变电站房屋渗漏监测装置研究与设计❋

张金波，陈 彬，宋佳佳，王 恒

（1.河海大学物联网工程学院，常州213022；2.江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022）

变电站房屋渗漏监测装置研究与设计❋

张金波1，2，陈 彬1，2，宋佳佳1，2，王 恒1，2

（1.河海大学物联网工程学院，常州213022；2.江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022）

目前市场上有关房屋渗漏监测的装置种类繁多，这些装置操作复杂、缺乏灵活性、对使用者技术水平要求过高。为了减少变电站房屋渗漏给变电站设备带来的安全隐患，设计了一种基于电容法，并利用平行板式电容传感器以及ATmega16为核心控制处理器的监测装置，实现变电站房屋渗漏的测量，并达到相关参数的检测指标。该装置另具有报警功能、存储数据功能，以及与上位机进行实时通信的功能。经实际测试表明，该渗漏监测装置使用便利、成本低廉、稳定可靠，能够满足变电站房屋渗漏的直接测量。

变电站房屋渗漏；电容法；ATmega16芯片；Modbus协议；传感技术；报警；频率

1 引 言

变电所建筑作为一种工业建筑，在防水抗渗方面，具有共性之处。而户内变电所建筑由于电气设备的特殊要求，重要电气设备房间的渗水有可能影响电气设备安全，因此对建筑物的防渗防漏具有更高的要求。随着近几年电力建设的高速发展，一大批户内变电所建成投入了使用，从这些变电所的使用情况来看，有不少存在着渗漏现象，给变电所建筑的整洁美观和安全运行造成了影响和隐患。传统的建筑物渗漏监测方法，仪器操作相对复杂，对监测人员技术水平要求较高，成本较高，不能进行大范围在线监测。据此设计一种新型变电站房屋渗漏监测装置［1－2］，该装置采用电容法，利用平行板式电容传感器采集电容值，经过电路调理转换为频率信号，并在该渗漏监测装置上实时显示渗漏程度对应的频率值。同时，根据现场实际需要设定渗漏程度的临界报警值，当所测频率值低于设定的报警频率值时，该装置立刻报警通知监测人员。该装置的使用可以提高变电站房屋渗漏监测的实时性和可靠性，减少运行成本，同时降低了变电站房屋渗漏给电气设备带来的安全隐患。

2 平行板式电容传感器获得电压信号的原理

图1是平行板式电容传感器示意图。它是由靠的很近、相互平行的、同样大小的两片金属组成的，设每块极板的面积为s，两极板内表面的距离为d，且板面线度远大于两极板的内表面间距。若使A板带正电＋q，B板带负电－q，由于板面很大而两极板间的距离很小，所以除了两板的边缘部分外，电荷是均匀分布在两极板的内表面上的，当忽略边缘效应时，其电容量为：

式（1）中，ε为传感器中物质的介电常数。

设砖头（不含水）的重度为α，砖头中水的重度为β，设传感器中装满含水砖头的重量为G，并有：

式（2）中，G1为砖头的重量；G2为砖头中水的重量。

图1 平行板电容器

设S1和S2为砖头和水的等效面积，设相应的等效电容分别为C1和C2，则有：

由式（1）、（2）和（3）可得，传感器装满含水的砖头的电容量Cx为：

式（5）中，ε1和ε2分别是砖头和水的介电常数。砖头中含水率δ定义为：

由（7）可知，第一项为传感器装满不含水砖头时的电容，以Co表示，第二项是由于砖头含水而引起电容的变化，变化量以ΔCx表示，则有：

于是由式（4）、（5）、（6）和β≈1可得：

式（10）说明，ΔCx与含水量δ有关，对于确定的含水量和传感器［3－5］，测定ΔCx，则可确定含水量的大小，这正是电容传感器用于砖头含水量测量的原理。最后再由极板间两端电容的变化，求出极板间的电压。

3 平行板式电容屋面渗漏监测装置总体结构

平行板式电容屋面渗漏监测装置主要完成将采集的电容值转化为电信号，同时将数据显示在数码管上，在此基础上装置还具有报警功能，以及与上位机通信的功能。电路结构包括Atmega16微控制器、电源模块、平行板式电容传感器模块、RS485（modbus协议）通讯模块、数码管显示模块、报警模块、人机交互模块等，其基本结构框图如图2所示。

图2 屋面渗漏监测装置结构图

4 平行板式电容屋面渗漏监测装置硬件设计

4.1 电容传感器电压信号采集与转换

如图3所示，平行板电容传感器电容的变化，引起极板两端电压值的变化；将采集到的电压值通过NE555芯片转化为频率信号输入微处理芯片Atmega16。

图3 电容传感器电压信号的采集与转换电路

4.2 频率显示和报警模块设计

微处理芯片采用Atmega16，渗漏监测仪装置共有两块数码管。一块显示当前采集到的电容值对应的频率，一块设定报警值，即当频率低于设定值时装置就会立刻报警。频率只显示千、百、十位，个位不显示。例如砖头不含水时采集的频率约为4200Hz，数码管上显示420；砖头含水时频率大概为3700Hz，如果设定报警值为3800Hz，此时渗漏装置就会报警。硬件设计如图4所示。

图4 频率显示模块和报警模块

5 平行板式电容屋面渗漏监测装置软件设计

平行板式电容屋面渗漏监测装置的软件设计流程图如图5所示。将平行板式电容传感器获得的电容值转化为频率信号，并将其输入到控制芯片。平行板式电容屋面渗漏监测装置实时显示当前所测变电站屋顶渗漏的频率值，频率值的大小对应房屋渗漏的程度，频率值越小，房屋渗漏越严重。当频率值低于设定的报警值时［6－10］，渗漏监测装置将会立刻报警通知管理人员。报警值的设定可以根据现场实际需要使用按键控制得到。

图5 渗漏监测装置软件流程图

6 结束语

系统基于电容法，利用平行板式电容传感器及控制芯片Atmega16，设计了一种新型变电站屋顶渗漏监测装置，结合嵌入式技术、传感器技术，实现了屋顶渗漏的测量。经测试表明，该装置的使用可以很大程度提高变电站渗漏监测的实时性和可靠性，并减少房屋渗漏给变电站电气设备带来的安全隐患。

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Research and Design of Monitoring Devices of Substation Building Leakage

Zhang Jinbo1，2，Chen Bin1，2，Song Jiajia1，2，Wang Heng1，2
（1.College of Internet of Things Engineering，HoHai University，Changzhou 213022，China；2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology，Changzhou 213022，China）

Now，the housing leakage monitoring devices are available in the market，but it is complicated for operating and has higher requirement of technical level for the users.In order to reduce the hidden dangers of substation equipment caused by leakage of substation building，the core processor，using parallel plate capacitance sensor and control ATmega16，is proposed in this paper，based on Capacitancemethod，to realize the measurement of the substation building leakage and accord with the related parameters of the detection index.The practical test shows that the leakage monitoring device meets the need formeasuring the substation building leakage with the features of simple operation，low cost and reliable stability.

Substation building leakage；Capacitance method；ATmega16 chip；Modbus protocol；Sensing technology；Alarm function；Frequency

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.020

TP216

A

1002－2279（2015）05－0076－03

2014年江苏省科技支撑项目（BE2014052）；江苏省高校“2011计划”（沿海开发与保护协同创新中心，苏证办发［2013］56号）

陈彬（1989－），男，江苏省扬州市人，硕士，主研方向：检测与自动化技术。

2015－03－15