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摘 要： 介绍一种电网过电压在线监测装置，通过特别制作的分压器，可以把电网电压转化为低电压信号，分压器的方波响应可达25nS，对分压器输出信号进行高速采集，从而对电网电压记录，记录采用CPLD及高速AD转换器来实现，采样率为50兆次/秒，从而可以对电网中的雷电波及操作过电压进行监测记录。
关键词： 电网过电压；监测；高速
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220008－02
0 引言
在35KV及以下电网中，电网的过电压事故出现机率很大，一般情况下，不会引起事故，但如果引起事故，其原因难以直接查明、确认，使分析判断事故的原因十分困难。目前对过电压的监测，主要集成在一些智能设备中，是一种附带功能，还没有专门的设备对过电压进行有效的记录，一般来说，市场产品对电压的记录，采样来自于PT，采样频率在10kHz以下，由于PT的铁芯响应的频谱很窄，通常只有几十到几千赫兹，而10kV 系统中出现的大气过电压的波头较陡，所以使用PT作为分压器，只是记录下了工频及其几千赫以下的真实波形，它无法反应雷电及操作过电压的状态，在雷电出现过高电压时，即使高电压损坏了设备，此电压值也无法被记录，从而无法判断问题的原因。针对上述问题，本文提出了一种基于宽频带分压器、高速AD及CPLD采样、使用工控机存储的方案。
1 装置组成
本装置主要由高压分压器、高速AD及CPLD、工控机构成，其原理如图1所示。
图1 总体结构框图
整个系统以工控机为主控制单元，通过人机接口设置对母线的各种采样状态。
2 分压器原理及制作
2.1 分压器原理
分压器的作用：从10KV母线上采集到信号，并把它转化为弱信号，对分压器的要求是：要有很好的线性，即在全电压范围内，它的线性误差不大于1%；另一个要求为，具有很好的频率响应特性，即能对10M以下频率的信号同比例地放大（衰减），这是能否正确采集到高频信号的关键。
以往的分压器，采用电磁式分压器（变压器），由于硅钢材料对高频响应能力极差，所以使用电磁分压器就无法采集到电网电压的高频分量。
为使工作在高压下的分压器工作时有较低的功耗，分压器设计采用低阻尼电容分压器，它既能够测量雷电过电压，也能够测量工频为基础的内过电压。
如图2所示，分压器为低阻尼阻容分压器，它的高压臂由电容C1、电阻R1组成，它的低压臂由R2、C2组成，根据电路分压原理，当：
即：输出电压Uo与输入电压Ui之比：Ui/Uo=K，而K为实数，即在任何频率下，都不会不产相位偏移。
2.2 分压比的选取
分压器作用是把高电压（10kV）不失真降压到仪器可测量电压值，本设计的最高可测量电压为30kV，分压器二次设计为15V，则变比为K=15/30k=1/2000。
2.3 分压器的元件参数
分压器是为了测量电网中的信号，它的参数取值对系统影响越小越好，但也不能把电容选的太小，这是因为任何导体之间，由于相对位置关系，存在着分布电容，分压器制作中，分布电容会影响到使用电容的数值，考虑到分布电容对误差的的影响，高压臂电容取300pF，计算出低压臂电容为：C2=C1×2000=300pF×2000=600nF R1取300Ω，R2=300Ω/2000=0.15Ω。
2.4 分压器的结构
分压器要能对高频信号进行测量，它应能对高频信号进行不失真放大，在有电压加在分压器两端时，分压器内部产生瞬间电流，电流周围形成了一个环绕磁场，因此，分压器上实际上存在着分布电感。如图3中的L1为高压侧的分布电感，L2为低压侧的分布电感。
分布电感不是集中参数，它是分布参数，无法通过修改元件的方式对它进行控制，但电感对测量中的高频响应起到不可忽视的作用，此时，（1）式应修改为：
从（2）式可以看到，要使分压器不失真，需要使用L2/L1=K，即：L1为L2的2000倍。
由电磁场理论知，对于导线，它的电感基本与它的长度成正比，且导线截面越大，它的电感越小。是实际制作过程中，由于工艺的限制，低压部分不可能是高压部分长度的1/2000，为此，把低压臂的有效截面积提高，来改变L1与L2的比值。
低压臂采用鼠笼式结构，如图4。
分压器的响应状态：
与电力使用的电磁式PT相比，本分压器具有非常好的响应曲线，图5为同时对电力使用的电磁式PT和分压器做的雷电冲击实验的响应结果，图中显示，分压器可以快速响应，而PT响应较慢，且有很长的振荡过程。
图6是对分压器做的方波响应结果，由图中可以看到，分压器的响应时间不大于20nS，所以分压器可以反应电力系统中50兆以下的频率，可以监测雷电过电压及操作过电压。
3 高速AD采样及CPLD控制
3.1 高速AD采样
当分压器做到不失真将系统电压降为可采集的低压信号后，就需要对它进行模拟——数字转换，以数字量的方式记录下系统电压值，并为以后的分析提供原始数据。本设计使用AD公司的芯片，并把它设置为20兆的采样率（20M/秒），根据采样原理，采样结果可以对10M频率信号进行有效分析。
3.2 CPLD控制
AD采样芯片的运行，要有严格的控制逻辑，并能及时读取AD芯片中的采样结果，本设计采用了CPLD作为控制芯片，它是一种可编程逻辑器件，在工业控制中，特别在高速且要求有严格的时序控制领域中，有广泛的应用。
与CPLD一起工作的还有大容量存储器、过电压触发电路，如图7。
CPLD控制AD进行采样，并将数据存入大容量存储器，为了只记录下关心的电压，放弃不关心的状态，在触发电路中，设置了一个电压门槛值，当过压超过此门槛值时，触发电路向CPLD发送一个信号，通知CPLD出现了高于设置的电压值。
在没有过限电压时，在CPLD的控制下，连续对分压器来的信号采样，并记录在大容量存储器中，存储器对不需的内容进行覆盖，当出现高于设置的电压时，CPLD识别出现过电压的位置，并可以确定过电压前、后的数据。
4 工控机
4.1 工控机在采样中的作用
工控机是人机交换界面，它带有显示器、键盘、鼠标及硬盘、光驱、USB口等设备。
可以通过工控机对CPLD进行设置，包括设置采样长度、采样频率、过电压限值等。
在CPLD按工控机的设置，完成一次采样后，就通知工控机，工控机接到数据采样完成通知后，把大容量存储器中的数据读出，存到工控机自带的硬盘内。
4.2 工控机对数据的再现
工控机把数据存入自带的硬盘后，便可以永久保存了，并可以对数据进行分析。
再现数据：工控机使用专用软件，把采样数据以波形的形式显示在显示器上，并可以对波形局部放大，从而可以观察到每一个采样点的值，也可以把整个波形画成一个图，观察电网电压变化趋势，分析出系统产生过电压的原因。
有了波形文件，就可以对系统电能质量进行全面分析，分析其最高电压、谐波、瞬变、电压在电网中衰减过程、电网的振荡过程。
5 结论
1）制作一台高性能的分压器，可以把电网中的信号不失真地采集下来，目前还没有对电网在高频下不失真采集的专用设备，这也影响了对电力系统过电压的分析，为此在许多供电中，出现了事故，无法判断出是过电压（雷电）引起的，还是设备本身的问题，当使用本文介绍的分压器后，对雷电的监测成为可能，同时，也为雷电对电力系统的影响进行分析研究提供每一手资料。
2）使用工控机对数据进行分析，是使用了目前计算机成熟的技术，当有了系统电压的第一手资料后，可以在工控机上做出专家系统，配合电力系统知识和现场状态，完成对事故的计算分析，为系统分析提供科学依据，提高分析、处理问题的能力。
参考文献：
[1]解广润，电力系统过电压，北京：水利电力出版社.
[2]要涣年、曹梅月著，电力系统谐振接地，北京：电力出版社.
[3]陈维贤，内部过电压基础，北京：电力工业出版社.
[4]杨山，基础理论，天津：天津大学出版社.
作者简介：
张建军（1968-），华北电力大学电气与电子工程学院硕士，从事电力系统产品研发十四年，研究方向：电力系统过电压及无功补偿；王梦霞（1968-），邯郸华鼎传动机械厂，长期从事机电一体化研究工作；焦咏梅（1968-），石家庄铁道大学四方学院，副教授，研究方向：电力系统无功补偿。
关键词： 电网过电压；监测；高速
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220008－02
0 引言
在35KV及以下电网中，电网的过电压事故出现机率很大，一般情况下，不会引起事故，但如果引起事故，其原因难以直接查明、确认，使分析判断事故的原因十分困难。目前对过电压的监测，主要集成在一些智能设备中，是一种附带功能，还没有专门的设备对过电压进行有效的记录，一般来说，市场产品对电压的记录，采样来自于PT，采样频率在10kHz以下，由于PT的铁芯响应的频谱很窄，通常只有几十到几千赫兹，而10kV 系统中出现的大气过电压的波头较陡，所以使用PT作为分压器，只是记录下了工频及其几千赫以下的真实波形，它无法反应雷电及操作过电压的状态，在雷电出现过高电压时，即使高电压损坏了设备，此电压值也无法被记录，从而无法判断问题的原因。针对上述问题，本文提出了一种基于宽频带分压器、高速AD及CPLD采样、使用工控机存储的方案。
1 装置组成
本装置主要由高压分压器、高速AD及CPLD、工控机构成，其原理如图1所示。
图1 总体结构框图
整个系统以工控机为主控制单元，通过人机接口设置对母线的各种采样状态。
2 分压器原理及制作
2.1 分压器原理
分压器的作用：从10KV母线上采集到信号，并把它转化为弱信号，对分压器的要求是：要有很好的线性，即在全电压范围内，它的线性误差不大于1%；另一个要求为，具有很好的频率响应特性，即能对10M以下频率的信号同比例地放大（衰减），这是能否正确采集到高频信号的关键。
以往的分压器，采用电磁式分压器（变压器），由于硅钢材料对高频响应能力极差，所以使用电磁分压器就无法采集到电网电压的高频分量。
为使工作在高压下的分压器工作时有较低的功耗，分压器设计采用低阻尼电容分压器，它既能够测量雷电过电压，也能够测量工频为基础的内过电压。
如图2所示，分压器为低阻尼阻容分压器，它的高压臂由电容C1、电阻R1组成，它的低压臂由R2、C2组成，根据电路分压原理，当：
即：输出电压Uo与输入电压Ui之比：Ui/Uo=K，而K为实数，即在任何频率下，都不会不产相位偏移。
2.2 分压比的选取
分压器作用是把高电压（10kV）不失真降压到仪器可测量电压值，本设计的最高可测量电压为30kV，分压器二次设计为15V，则变比为K=15/30k=1/2000。
2.3 分压器的元件参数
分压器是为了测量电网中的信号，它的参数取值对系统影响越小越好，但也不能把电容选的太小，这是因为任何导体之间，由于相对位置关系，存在着分布电容，分压器制作中，分布电容会影响到使用电容的数值，考虑到分布电容对误差的的影响，高压臂电容取300pF，计算出低压臂电容为：C2=C1×2000=300pF×2000=600nF R1取300Ω，R2=300Ω/2000=0.15Ω。
2.4 分压器的结构
分压器要能对高频信号进行测量，它应能对高频信号进行不失真放大，在有电压加在分压器两端时，分压器内部产生瞬间电流，电流周围形成了一个环绕磁场，因此，分压器上实际上存在着分布电感。如图3中的L1为高压侧的分布电感，L2为低压侧的分布电感。
分布电感不是集中参数，它是分布参数，无法通过修改元件的方式对它进行控制，但电感对测量中的高频响应起到不可忽视的作用，此时，（1）式应修改为：
从（2）式可以看到，要使分压器不失真，需要使用L2/L1=K，即：L1为L2的2000倍。
由电磁场理论知，对于导线，它的电感基本与它的长度成正比，且导线截面越大，它的电感越小。是实际制作过程中，由于工艺的限制，低压部分不可能是高压部分长度的1/2000，为此，把低压臂的有效截面积提高，来改变L1与L2的比值。
低压臂采用鼠笼式结构，如图4。
分压器的响应状态：
与电力使用的电磁式PT相比，本分压器具有非常好的响应曲线，图5为同时对电力使用的电磁式PT和分压器做的雷电冲击实验的响应结果，图中显示，分压器可以快速响应，而PT响应较慢，且有很长的振荡过程。
图6是对分压器做的方波响应结果，由图中可以看到，分压器的响应时间不大于20nS，所以分压器可以反应电力系统中50兆以下的频率，可以监测雷电过电压及操作过电压。
3 高速AD采样及CPLD控制
3.1 高速AD采样
当分压器做到不失真将系统电压降为可采集的低压信号后，就需要对它进行模拟——数字转换，以数字量的方式记录下系统电压值，并为以后的分析提供原始数据。本设计使用AD公司的芯片，并把它设置为20兆的采样率（20M/秒），根据采样原理，采样结果可以对10M频率信号进行有效分析。
3.2 CPLD控制
AD采样芯片的运行，要有严格的控制逻辑，并能及时读取AD芯片中的采样结果，本设计采用了CPLD作为控制芯片，它是一种可编程逻辑器件，在工业控制中，特别在高速且要求有严格的时序控制领域中，有广泛的应用。
与CPLD一起工作的还有大容量存储器、过电压触发电路，如图7。
CPLD控制AD进行采样，并将数据存入大容量存储器，为了只记录下关心的电压，放弃不关心的状态，在触发电路中，设置了一个电压门槛值，当过压超过此门槛值时，触发电路向CPLD发送一个信号，通知CPLD出现了高于设置的电压值。
在没有过限电压时，在CPLD的控制下，连续对分压器来的信号采样，并记录在大容量存储器中，存储器对不需的内容进行覆盖，当出现高于设置的电压时，CPLD识别出现过电压的位置，并可以确定过电压前、后的数据。
4 工控机
4.1 工控机在采样中的作用
工控机是人机交换界面，它带有显示器、键盘、鼠标及硬盘、光驱、USB口等设备。
可以通过工控机对CPLD进行设置，包括设置采样长度、采样频率、过电压限值等。
在CPLD按工控机的设置，完成一次采样后，就通知工控机，工控机接到数据采样完成通知后，把大容量存储器中的数据读出，存到工控机自带的硬盘内。
4.2 工控机对数据的再现
工控机把数据存入自带的硬盘后，便可以永久保存了，并可以对数据进行分析。
再现数据：工控机使用专用软件，把采样数据以波形的形式显示在显示器上，并可以对波形局部放大，从而可以观察到每一个采样点的值，也可以把整个波形画成一个图，观察电网电压变化趋势，分析出系统产生过电压的原因。
有了波形文件，就可以对系统电能质量进行全面分析，分析其最高电压、谐波、瞬变、电压在电网中衰减过程、电网的振荡过程。
5 结论
1）制作一台高性能的分压器，可以把电网中的信号不失真地采集下来，目前还没有对电网在高频下不失真采集的专用设备，这也影响了对电力系统过电压的分析，为此在许多供电中，出现了事故，无法判断出是过电压（雷电）引起的，还是设备本身的问题，当使用本文介绍的分压器后，对雷电的监测成为可能，同时，也为雷电对电力系统的影响进行分析研究提供每一手资料。
2）使用工控机对数据进行分析，是使用了目前计算机成熟的技术，当有了系统电压的第一手资料后，可以在工控机上做出专家系统，配合电力系统知识和现场状态，完成对事故的计算分析，为系统分析提供科学依据，提高分析、处理问题的能力。
参考文献：
[1]解广润，电力系统过电压，北京：水利电力出版社.
[2]要涣年、曹梅月著，电力系统谐振接地，北京：电力出版社.
[3]陈维贤，内部过电压基础，北京：电力工业出版社.
[4]杨山，基础理论，天津：天津大学出版社.
作者简介：
张建军（1968-），华北电力大学电气与电子工程学院硕士，从事电力系统产品研发十四年，研究方向：电力系统过电压及无功补偿；王梦霞（1968-），邯郸华鼎传动机械厂，长期从事机电一体化研究工作；焦咏梅（1968-），石家庄铁道大学四方学院，副教授，研究方向：电力系统无功补偿。