交直流薄膜耐压测试仪的研制

时间：2024-09-03

钱立文，张世松邢武装，陈翠玉

(1.安徽铜峰电子股份有限公司安徽铜陵 244000；2.安徽蓝盾光电子股份有限公司安徽铜陵 244000)

电气用塑料薄膜（电工薄膜）的生产过程中，会出现薄膜厚薄不均、导电颗粒积聚、划伤等因素，从而影响其电气性能。根据国家标准《GB/T 13541-92电气用塑料薄膜试验方法》，电气用塑料薄膜要求进行耐压击穿试验，在给定面积下，通过升压系统对被测试的薄膜施加直流或交流电压，直至其击穿，击穿电压除以膜厚，单位厚度的击穿电压值成为衡量薄膜质量水平的重要指标。因此薄膜耐压测试仪在电气用塑料薄膜的生产、科研、质检部门有着广泛的应用前景。

1 测试仪原理及硬件构成

电工薄膜耐压测试仪一般都有0到几万伏的电压输出，而升压系统是耐压测试仪重要组成部分，通行简便的做法是用步进电机带动调压器旋转，达到改变电压的目的。目前电工薄膜耐压测试仪的步进电机控制系统通常由可编程逻辑控制器PLC产生CP脉冲给步进电机驱动器，再由步进电机驱动器产生足够的电磁转矩使步进电机旋转。

主控系统采用PLC控制，PLC选用三菱微型可编程控制器（FX1N-24MT-001），通过控制面板进行试验操作及参数显示，表头电压从高压整流回路直接采样，全量程线性好；击穿漏电流从串联在下电极的电阻上采样，灵敏度高；薄膜击穿后控制系统自动切断测试电压并使调压器自动回归零点。控制系统原理框图如图1所示。

图1 电气控制系统原理框图

控制系统设有4种报警提示：（1）电极间漏电流超过1 mA时，击穿报警，系统立即断开高压并使调压器回归零点。此时面板上报警指示灯常亮。(2）当测试电极上电压出现交流电压大于11 kV或直流大于15 kV时，过电压报警。此时面板上报警指示灯以1 s为周期慢速闪烁。(3）使用手动操作时必须使调压器回到零点，当使用手动升压而使调压器不在零点位，此时按“启动”键，系统将自动使调压器回到零点，此时面板上报警指示灯以0.5 s为周期中速闪烁，报警指示灯直到调压器回到零点才停止闪烁，重新按“启动”键即可进行试验。(4）只有在安全门关闭时才能启动试验，当安全门没关闭时按“启动”键，系统不动作，此时面板上报警指示灯以0.1 s为周期快速闪烁。

1.1 测试夹具

测试夹具安装在仪器的测试室内，且只有在安全门关闭的前提下才可进行试验样品的耐压测试，这对试验人员的安全起到很好的保护作用。测试夹具采用平面式设计，上电极面为准25 mm的圆柱，下电极面为平面。

1.2 高压发生器

高压发生器由步进调压器、升压变压器、整流滤波电路构成，产生测试所需的交直流高压。（1）步进调压器可将220 V交流电压输入，变成0～250 V交流电压输出；（2）升压变压器升压比为1:65，功率为1 000 VA；（3）整流电路采用半波整流。

1.3 AC/DC切换

由真空高压继电器JT-5完成AC/DC切换。

2 主要技术参数

技术参数如表1。

表1 技术参数表

3 方便操作的仪器外形

现有的电工薄膜耐压测试仪，一般由设在工作台上的耐压测试室和设在工作台下的电控柜组成，耐压测试室一般由绝缘玻璃罩构成，测试电极固定在工作台上，用玻璃罩罩住测试电极，玻璃罩内形成耐压测试室。做耐压测试时，推开玻璃罩，放入被测试电工薄膜，然后合上玻璃罩，启动测试。其明显存在如下缺点：（1）没有专门的操作台面供测试人员操作，测试人员只能站立进行操作，且仪器上也无足够空间用于记录测试数据；（2）测试电极用玻璃罩罩住，开启不便。

针对现有技术的不足，研制的交直流薄膜耐压测试仪便于测试人员操作。仪器设计了专门的操作台面供测试人员操作，测试人员可以坐在操作台前操作并记录测试数据，耐压测试室为固定在工作台上的由绝缘玻璃制成罩体，罩体正面设有向两侧开启的由绝缘玻璃制成的推拉门，极大提高了实验人员工作舒适度和安全性；耐压测试室下方装有检测推拉门是否关闭到位的接近开关，推拉门内侧固定有与接近开关配合的感应金属块，由于接近开关为无触点的磁感应开关，不易损坏，可以减少测试仪的故障率。仪器外形示意图如图2所示。

操作面板位于操作台正前方，主要由电源开关、操作按钮、预置拨盘、指示灯、数字式电压表、计时器等组成，其布局示意图如图3所示。

4 升压变压器次级通过电阻间接接地的高压输出电路

图2 交直流薄膜耐压测试仪外形示意图

图3 操作面板布局图

薄膜耐压测试仪的交/直流高压输出电路一般由升压变压器、高压整流滤波电路、取样电路、比较放大电路、交/直流切换开关和测试电极等部分组成，升压变压器次级有悬空不接地与直接接地两种输出形式：在前者输出形式中，升压变压器次级是通过对地分布电容接地，由于高压线圈与低压线圈之间存在着分布电容，高电压会通过分布电容从高压线圈感应至低压线圈或低压线路上，这样低压线圈或低压线路就会对地形成一个高电位或次高电位，一方面会对人身安全造成严重威胁。同时高压测试电极由于悬空易产生静电荷的积聚，由于没有放电回路，积聚的静电荷在电场作用下产生间歇性对地放电现象，对控制线路造成严重干扰。在后者输出形式中，升压变压器的一输出端与设备机壳形成短接，在设备机壳很好地接地的情况下还是比较安全的，但设备机壳接地不好或接地断开的情况下，机壳则变成了高压带电体，同样对人身安全造成严重威胁，为此，从安全考虑，通常的做法往往要求操作者带绝缘手套，所在地面铺绝缘垫等，相当于把操作者放在等电位体上隔离起来，这给操作和行动带来不便。以上两种输出形式都存在严重缺陷。

针对现有技术的不足，设计一种升压变压器次级通过电阻间接接地的薄膜耐压测试仪高压输出电路，可以避免分布电容将高电压感应到低压线圈及低压线路；又可以避免高压端产生的静电荷在电场作用下间歇性对地放电造成对控制线路严重干扰。同时可让操作者不带绝缘手套操作，即使在设备机壳接地不好的情况下依然安全。

升压变压器次级通过电阻间接接地的交/直流高压输出电路如图4所示，高压输出电路包括升压变压器T1，升压变压器T1次级输出为A点和B点。A点一路经由硅堆V1、电容C1、电阻R1构成的高压整流滤波电路，形成直流高压，其中R1是C1的放电电阻；A点另一路形成交流高压，两者通过交/直流切换开关通过限流电阻R2与上电极连接。升压变压器T1次级B点通过取样电阻R3与下电极连接，由R3获得的取样信号送入比较放大电路B1，同时升压变压器次级通过电阻R4与设备机壳接地。由于升压变压器T1次级输出B点为高压，所以接地电阻R4应选用高压电阻。

以本例升压变压器T1最大输出20Kv，R4阻值选用10MΩ。即使设备机壳接地线断开的情况下，高压通过人体与大地构成回路，根据欧姆定律其回路电流为20Kv/10MΩ=2mA，属安全范围。另一方面，由于接地电阻R4的存在，构成了高压对地放电回路，高压测试电极不会产生静电荷的积聚，因而也就不存在间歇性对地放电造成对控制线路严重干扰。

图4 升压变压器次级通过电阻间接接地的交/直流高压输出电路

5 PLC与3位BCD拨码开关组成的升压速度设定系统

薄膜耐压测试仪在升电压过程中，对于不同厚度的电工薄膜，其升压速度是不同的，即步进电机升压速度设定值需经常修改。用上位机或触摸屏输入PLC控制参数设定值，造价昂贵；通过A/D转换器用模拟电位器输入，不够精确不够直观；用BCD拨码开关直接输入，既经济又精确、直观。

用3位BCD拨码开关直接进行三菱FX系列PLC控制的升压速度设定有2种方法：一种方法是采用二进制码转换指令BIN实现，即将数字开关码（BCD码）转换为二进制BIN值读入，3位BCD拨码开关则需占用PLC的12个输入点；另一种方法是采用数字开关指令DSW实现，3位BCD拨码开关只占用PLC的4个输入点和3个输出点。

采用数字开关指令DSW实现升压速度设定可节省PLC输入/输出点数，因此选用该设定方法。由于拨码开关采用共阴极接法，拨码开关是低电平选通，因此PLC输入端的公共端子COM与输出端的接拨码开关输出的公共端子COM4短接。此方法占用 PLC（FX1N-24MT）的 X10、X11、X12、X13 输入点和 Y6、Y7、Y10 输出点。X10、X11、X12、X13 分别对应 BCD 码的 1、2、4、8；Y6、Y7、Y10分别对应BCD码开关的个、十、百位。由于三位拨码开关的1、2、4、8分别共用一个 PLC输入端，拨码开关的个、十、百位数据采取轮流采集方式，例如当采集个位数据时，Y6变成低电平，Y7、Y10为则为高电平，但如果十或百位有1，2，4，8的某位元处于接通状态，则Y6的低电平会通过个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也强制变成低电平，等同于Y7或Y10也被选通，势必导致读数混乱，为了避免个、十、百位的BCD码开关位与位间相互影响，每位拨码开关的每个1，2，4，8输出端串有隔离二极管IN4007。由于未选通BCD码开关位的高电平处在二极管负极，选通BCD码开关位的低电平处在二极管正极，所以二极管处在截止状态，起到相互隔离作用。

用数字开关指令DSW读入BCD拨码开关设定值到PLC数据存储单元D128的程序为：

源操作数由以X10为首位的4个输入点（X10、X11、X12、X13）构成；目标操作数由以Y6为首位的3个输出点（Y6、Y7、Y10）构成；数据存储单元为D128，采集到的数据以二进制数形式存入；K1表示开关组数，当指定开关组数为1时，D128中的二进制数以十进制数表示，即为0～999，与BCD拨码开关上十进制数符号相对应。

PLC通电后，M8000一直保持为ON状态，程序始终执行数字开关指令 DSW，Y6、Y7、Y10则轮流选通0.1s，即Y6、Y7、Y10轮流处于低电平0.1s，同时PLC轮流读入个、十、百位数据，即当Y6处于 0.1s低电平期间 PLC从 X10、X11、X12、X13读入的数据认定为个位数，依此类推。如此不间断地按顺序进行BCD拨码开关数据读入。当BCD拨码开关数改变时，D128中的数据会在一个数据采集周期内（即3个0.1s）跟着刷新，以实现参数设定值实时输入的效果。PLC将存储单元D128数值转换成周期数存储到存储单元D130，并根据D130数值控制升压脉冲周期T，从而控制步进电机升压速度。PLC与3位BCD拨码开关组成的升压速度设定系统接线图如图5所示。

图5 PLC与3位BCD拨码开关组成的升压速度设定系统接线图