交直流薄膜耐壓測(cè)試儀的研制

錢(qián)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(lán)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(chǎn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)薄膜厚薄不均、導(dǎo)電顆粒積聚、劃傷等因素，從而影響其電氣性能。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 13541-92電氣用塑料薄膜試驗(yàn)方法》，電氣用塑料薄膜要求進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)，在給定面積下，通過(guò)升壓系統(tǒng)對(duì)被測(cè)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(zhì)量水平的重要指標(biāo)。因此薄膜耐壓測(cè)試儀在電氣用塑料薄膜的生產(chǎn)、科研、質(zhì)檢部門(mén)有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 測(cè)試儀原理及硬件構(gòu)成

電工薄膜耐壓測(cè)試儀一般都有0到幾萬(wàn)伏的電壓輸出，而升壓系統(tǒng)是耐壓測(cè)試儀重要組成部分，通行簡(jiǎn)便的做法是用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)壓器旋轉(zhuǎn)，達(dá)到改變電壓的目的。目前電工薄膜耐壓測(cè)試儀的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)通常由可編程邏輯控制器PLC產(chǎn)生CP脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，再由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

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(guò)控制面板進(jìn)行試驗(yàn)操作及參數(shù)顯示，表頭電壓從高壓整流回路直接采樣，全量程線(xiàn)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(dòng)切斷測(cè)試電壓并使調(diào)壓器自動(dòng)回歸零點(diǎn)?？刂葡到y(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(shè)有4種報(bào)警提示：（1）電極間漏電流超過(guò)1 mA時(shí)，擊穿報(bào)警，系統(tǒng)立即斷開(kāi)高壓并使調(diào)壓器回歸零點(diǎn)。此時(shí)面板上報(bào)警指示燈常亮。(2）當(dāng)測(cè)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(shí)，過(guò)電壓報(bào)警。此時(shí)面板上報(bào)警指示燈以1 s為周期慢速閃爍。(3）使用手動(dòng)操作時(shí)必須使調(diào)壓器回到零點(diǎn)，當(dāng)使用手動(dòng)升壓而使調(diào)壓器不在零點(diǎn)位，此時(shí)按“啟動(dòng)”鍵，系統(tǒng)將自動(dòng)使調(diào)壓器回到零點(diǎn)，此時(shí)面板上報(bào)警指示燈以0.5 s為周期中速閃爍，報(bào)警指示燈直到調(diào)壓器回到零點(diǎn)才停止閃爍，重新按“啟動(dòng)”鍵即可進(jìn)行試驗(yàn)。(4）只有在安全門(mén)關(guān)閉時(shí)才能啟動(dòng)試驗(yàn)，當(dāng)安全門(mén)沒(méi)關(guān)閉時(shí)按“啟動(dòng)”鍵，系統(tǒng)不動(dòng)作，此時(shí)面板上報(bào)警指示燈以0.1 s為周期快速閃爍。

1.1 測(cè)試夾具

測(cè)試夾具安裝在儀器的測(cè)試室內(nèi)，且只有在安全門(mén)關(guān)閉的前提下才可進(jìn)行試驗(yàn)樣品的耐壓測(cè)試，這對(duì)試驗(yàn)人員的安全起到很好的保護(hù)作用。測(cè)試夾具采用平面式設(shè)計(jì)，上電極面為準(zhǔn)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(jìn)調(diào)壓器、升壓變壓器、整流濾波電路構(gòu)成，產(chǎn)生測(cè)試所需的交直流高壓。（1）步進(jìn)調(diào)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(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 技術(shù)參數(shù)表

3 方便操作的儀器外形

現(xiàn)有的電工薄膜耐壓測(cè)試儀，一般由設(shè)在工作臺(tái)上的耐壓測(cè)試室和設(shè)在工作臺(tái)下的電控柜組成，耐壓測(cè)試室一般由絕緣玻璃罩構(gòu)成，測(cè)試電極固定在工作臺(tái)上，用玻璃罩罩住測(cè)試電極，玻璃罩內(nèi)形成耐壓測(cè)試室。做耐壓測(cè)試時(shí)，推開(kāi)玻璃罩，放入被測(cè)試電工薄膜，然后合上玻璃罩，啟動(dòng)測(cè)試。其明顯存在如下缺點(diǎn)：（1）沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的操作臺(tái)面供測(cè)試人員操作，測(cè)試人員只能站立進(jìn)行操作，且儀器上也無(wú)足夠空間用于記錄測(cè)試數(shù)據(jù)；（2）測(cè)試電極用玻璃罩罩住，開(kāi)啟不便。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，研制的交直流薄膜耐壓測(cè)試儀便于測(cè)試人員操作。儀器設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的操作臺(tái)面供測(cè)試人員操作，測(cè)試人員可以坐在操作臺(tái)前操作并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，耐壓測(cè)試室為固定在工作臺(tái)上的由絕緣玻璃制成罩體，罩體正面設(shè)有向兩側(cè)開(kāi)啟的由絕緣玻璃制成的推拉門(mén)，極大提高了實(shí)驗(yàn)人員工作舒適度和安全性；耐壓測(cè)試室下方裝有檢測(cè)推拉門(mén)是否關(guān)閉到位的接近開(kāi)關(guān)，推拉門(mén)內(nèi)側(cè)固定有與接近開(kāi)關(guān)配合的感應(yīng)金屬塊，由于接近開(kāi)關(guān)為無(wú)觸點(diǎn)的磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)，不易損壞，可以減少測(cè)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(tái)正前方，主要由電源開(kāi)關(guān)、操作按鈕、預(yù)置撥盤(pán)、指示燈、數(shù)字式電壓表、計(jì)時(shí)器等組成，其布局示意圖如圖3所示。

4 升壓變壓器次級(jí)通過(guò)電阻間接接地的高壓輸出電路

圖2 交直流薄膜耐壓測(cè)試儀外形示意圖

圖3 操作面板布局圖

薄膜耐壓測(cè)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(kāi)關(guān)和測(cè)試電極等部分組成，升壓變壓器次級(jí)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(jí)是通過(guò)對(duì)地分布電容接地，由于高壓線(xiàn)圈與低壓線(xiàn)圈之間存在著分布電容，高電壓會(huì)通過(guò)分布電容從高壓線(xiàn)圈感應(yīng)至低壓線(xiàn)圈或低壓線(xiàn)路上，這樣低壓線(xiàn)圈或低壓線(xiàn)路就會(huì)對(duì)地形成一個(gè)高電位或次高電位，一方面會(huì)對(duì)人身安全造成嚴(yán)重威脅。同時(shí)高壓測(cè)試電極由于懸空易產(chǎn)生靜電荷的積聚，由于沒(méi)有放電回路，積聚的靜電荷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生間歇性對(duì)地放電現(xiàn)象，對(duì)控制線(xiàn)路造成嚴(yán)重干擾。在后者輸出形式中，升壓變壓器的一輸出端與設(shè)備機(jī)殼形成短接，在設(shè)備機(jī)殼很好地接地的情況下還是比較安全的，但設(shè)備機(jī)殼接地不好或接地?cái)嚅_(kāi)的情況下，機(jī)殼則變成了高壓帶電體，同樣對(duì)人身安全造成嚴(yán)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(dāng)于把操作者放在等電位體上隔離起來(lái)，這給操作和行動(dòng)帶來(lái)不便。以上兩種輸出形式都存在嚴(yán)重缺陷。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種升壓變壓器次級(jí)通過(guò)電阻間接接地的薄膜耐壓測(cè)試儀高壓輸出電路，可以避免分布電容將高電壓感應(yīng)到低壓線(xiàn)圈及低壓線(xiàn)路；又可以避免高壓端產(chǎn)生的靜電荷在電場(chǎng)作用下間歇性對(duì)地放電造成對(duì)控制線(xiàn)路嚴(yán)重干擾。同時(shí)可讓操作者不帶絕緣手套操作，即使在設(shè)備機(jī)殼接地不好的情況下依然安全。

升壓變壓器次級(jí)通過(guò)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(jí)輸出為A點(diǎn)和B點(diǎn)。A點(diǎn)一路經(jīng)由硅堆V1、電容C1、電阻R1構(gòu)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(diǎn)另一路形成交流高壓，兩者通過(guò)交/直流切換開(kāi)關(guān)通過(guò)限流電阻R2與上電極連接。升壓變壓器T1次級(jí)B點(diǎn)通過(guò)取樣電阻R3與下電極連接，由R3獲得的取樣信號(hào)送入比較放大電路B1，同時(shí)升壓變壓器次級(jí)通過(guò)電阻R4與設(shè)備機(jī)殼接地。由于升壓變壓器T1次級(jí)輸出B點(diǎn)為高壓，所以接地電阻R4應(yīng)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(shè)備機(jī)殼接地線(xiàn)斷開(kāi)的情況下，高壓通過(guò)人體與大地構(gòu)成回路，根據(jù)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(gòu)成了高壓對(duì)地放電回路，高壓測(cè)試電極不會(huì)產(chǎn)生靜電荷的積聚，因而也就不存在間歇性對(duì)地放電造成對(duì)控制線(xiàn)路嚴(yán)重干擾。

圖4 升壓變壓器次級(jí)通過(guò)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(kāi)關(guān)組成的升壓速度設(shè)定系統(tǒng)

薄膜耐壓測(cè)試儀在升電壓過(guò)程中，對(duì)于不同厚度的電工薄膜，其升壓速度是不同的，即步進(jìn)電機(jī)升壓速度設(shè)定值需經(jīng)常修改。用上位機(jī)或觸摸屏輸入PLC控制參數(shù)設(shè)定值，造價(jià)昂貴；通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器用模擬電位器輸入，不夠精確不夠直觀(guān)；用BCD撥碼開(kāi)關(guān)直接輸入，既經(jīng)濟(jì)又精確、直觀(guān)。

用3位BCD撥碼開(kāi)關(guān)直接進(jìn)行三菱FX系列PLC控制的升壓速度設(shè)定有2種方法：一種方法是采用二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換指令BIN實(shí)現(xiàn)，即將數(shù)字開(kāi)關(guān)碼（BCD碼）轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制BIN值讀入，3位BCD撥碼開(kāi)關(guān)則需占用PLC的12個(gè)輸入點(diǎn)；另一種方法是采用數(shù)字開(kāi)關(guān)指令DSW實(shí)現(xiàn)，3位BCD撥碼開(kāi)關(guān)只占用PLC的4個(gè)輸入點(diǎn)和3個(gè)輸出點(diǎn)。

采用數(shù)字開(kāi)關(guān)指令DSW實(shí)現(xiàn)升壓速度設(shè)定可節(jié)省PLC輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，因此選用該設(shè)定方法。由于撥碼開(kāi)關(guān)采用共陰極接法，撥碼開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(diǎn)和 Y6、Y7、Y10 輸出點(diǎn)。X10、X11、X12、X13 分別對(duì)應(yīng) BCD 碼的 1、2、4、8；Y6、Y7、Y10分別對(duì)應(yīng)BCD碼開(kāi)關(guān)的個(gè)、十、百位。由于三位撥碼開(kāi)關(guān)的1、2、4、8分別共用一個(gè) PLC輸入端，撥碼開(kāi)關(guān)的個(gè)、十、百位數(shù)據(jù)采取輪流采集方式，例如當(dāng)采集個(gè)位數(shù)據(jù)時(shí)，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(huì)通過(guò)個(gè)位某接通位元以及十或百位某接通位元串到Y(jié)7或Y10，使Y7或Y10也強(qiáng)制變成低電平，等同于Y7或Y10也被選通，勢(shì)必導(dǎo)致讀數(shù)混亂，為了避免個(gè)、十、百位的BCD碼開(kāi)關(guān)位與位間相互影響，每位撥碼開(kāi)關(guān)的每個(gè)1，2，4，8輸出端串有隔離二極管IN4007。由于未選通BCD碼開(kāi)關(guān)位的高電平處在二極管負(fù)極，選通BCD碼開(kāi)關(guān)位的低電平處在二極管正極，所以二極管處在截止?fàn)顟B(tài)，起到相互隔離作用。

用數(shù)字開(kāi)關(guān)指令DSW讀入BCD撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定值到PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元D128的程序?yàn)椋?/p>

源操作數(shù)由以X10為首位的4個(gè)輸入點(diǎn)（X10、X11、X12、X13） 構(gòu)成；目標(biāo)操作數(shù)由以Y6為首位的3個(gè)輸出點(diǎn)（Y6、Y7、Y10）構(gòu)成；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元為D128，采集到的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)形式存入；K1表示開(kāi)關(guān)組數(shù)，當(dāng)指定開(kāi)關(guān)組數(shù)為1時(shí)，D128中的二進(jìn)制數(shù)以十進(jìn)制數(shù)表示，即為0～999，與BCD撥碼開(kāi)關(guān)上十進(jìn)制數(shù)符號(hào)相對(duì)應(yīng)。

PLC通電后，M8000一直保持為ON狀態(tài)，程序始終執(zhí)行數(shù)字開(kāi)關(guān)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(shí)PLC輪流讀入個(gè)、十、百位數(shù)據(jù)，即當(dāng)Y6處于 0.1s低電平期間 PLC從 X10、X11、X12、X13讀入的數(shù)據(jù)認(rèn)定為個(gè)位數(shù)，依此類(lèi)推。如此不間斷地按順序進(jìn)行BCD撥碼開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)讀入。當(dāng)BCD撥碼開(kāi)關(guān)數(shù)改變時(shí)，D128中的數(shù)據(jù)會(huì)在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)（即3個(gè)0.1s）跟著刷新，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定值實(shí)時(shí)輸入的效果。PLC將存儲(chǔ)單元D128數(shù)值轉(zhuǎn)換成周期數(shù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元D130，并根據(jù)D130數(shù)值控制升壓脈沖周期T，從而控制步進(jìn)電機(jī)升壓速度。PLC與3位BCD撥碼開(kāi)關(guān)組成的升壓速度設(shè)定系統(tǒng)接線(xiàn)圖如圖5所示。

圖5 PLC與3位BCD撥碼開(kāi)關(guān)組成的升壓速度設(shè)定系統(tǒng)接線(xiàn)圖

6 結(jié)束語(yǔ)

研制的交直流薄膜耐壓測(cè)試儀，滿(mǎn)足電工薄膜交直流耐壓測(cè)試的特殊要求：

（1）耐壓測(cè)試室絕緣玻璃罩體正面設(shè)有向兩側(cè)開(kāi)啟的由絕緣玻璃制成的推拉門(mén)，且設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的操作臺(tái)面供測(cè)試人員操作，測(cè)試人員可以坐在操作臺(tái)前操作并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，極大提高了實(shí)驗(yàn)人員工作舒適度和安全性。

（2）升壓變壓器次級(jí)通過(guò)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(yīng)到低壓線(xiàn)圈及低壓線(xiàn)路；又可以避免高壓端產(chǎn)生的靜電荷在電場(chǎng)作用下間歇性對(duì)地放電造成對(duì)控制線(xiàn)路嚴(yán)重干擾。同時(shí)可讓操作者不帶絕緣手套操作，即使在設(shè)備機(jī)殼接地不好的情況下依然安全。

（3）PLC與3位BCD撥碼開(kāi)關(guān)組成的升壓速度設(shè)定系統(tǒng)，既經(jīng)濟(jì)又精確、直觀(guān)，由于采用數(shù)字開(kāi)關(guān)指令DSW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，節(jié)省了PLC輸入/輸出點(diǎn)數(shù)。

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

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

[3] 錢(qián)立文.薄膜電容器充放電試驗(yàn)儀的研制[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2012，211(8):49-52.