IEC 62631-3-22023 固体绝缘材料的介电和电阻特性.第3-2部分电阻特性的测定（直流法）.表面电阻和表面电阻率标准立项发展报告

StandardizationDevelopmentReport:IEC62631-3-2:2023DielectricandResistivePropertiesofSolidInsulatingMaterials—Part3-2:DeterminationofResistiveProperties(DCMethods)—SurfaceResistanceandSurfaceResistivity摘要固体绝缘材料在现代电气与电子工程中承担着至关重要的绝缘与支撑功能，其表面电阻与表面电阻率是评估材料在直流电场作用下表面电荷输运行为、绝缘性能及环境耐久性的核心参数。随着高压直流输电、新能源装备、5G通信基站以及高频电力电子器件等领域的迅猛发展，工程界对绝缘材料表面电阻特性的精确表征提出了更高要求。在这一背景下，国际电工委员会（IEC）于2023年10月16日正式发布IEC62631-3-2:2023《固体绝缘材料的介电和电阻特性第3-2部分：电阻特性的测定（直流法）表面电阻和表面电阻率》。该标准作为IEC62631系列标准的重要组成部分，系统规定了固体绝缘材料表面电阻和表面电阻率的直流法测定原理、试验装置、电极系统配置、试样制备、测试条件及结果计算方法，同时结合当前国际计量与材料科学领域的最新进展，对静电计精度、屏蔽技术及环境控制等关键环节提出了更加严谨的技术要求。本报告对该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容、主要参与单位、预期应用效益及未来发展趋势进行了全面梳理与深入分析，旨在为国内外绝缘材料研发、质量检验、设备制造及相关标准化工作者提供系统、权威的参考依据。关键词：固体绝缘材料；表面电阻；表面电阻率；直流法；IEC标准；绝缘性能测试；标准化一、引言1.1研究背景固体绝缘材料是电力设备、电子器件及通信设施的基础功能材料，其绝缘性能直接决定相关装备的运行可靠性、安全裕度及服役寿命。在直流电场作用下，材料表面的电荷积累、泄漏电流及沿面放电等现象与材料表面电阻特性密切相关。特别地，在高压直流输电换流站阀厅、新能源干式变压器、高频功率模块及户外绝缘子等典型应用场景中，材料表面电阻率不仅影响电场分布均匀性，还对沿面闪络电压、耐污秽性能及电化学腐蚀过程产生决定性作用。近年来，我国特高压直流输电工程大规模建设，柔性直流输电、新型储能及新能源汽车产业蓬勃发展，对绝缘材料表面电阻测试方法的标准化、可比性与溯源一致性提出了迫切需求。与此同时，纳米复合绝缘材料、环保型环氧树脂、硅橡胶及可降解绝缘材料不断涌现，传统测试方法在面对高阻值材料、低电压敏感材料及表面梯度功能材料时逐渐暴露出适应性不足的问题。因此，制定并持续更新表面电阻与表面电阻率测定的国际标准，对于推动绝缘材料性能评价体系的完善具有重要的现实意义。1.2标准立项的背景与必要性IEC62631系列标准由国际电工委员会（IEC）下设的第112技术委员会（TC112，电气绝缘材料与电气绝缘系统评价技术委员会）归口管理。TC112负责电气绝缘材料分类、性能评价方法及绝缘系统评定的国际标准化工作。在该系列标准框架下，IEC62631-1规定了介电和电阻特性的通用测试导则，IEC62631-3-1规定了体积电阻和体积电阻率的直流法测定，而IEC62631-3-2则聚焦于表面电阻和表面电阻率的直流法测定，三者共同构成完整的电阻特性测量标准体系。本标准立项的主要驱动力包括：第一，IEC60093:1980《固体电工绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》长期作为该领域的基础性标准，但其内容产生年代较早，在电极材料、屏蔽方式、测量不确定度评估及数字式静电计应用等方面未做出与现代测量技术相适应的明确规定；第二，超高阻值绝缘材料（表面电阻率达10¹⁵Ω以上）的准确测量对测试系统的泄漏电流控制、静电屏蔽和采样时间设置提出了严苛要求，亟需在标准层面给出统一的技术规范；第三，全球各主要工业国在绝缘材料表面电阻测试方法上存在差异，制约了国际贸易与技术交流。因此，制定IEC62631-3-2并在后续持续修订，成为IECTC112的重点工作内容。1.3标准修订的必要性IEC62631-3-2:2023不仅是对IEC60093的继承与发展，也是对整个IEC62631系列标准化体系的完善与深化。与IEC60093:1980相比，2023版标准在以下方面做出了系统性修订：（1）术语体系的更新与统一：修订后的标准将表面电阻和表面电阻率的定义与ISO80000系列及IEC62631-1中的通用术语保持一致，避免了因术语理解差异导致的测量结果判读偏差。（2）测量技术的现代化：新版标准充分考虑了数字式静电计、自动量程切换、程控电压源及数据采集系统在现代实验室中的普及应用，给出了适用于数字化测试系统的操作流程和参数设定建议。（3）环境条件控制的精细化：针对温度和相对湿度对表面电阻测量的显著影响，修订版标准在不同材料类别的预处理条件、测试环境容差及环境参数记录等方面提出了更加明确的要求。（4）测量不确定度的系统评定：引入GUM（测量不确定度表示指南）框架，对表面电阻测量中各不确定度分量的来源进行了系统分析，为实验室间比对和结果互认奠定了计量学基础。二、标准编制历程IEC62631-3-2:2023的编制工作经历了系统的标准制定流程，主要包括以下几个阶段：提案与立项阶段：由IECTC112相关工作组（WG）在梳理IEC60093应用中存在的技术问题基础上，提出制定IEC62631-3-2的新工作项目提案（NP）。经各成员国投票表决后正式立项，并指定工作组负责起草工作。工作组草案（WD）阶段：起草工作组召集来自德国、中国、日本、美国、法国、意大利等主要成员国的技术专家，围绕测量原理、电极配置、试样要求、测试程序及结果计算等核心内容展开多轮技术讨论，形成工作组草案。委员会草案（CD）阶段：工作组草案经IEC中央办公室分发至各国家委员会征求意见。各成员国组织本国相关标准化技术委员会及利益相关方进行评议，反馈意见经工作组逐条讨论处理，形成委员会草案。最终国际标准草案（FDIS）阶段：委员会草案经投票通过后形成最终国际标准草案，分发各成员国进行最终表决。在获得规定比例的赞成票后，标准文本经IEC中央办公室编辑审定，于2023年10月16日正式出版发布。本标准为IEC62631-3-2的首次正式发布版本，取代并废止了IEC60093:1980。标准的发布标志着固体绝缘材料表面电阻特性测试方法在国际层面实现了重大技术升级。三、标准主要内容3.1范围本标准适用于固体绝缘材料表面电阻和表面电阻率的测定。标准规定的测试方法基于直流电压下的直接测量原理，适用于体积电阻率在10⁵Ω·m至10¹⁸Ω·m范围内固体绝缘材料表面电阻特性的评定。标准广泛覆盖热固性塑料、热塑性塑料、弹性体、层压制品、浸渍织物、陶瓷及玻璃纤维增强复合材料等各类工程绝缘材料。值得注意的是，本标准所规定的表面电阻测量方法主要针对材料表面自身的电荷输运特性进行表征。但在实际测量中，来自材料内部的体积泄漏电流往往不可避免地叠加于表面测量电流之中，测试结果反映的是表面分量与体积分量的综合效应。因此，标准在电极系统和测量电路设计中对表面电流与体积电流的分离做出了相应的技术规定。对于某些特殊材料（如高吸湿性材料、多孔材料或经表面处理的功能材料），表面电阻率可能随电压作用时间、环境条件及表面状态发生显著变化，标准要求测试报告中应对测试条件予以详细记载。3.2规范性引用文件本标准在技术内容上参考并引用了以下规范性文件：-IEC60050-121:2014，国际电工词汇（IEV）——第121部分：电磁学-IEC60050-212:2010，国际电工词汇——第212部分：电气绝缘材料与绝缘系统-IEC60212:2010，电气绝缘材料试验用试样的制备前调节和试验的标准条件-IEC62631-1:2011，固体绝缘材料的介电和电阻特性——第1部分：一般要求-IEC62631-3-1:2016，固体绝缘材料的介电和电阻特性——第3-1部分：电阻特性的测定（直流法）——体积电阻和体积电阻率-ISO80000-1:2009，量和单位——第1部分：总则上述引用文件为标准的正确实施提供了术语定义、环境条件和通用测试程序的基础支撑。3.3术语和定义标准在IEC60050-121和IEC62631-1相关定义的基础上，结合表面电阻测量的特殊技术内涵，确立了如下核心术语：（1）表面电阻*surfaceresistance*：施加于固体绝缘材料表面两电极之间的直流电压与电极间表面电流之比。需要指出的是，表面电阻包含材料表面层的电荷输运贡献，但在实际测量中，表面电流与体积电流难以完全分离，测得的表面电阻值为表面路径与体积路径的综合效应。（2）表面电阻率*surfaceresistivity*：沿绝缘材料表面电流方向的直流电场强度与电流密度之比。从物理意义上看，表面电阻率表征材料表面对电荷输运的阻碍能力，可以理解为正方形材料表面两对边之间的表面电阻（此时与正方形边长无关），其SI单位为欧姆（Ω）。表面电阻率在数值上等于表面电阻乘以电极有效长度与电极间距之比。（3）保护电极*guardelectrode*：位于测量电极和高压电极之间并保持于保护电位的电极，其作用是分流体积泄漏电流，使测量仪器仅检测通过材料表面的电流分量。（4）有效周长*effectiveperimeter*：测量电极与保护电极间隙中线的周长，用于计算表面电阻率时的几何因子。3.4测试原理本标准的测量原理基于欧姆定律在表面导电通路上的直接应用。测试时，在试样表面施加规定的直流电压，测量流经材料表面的微小电流，通过电压与电流之比计算表面电阻。表面电阻率则依据电极系统的几何尺寸，通过几何修正因子换算得到。表面电阻的测量电路通常采用三电极系统，包括高压电极、测量电极和保护电极。保护电极在电路中接地或连接至静电计的屏蔽端，其作用在于将体积泄漏电流引离测量回路，确保静电计所检测的电流主要反映沿材料表面的传导分量。在测试回路中，直流电源经高压电极施加电压，静电计连接测量电极与保护电极之间的电流信号，从而实现表面电流的精确检测。标准强调，表面电阻测量中最大的技术挑战在于体积泄漏电流的抑制和极微弱电流信号的检测。对于表面电阻率大于10¹⁴Ω的材料，测量电流往往低至pA（10⁻¹²A）甚至fA（10⁻¹⁵A）量级，此时测试系统的绝缘性能、静电屏蔽效果及电缆的摩擦电效应和压电效应均可能对测量结果造成显著干扰。为此，标准对测试系统的泄漏电阻、屏蔽方式、接地布局及操作细节做出了具体规定。3.5测试装置与电极系统测试电源：标准要求直流测试电压的纹波系数应足够低，以避免电压波动对电流测量的影响。对于高阻测量，推荐采用稳定度优于±0.5%的直流稳压电源，电压范围应覆盖10V至1000V（或根据材料特性确定更高电压），并可根据材料特性和测试目的选择施加电压的大小。电流测量装置：标准允许采用静电计、高阻计或配备电流前置放大器的数字万用表进行电流检测。仪器的电流测量分辨力应不低于10⁻¹⁴A（针对超高阻测量），输入阻抗应足够高（通常不低于10¹⁴Ω），以避免仪器负载效应对测量回路的影响。测量仪器在测试前需进行归零校准，并定期溯源至国家计量标准。电极系统：标准推荐的电极材料包括不锈钢、黄铜、铝及导电橡胶等，电极与试样接触的表面应平整光滑，不应在试样表面产生机械损伤或污染。电极的几何配置必须与标准规定一致：-测量电极：直径为50mm的圆形电极（推荐值），或采用方形电极配置；-高压电极：外径60mm、内径54mm的环形电极（与测量电极同心配置）；-保护电极：位于高压电极外侧，宽度不小于10mm，与高压电极之间的间隙为2mm。屏蔽与接地：整个测试装置应置于具有良好静电屏蔽的测试腔内，屏蔽体应与测量系统的保护端可靠连接。测试电缆应采用低噪声同轴电缆或三轴电缆，以减少摩擦电效应和外部电磁干扰对微电流测量的影响。3.6试样制备与预处理试样尺寸：标准规定试样应为平板状，厚度应均匀且不小于1mm（对厚度敏感的材料应根据实际使用厚度进行测试）。试样的长度和宽度应足以容纳电极系统并保证电极边缘至试样边缘的距离不小于10mm，以防止沿试样边缘的爬电对测量结果产生干扰。表面清洁：试样的表面状态对测量结果影响显著。标准规定试样表面应清洁、干燥、无油脂、灰尘及其他污染物。在制备和搬运过程中，操作人员应佩戴洁净手套，避免手指直接接触试样表面。如确需清洁，推荐采用无水乙醇或异丙醇等挥发性溶剂进行清洗，清洗后需待溶剂完全挥发并经充分干燥后方可进行测试。预处理条件：试样的预处理应遵循IEC60212的规定。标准给出了两种常用的预处理条件：（a）在温度为（23±2）℃、相对湿度为（50±5）%的标准大气条件下处理不少于24小时；（b）对吸湿性较强的材料，可根据材料特性采用更高温度（如70℃或105℃）下的干燥处理。预处理完成后，试样应在与预处理相同的环境条件下进行测试，并在测试过程中对环境温度和相对湿度进行连续监测和记录。鉴于表面电阻对湿度的高度敏感性，标准强调测试环境相对湿度的稳定性和记录的完整性。3.7测试程序标准规定的测试程序主要包括以下几个步骤：（1）环境条件确认：在测试前确认测试腔内的温度和相对湿度处于规定范围内，并记录环境参数的起始值、结束值及中间变化情况。（2）试样安装：将预处理后的试样安装在测试腔内，安装过程中避免触碰电极接触区域。将三电极系统按标准规定的配置安装于试样表面，确保电极与试样表面紧密接触。（3）电气连接：将高压电极连接至直流电源输出端，测量电极连接至静电计的高端输入，保护电极连接至静电计的屏蔽端（低端），整个系统按照标准中给出的接线图进行连接。（4）测试电压施加：按照预先确定的测试电压值施加直流电压。对一般材料，推荐测试电压为500V；对厚度较薄或电阻率较低的敏感材料，可采用100V或更低电压；对超高阻值材料，可选用1000V及以上电压以增强测量电流信号。施加电压后，应经过足够长的极化时间（通常为1min，对高阻材料可延长至10min），待电流趋于稳定后读取电流值。（5）电流读取与记录：标准规定，在规定的电化时间（通常为60s）结束后读取电流值。如果电流在测试期间持续下降（极化现象显著），应记录电流随时间的变化曲线，并在报告中注明读取电流值所对应的具体时间。（6）电压极性的反转测量：为排除测试系统自身极化电动势的影响，标准建议对高阻材料采用电压极性反转方式进行复核测量，取两次测量的平均值作为最终结果。3.8结果计算表面电阻：表面电阻$R_s$按下式计算：$$R_s=\frac{U}{I}$$其中，$U$为施加的直流测试电压（V），$I$为在规定的电化时间后测得的表面电流（A）。表面电阻率：表面电阻率$\rho_s$按下式计算：$$\rho_s=R_s\cdot\frac{P}{g}$$其中，$P$为测量电极的有效周长（m），$g$为测量电极与高压电极之间的间隙宽度（m）。对于标准推荐的同心圆环形电极配置，$P$取测量电极和保护电极间隙中线所在的圆周周长。标准指出，表面电阻率的计算结果在数值上与正方形试样的表面电阻相等，因此其单位可直接表示为欧姆（Ω）。