基于STC90C58的单相供电线路漏电流发生器设计

谢力扬，关旭俊，石奇峰，赵 锋

（1.国网长治县供电公司，山西 长治 047100；2.国网屯留县供电公司，山西 屯留 046100）

0 引言

漏电保安器对于安全用电至关重要，它可以有效地防止人员因漏电或误碰带电体而导致的电击伤害事故。国家电网农电工作部要求漏电保安器的投入率要达到100%，近来对部分乡镇漏电保安器投入率的调查数据显示，被调查乡镇漏电保安器投入率远低于要求。其原因之一是用户的漏电保安器损坏或性能下降，当出现误动现象或相线接地故障时，用户为了用电而拆除漏电保安器，导致了漏电保安器投入率低。因此开发一种便于携带、使用方便、可靠耐用的漏电保安器动作电流测试装置是很有必要的。

目前市场上销售的漏电流发生器采用调节电位器滑动端的位置来调节漏电流，使用刻度盘指示漏电流值，准确性低。本文采用微控制器、固态继电器和电阻网络设计的单相交流供电线路漏电流发生器解决了上述问题，为供电现场判断漏电保安器动作电流性能提供了有效的方法和手段。

1 总体设计方案

本装置由微控制器电路、电阻网络及固态继电器开关电路、电流测量电路、手摇脉冲发生器、字符型LCD显示模块、锂离子电池及稳压电源电路等几部分构成。

其工作原理如下：在相线和地线间接有电阻网络，当接入的电阻值变化时，相线对地的电流值也相应变化，则测量漏电流并控制接入的电阻即可获得所需的漏电流。10个不同阻值的电阻构成漏电发生器的电阻网络，在交流220 V电压作用下电阻网络可产生1 mA～100 mA 漏电流，即：R1～R10分别产生0.125 mA、0.25 mA、0.5 mA、1 mA、2 mA、4 mA、8 mA、16 mA、32 mA、64 mA电流。选用过零触发固态继电器作为开关元件，在单片机控制下按需将电阻接入回路。本设计选择STC90C58单片机作为控制器，选择电能计量芯片CS5460 A作为电流测量器件，选用手摇脉冲发生器为电流设定元件快速设定漏电流值，漏电流值由带背光的液晶显示器显示。为了减轻装置的体积和重量，本设计采用比能量大的锂离子电池供电，选用单体容量为2.6 Ah的18650电池，通过三并两串构成7.4 V、7.8 Ah的电池包，与LT1934稳压电路共同构成＋5 V电源电路。

1.1 电阻网络及开关电路

投切电阻的开关元件可选用电磁继电器或半导体固态继电器。本设计采用具有过零触发功能的交流固态继电器MOC3083，其电气参数为：最大触发输入电流5 mA，光电双向可控硅输出电流100 mA RMS，耐压800 V。

1.2 电流测量电路

电流测量器件采用美国Cirrus Logic公司生产的电能计量器件CS5460A，具有电压、电流两个采用差分模拟输入方式的信号采集通道，每秒分别对各信号进行4 000次交流采样，然后计算出交流电流、电压的有效值及有功和无功功率，此外，它还具有低功耗、片上电压基准、可系统校准等特点。微控制器通过SPI接口与器件通讯。

漏电流传感元件采用1 A∶0.01 A电流互感器，互感器的二次电流通过高稳定性电阻生成与电流对应的电压接入CS5460 A的电流输入端，电流测量元件的输入端接有保护电路和滤波电路。表1为CS5460 A的管脚定义。

表1 CS5460A的管脚定义

1.3 电池电压测量电路

为保证出现场时仪器内置电池电量充足，设计了电池电压测量电路，当电池电压不足时在LCD显示模块上有相应指示标志。电池测量电路利用了CS5460 A的电压输入通道，电池电压通过分压网络、保护和滤波电路后接入电压输入通道。

1.4 LCD显示模块

LCD显示模块具有功耗低的优点，这一点对电池供电的手持仪器尤为重要，选用带背光的LCD显示模块可在不同照度条件下清楚地观察测量数据。装置选用了20＊2字符型模块，显示格式为：I0＝＊＊＊.＊mA（其中，I0为剩余电流）。

1.5 稳压电源电路

手持仪器采用电池供电，要求电源电路必须有很高的转换效率，本设计选用了美国线性技术公司生产的脉宽调制BUKE型DC－DC降压开关电源器件LT1934，它具有转换效率高、适用输入电压宽、器件外形尺寸小、外围元件少、可靠性高等优点，其静态电流Iq仅为12μA，关断电流小于1μA，器件最大输出电流为250 mA，可满足装置供电要求。本设计中的微控制器、液晶显示模块、电流测量电路全部采用5 V供电。图1为LT1934稳压电路图。

1.6 电源开关电路设计

一般情况下，手持电气仪表的电源开关分为硬开关和电子软开关两种，硬开关闭合时基本没有压降，而电子软开关有一定的压降；硬开关断开时仪器完全不消耗电能，软开关则要消耗一定的电能（控制电路耗电）。但采用软开关可实现自动关机，当操作人员一段时间不对仪表进行操作后，其可在微控制器控制下自动关机，减少电池消耗。本电源开关采用了轻触式电子开关LTC2950，该器件具有可调的开关定时器，工作电流仅为6μA，适用电源电压范围宽，微控制器可通过其使能端关闭电源。

图1 LT1934稳压电路

2 软件设计

微控制器的程序采用C51语言编程，程序首先对微控制器各相关寄存器初始化，然后对各CS5460 A初始化。对CS5460 A的初始化包括向其内部各寄存器写入控制字和系数，然后进入循环读各CS5460 A的状态字和电流有效值寄存器的值，将其转换为工程数值后送LCD显示。经C51编译后，生成hex文件，然后将程序写入STC90C58微控制器中。

3 现场试验

2012年11月～2013年12月底，长治县供电公司组织人员对本装置进行了多次试验。采用上述方案实现的漏电流发生器具有操作简单、易于掌握、精度较高的特点，减少了工作人员判断漏电保安器动作电流的工作量。

［1］ 夏路易.单片机技术基础教程与实践［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［2］ 赵茂泰.智能仪器原理及应用［M］.第2版.北京：电子工业出版社，2004.

［3］ Cirrus Logic Inc.Single phase bi－directional power／energy IC CS5460 A data sheet［EB／OL］.［2014－02－15］.http：／／www.cirr us.co m.