идентичном формы с расположением электродов в соответствии с черт. 2, имеющие размеры: (/. = 50 мм, d₂-60 мм, с/₃=80 мм.