變電站房屋滲漏監測裝置研究與設計?

張金波，陳 彬，宋佳佳，王 恒

（1.河海大學物聯網工程學院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，常州213022）

變電站房屋滲漏監測裝置研究與設計?

張金波1，2，陳 彬1，2，宋佳佳1，2，王 恒1，2

（1.河海大學物聯網工程學院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，常州213022）

目前市場上有關房屋滲漏監測的裝置種類繁多，這些裝置操作復雜、缺乏靈活性、對使用者技術水平要求過高。為了減少變電站房屋滲漏給變電站設備帶來的安全隱患，設計了一種基于電容法，并利用平行板式電容傳感器以及ATmega16為核心控制處理器的監測裝置，實現變電站房屋滲漏的測量，并達到相關參數的檢測指標。該裝置另具有報警功能、存儲數據功能，以及與上位機進行實時通信的功能。經實際測試表明，該滲漏監測裝置使用便利、成本低廉、穩定可靠，能夠滿足變電站房屋滲漏的直接測量。

變電站房屋滲漏；電容法；ATmega16芯片；Modbus協議；傳感技術；報警；頻率

1 引 言

變電所建筑作為一種工業建筑，在防水抗滲方面，具有共性之處。而戶內變電所建筑由于電氣設備的特殊要求，重要電氣設備房間的滲水有可能影響電氣設備安全，因此對建筑物的防滲防漏具有更高的要求。隨著近幾年電力建設的高速發展，一大批戶內變電所建成投入了使用，從這些變電所的使用情況來看，有不少存在著滲漏現象，給變電所建筑的整潔美觀和安全運行造成了影響和隱患。傳統的建筑物滲漏監測方法，儀器操作相對復雜，對監測人員技術水平要求較高，成本較高，不能進行大范圍在線監測。據此設計一種新型變電站房屋滲漏監測裝置［1－2］，該裝置采用電容法，利用平行板式電容傳感器采集電容值，經過電路調理轉換為頻率信號，并在該滲漏監測裝置上實時顯示滲漏程度對應的頻率值。同時，根據現場實際需要設定滲漏程度的臨界報警值，當所測頻率值低于設定的報警頻率值時，該裝置立刻報警通知監測人員。該裝置的使用可以提高變電站房屋滲漏監測的實時性和可靠性，減少運行成本，同時降低了變電站房屋滲漏給電氣設備帶來的安全隱患。

2 平行板式電容傳感器獲得電壓信號的原理

圖1是平行板式電容傳感器示意圖。它是由靠的很近、相互平行的、同樣大小的兩片金屬組成的，設每塊極板的面積為s，兩極板內表面的距離為d，且板面線度遠大于兩極板的內表面間距。若使A板帶正電＋q，B板帶負電－q，由于板面很大而兩極板間的距離很小，所以除了兩板的邊緣部分外，電荷是均勻分布在兩極板的內表面上的，當忽略邊緣效應時，其電容量為：

式（1）中，ε為傳感器中物質的介電常數。

設磚頭（不含水）的重度為α，磚頭中水的重度為β，設傳感器中裝滿含水磚頭的重量為G，并有：

式（2）中，G1為磚頭的重量；G2為磚頭中水的重量。

圖1 平行板電容器

設S1和S2為磚頭和水的等效面積，設相應的等效電容分別為C1和C2，則有：

由式（1）、（2）和（3）可得，傳感器裝滿含水的磚頭的電容量Cx為：

式（5）中，ε1和ε2分別是磚頭和水的介電常數。磚頭中含水率δ定義為：

由（7）可知，第一項為傳感器裝滿不含水磚頭時的電容，以Co表示，第二項是由于磚頭含水而引起電容的變化，變化量以ΔCx表示，則有：

于是由式（4）、（5）、（6）和β≈1可得：

式（10）說明，ΔCx與含水量δ有關，對于確定的含水量和傳感器［3－5］，測定ΔCx，則可確定含水量的大小，這正是電容傳感器用于磚頭含水量測量的原理。最后再由極板間兩端電容的變化，求出極板間的電壓。

3 平行板式電容屋面滲漏監測裝置總體結構

平行板式電容屋面滲漏監測裝置主要完成將采集的電容值轉化為電信號，同時將數據顯示在數碼管上，在此基礎上裝置還具有報警功能，以及與上位機通信的功能。電路結構包括Atmega16微控制器、電源模塊、平行板式電容傳感器模塊、RS485（modbus協議）通訊模塊、數碼管顯示模塊、報警模塊、人機交互模塊等，其基本結構框圖如圖2所示。

圖2 屋面滲漏監測裝置結構圖

4 平行板式電容屋面滲漏監測裝置硬件設計

4.1 電容傳感器電壓信號采集與轉換

如圖3所示，平行板電容傳感器電容的變化，引起極板兩端電壓值的變化；將采集到的電壓值通過NE555芯片轉化為頻率信號輸入微處理芯片Atmega16。

圖3 電容傳感器電壓信號的采集與轉換電路

4.2 頻率顯示和報警模塊設計

微處理芯片采用Atmega16，滲漏監測儀裝置共有兩塊數碼管。一塊顯示當前采集到的電容值對應的頻率，一塊設定報警值，即當頻率低于設定值時裝置就會立刻報警。頻率只顯示千、百、十位，個位不顯示。例如磚頭不含水時采集的頻率約為4200Hz，數碼管上顯示420；磚頭含水時頻率大概為3700Hz，如果設定報警值為3800Hz，此時滲漏裝置就會報警。硬件設計如圖4所示。

圖4 頻率顯示模塊和報警模塊

5 平行板式電容屋面滲漏監測裝置軟件設計

平行板式電容屋面滲漏監測裝置的軟件設計流程圖如圖5所示。將平行板式電容傳感器獲得的電容值轉化為頻率信號，并將其輸入到控制芯片。平行板式電容屋面滲漏監測裝置實時顯示當前所測變電站屋頂滲漏的頻率值，頻率值的大小對應房屋滲漏的程度，頻率值越小，房屋滲漏越嚴重。當頻率值低于設定的報警值時［6－10］，滲漏監測裝置將會立刻報警通知管理人員。報警值的設定可以根據現場實際需要使用按鍵控制得到。

圖5 滲漏監測裝置軟件流程圖

6 結束語

系統基于電容法，利用平行板式電容傳感器及控制芯片Atmega16，設計了一種新型變電站屋頂滲漏監測裝置，結合嵌入式技術、傳感器技術，實現了屋頂滲漏的測量。經測試表明，該裝置的使用可以很大程度提高變電站滲漏監測的實時性和可靠性，并減少房屋滲漏給變電站電氣設備帶來的安全隱患。

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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年江蘇省科技支撐項目（BE2014052）；江蘇省高校“2011計劃”（沿海開發與保護協同創新中心，蘇證辦發［2013］56號）

陳彬（1989－），男，江蘇省揚州市人，碩士，主研方向：檢測與自動化技術。

2015－03－15