交直流薄膜耐壓測試儀的研制

錢立文 ，張世松 邢武裝 ，陳翠玉

(1.安徽銅峰電子股份有限公司 安徽銅陵 244000；2.安徽藍盾光電子股份有限公司安徽銅陵 244000)

電氣用塑料薄膜（電工薄膜）的生產過程中，會出現(xiàn)薄膜厚薄不均、導電顆粒積聚、劃傷等因素，從而影響其電氣性能。根據國家標準《GB/T 13541-92電氣用塑料薄膜試驗方法》，電氣用塑料薄膜要求進行耐壓擊穿試驗，在給定面積下，通過升壓系統(tǒng)對被測試的薄膜施加直流或交流電壓，直至其擊穿，擊穿電壓除以膜厚，單位厚度的擊穿電壓值成為衡量薄膜質量水平的重要指標。因此薄膜耐壓測試儀在電氣用塑料薄膜的生產、科研、質檢部門有著廣泛的應用前景。

1 測試儀原理及硬件構成

電工薄膜耐壓測試儀一般都有0到幾萬伏的電壓輸出，而升壓系統(tǒng)是耐壓測試儀重要組成部分，通行簡便的做法是用步進電機帶動調壓器旋轉，達到改變電壓的目的。目前電工薄膜耐壓測試儀的步進電機控制系統(tǒng)通常由可編程邏輯控制器PLC產生CP脈沖給步進電機驅動器，再由步進電機驅動器產生足夠的電磁轉矩使步進電機旋轉。

主控系統(tǒng)采用PLC控制，PLC選用三菱微型可編程控制器（FX1N-24MT-001），通過控制面板進行試驗操作及參數顯示，表頭電壓從高壓整流回路直接采樣，全量程線性好；擊穿漏電流從串聯(lián)在下電極的電阻上采樣，靈敏度高；薄膜擊穿后控制系統(tǒng)自動切斷測試電壓并使調壓器自動回歸零點。控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 電氣控制系統(tǒng)原理框圖

控制系統(tǒng)設有4種報警提示：（1）電極間漏電流超過1 mA時，擊穿報警，系統(tǒng)立即斷開高壓并使調壓器回歸零點。此時面板上報警指示燈常亮。(2）當測試電極上電壓出現(xiàn)交流電壓大于11 kV或直流大于15 kV時，過電壓報警。此時面板上報警指示燈以1 s為周期慢速閃爍。(3）使用手動操作時必須使調壓器回到零點，當使用手動升壓而使調壓器不在零點位，此時按“啟動”鍵，系統(tǒng)將自動使調壓器回到零點，此時面板上報警指示燈以0.5 s為周期中速閃爍，報警指示燈直到調壓器回到零點才停止閃爍，重新按“啟動”鍵即可進行試驗。(4）只有在安全門關閉時才能啟動試驗，當安全門沒關閉時按“啟動”鍵，系統(tǒng)不動作，此時面板上報警指示燈以0.1 s為周期快速閃爍。

1.1 測試夾具

測試夾具安裝在儀器的測試室內，且只有在安全門關閉的前提下才可進行試驗樣品的耐壓測試，這對試驗人員的安全起到很好的保護作用。測試夾具采用平面式設計，上電極面為準25 mm的圓柱，下電極面為平面。

1.2 高壓發(fā)生器

高壓發(fā)生器由步進調壓器、升壓變壓器、整流濾波電路構成，產生測試所需的交直流高壓。（1）步進調壓器可將220 V交流電壓輸入，變成0～250 V交流電壓輸出；（2）升壓變壓器升壓比為1:65，功率為1 000 VA；（3）整流電路采用半波整流。

1.3 AC/DC切換

由真空高壓繼電器JT-5完成AC/DC切換。

2 主要技術參數

技術參數如表1。

表1 技術參數表

3 方便操作的儀器外形

現(xiàn)有的電工薄膜耐壓測試儀，一般由設在工作臺上的耐壓測試室和設在工作臺下的電控柜組成，耐壓測試室一般由絕緣玻璃罩構成，測試電極固定在工作臺上，用玻璃罩罩住測試電極，玻璃罩內形成耐壓測試室。做耐壓測試時，推開玻璃罩，放入被測試電工薄膜，然后合上玻璃罩，啟動測試。其明顯存在如下缺點：（1）沒有專門的操作臺面供測試人員操作，測試人員只能站立進行操作，且儀器上也無足夠空間用于記錄測試數據；（2）測試電極用玻璃罩罩住，開啟不便。

針對現(xiàn)有技術的不足，研制的交直流薄膜耐壓測試儀便于測試人員操作。儀器設計了專門的操作臺面供測試人員操作，測試人員可以坐在操作臺前操作并記錄測試數據，耐壓測試室為固定在工作臺上的由絕緣玻璃制成罩體，罩體正面設有向兩側開啟的由絕緣玻璃制成的推拉門，極大提高了實驗人員工作舒適度和安全性；耐壓測試室下方裝有檢測推拉門是否關閉到位的接近開關，推拉門內側固定有與接近開關配合的感應金屬塊，由于接近開關為無觸點的磁感應開關，不易損壞，可以減少測試儀的故障率。儀器外形示意圖如圖2所示。

操作面板位于操作臺正前方，主要由電源開關、操作按鈕、預置撥盤、指示燈、數字式電壓表、計時器等組成，其布局示意圖如圖3所示。

4 升壓變壓器次級通過電阻間接接地的高壓輸出電路

圖2 交直流薄膜耐壓測試儀外形示意圖

圖3 操作面板布局圖

薄膜耐壓測試儀的交/直流高壓輸出電路一般由升壓變壓器、高壓整流濾波電路、取樣電路、比較放大電路、交/直流切換開關和測試電極等部分組成，升壓變壓器次級有懸空不接地與直接接地兩種輸出形式：在前者輸出形式中，升壓變壓器次級是通過對地分布電容接地，由于高壓線圈與低壓線圈之間存在著分布電容，高電壓會通過分布電容從高壓線圈感應至低壓線圈或低壓線路上，這樣低壓線圈或低壓線路就會對地形成一個高電位或次高電位，一方面會對人身安全造成嚴重威脅。同時高壓測試電極由于懸空易產生靜電荷的積聚，由于沒有放電回路，積聚的靜電荷在電場作用下產生間歇性對地放電現(xiàn)象，對控制線路造成嚴重干擾。在后者輸出形式中，升壓變壓器的一輸出端與設備機殼形成短接，在設備機殼很好地接地的情況下還是比較安全的，但設備機殼接地不好或接地斷開的情況下，機殼則變成了高壓帶電體，同樣對人身安全造成嚴重威脅，為此，從安全考慮，通常的做法往往要求操作者帶絕緣手套，所在地面鋪絕緣墊等，相當于把操作者放在等電位體上隔離起來，這給操作和行動帶來不便。以上兩種輸出形式都存在嚴重缺陷。

針對現(xiàn)有技術的不足，設計一種升壓變壓器次級通過電阻間接接地的薄膜耐壓測試儀高壓輸出電路，可以避免分布電容將高電壓感應到低壓線圈及低壓線路；又可以避免高壓端產生的靜電荷在電場作用下間歇性對地放電造成對控制線路嚴重干擾。同時可讓操作者不帶絕緣手套操作，即使在設備機殼接地不好的情況下依然安全。

升壓變壓器次級通過電阻間接接地的交/直流高壓輸出電路如圖4所示，高壓輸出電路包括升壓變壓器T1，升壓變壓器T1次級輸出為A點和B點。A點一路經由硅堆V1、電容C1、電阻R1構成的高壓整流濾波電路，形成直流高壓，其中R1是C1的放電電阻；A點另一路形成交流高壓，兩者通過交/直流切換開關通過限流電阻R2與上電極連接。升壓變壓器T1次級B點通過取樣電阻R3與下電極連接，由R3獲得的取樣信號送入比較放大電路B1，同時升壓變壓器次級通過電阻R4與設備機殼接地。由于升壓變壓器T1次級輸出B點為高壓，所以接地電阻R4應選用高壓電阻。

以本例升壓變壓器T1最大輸出20Kv，R4阻值選用10MΩ。即使設備機殼接地線斷開的情況下，高壓通過人體與大地構成回路，根據歐姆定律其回路電流為20Kv/10MΩ=2mA，屬安全范圍。另一方面，由于接地電阻R4的存在，構成了高壓對地放電回路，高壓測試電極不會產生靜電荷的積聚，因而也就不存在間歇性對地放電造成對控制線路嚴重干擾。

圖4 升壓變壓器次級通過電阻間接接地的交/直流高壓輸出電路

5 PLC與3位BCD撥碼開關組成的升壓速度設定系統(tǒng)

薄膜耐壓測試儀在升電壓過程中，對于不同厚度的電工薄膜，其升壓速度是不同的，即步進電機升壓速度設定值需經常修改。用上位機或觸摸屏輸入PLC控制參數設定值，造價昂貴；通過A/D轉換器用模擬電位器輸入，不夠精確不夠直觀；用BCD撥碼開關直接輸入，既經濟又精確、直觀。

用3位BCD撥碼開關直接進行三菱FX系列PLC控制的升壓速度設定有2種方法：一種方法是采用二進制碼轉換指令BIN實現(xiàn)，即將數字開關碼（BCD碼）轉換為二進制BIN值讀入，3位BCD撥碼開關則需占用PLC的12個輸入點；另一種方法是采用數字開關指令DSW實現(xiàn)，3位BCD撥碼開關只占用PLC的4個輸入點和3個輸出點。

采用數字開關指令DSW實現(xiàn)升壓速度設定可節(jié)省PLC輸入/輸出點數，因此選用該設定方法。由于撥碼開關采用共陰極接法，撥碼開關是低電平選通，因此PLC輸入端的公共端子COM與輸出端的接撥碼開關輸出的公共端子COM4短接。此方法占用 PLC（FX1N-24MT）的 X10、X11、X12、X13 輸入點和 Y6、Y7、Y10 輸出點。X10、X11、X12、X13 分別對應 BCD 碼的 1、2、4、8；Y6、Y7、Y10分別對應BCD碼開關的個、十、百位。由于三位撥碼開關的1、2、4、8分別共用一個 PLC輸入端，撥碼開關的個、十、百位數據采取輪流采集方式，例如當采集個位數據時，Y6變成低電平，Y7、Y10為則為高電平，但如果十或百位有1，2，4，8的某位元處于接通狀態(tài)，則Y6的低電平會通過個位某接通位元以及十或百位某接通位元串到Y7或Y10，使Y7或Y10也強制變成低電平，等同于Y7或Y10也被選通，勢必導致讀數混亂，為了避免個、十、百位的BCD碼開關位與位間相互影響，每位撥碼開關的每個1，2，4，8輸出端串有隔離二極管IN4007。由于未選通BCD碼開關位的高電平處在二極管負極，選通BCD碼開關位的低電平處在二極管正極，所以二極管處在截止狀態(tài)，起到相互隔離作用。

用數字開關指令DSW讀入BCD撥碼開關設定值到PLC數據存儲單元D128的程序為：

源操作數由以X10為首位的4個輸入點（X10、X11、X12、X13） 構成；目標操作數由以Y6為首位的3個輸出點（Y6、Y7、Y10）構成；數據存儲單元為D128，采集到的數據以二進制數形式存入；K1表示開關組數，當指定開關組數為1時，D128中的二進制數以十進制數表示，即為0～999，與BCD撥碼開關上十進制數符號相對應。

PLC通電后，M8000一直保持為ON狀態(tài)，程序始終執(zhí)行數字開關指令 DSW，Y6、Y7、Y10則輪流選通0.1s，即Y6、Y7、Y10輪流處于低電平0.1s，同時PLC輪流讀入個、十、百位數據，即當Y6處于 0.1s低電平期間 PLC從 X10、X11、X12、X13讀入的數據認定為個位數，依此類推。如此不間斷地按順序進行BCD撥碼開關數據讀入。當BCD撥碼開關數改變時，D128中的數據會在一個數據采集周期內（即3個0.1s）跟著刷新，以實現(xiàn)參數設定值實時輸入的效果。PLC將存儲單元D128數值轉換成周期數存儲到存儲單元D130，并根據D130數值控制升壓脈沖周期T，從而控制步進電機升壓速度。PLC與3位BCD撥碼開關組成的升壓速度設定系統(tǒng)接線圖如圖5所示。

圖5 PLC與3位BCD撥碼開關組成的升壓速度設定系統(tǒng)接線圖

6 結束語

研制的交直流薄膜耐壓測試儀，滿足電工薄膜交直流耐壓測試的特殊要求：

（1）耐壓測試室絕緣玻璃罩體正面設有向兩側開啟的由絕緣玻璃制成的推拉門，且設計了專門的操作臺面供測試人員操作，測試人員可以坐在操作臺前操作并記錄測試數據，極大提高了實驗人員工作舒適度和安全性。

（2）升壓變壓器次級通過電阻間接接地的交/直流高壓輸出電路，可以避免分布電容將高電壓感應到低壓線圈及低壓線路；又可以避免高壓端產生的靜電荷在電場作用下間歇性對地放電造成對控制線路嚴重干擾。同時可讓操作者不帶絕緣手套操作，即使在設備機殼接地不好的情況下依然安全。

（3）PLC與3位BCD撥碼開關組成的升壓速度設定系統(tǒng)，既經濟又精確、直觀，由于采用數字開關指令DSW實現(xiàn)數據處理，節(jié)省了PLC輸入/輸出點數。

[1] 三菱公司.FX1N系列微型可編控制器使用手冊[M].三菱公司，2011.

[2] 錢立文.基于PLC的電工薄膜耐壓測試儀步進升壓系統(tǒng)改造[J].電工技術，2012，7:46-47+50.

[3] 錢立文.薄膜電容器充放電試驗儀的研制[J].電子工業(yè)專用設備，2012，211(8):49-52.