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集成运算放大器在继电保护中的应用

中北大学

毕业论文

集成运算放大器

在继电保护中的应用

学生姓名：

文磊学号：

学院：

中北大学

函授站点：

专业：

电气工程及其自自动化

指导教师：

李建生

2016年11月

目录

继电保护在当代生活中的运用······························1

1研究的背景与意义·····································1

1.1背景············································1

1.2继电保护的作用与意义······························2

2研究内容··············································2

2.1继电保护的基本原理································2

2.2组成与分类········································3

3.3继电器············································4

3继电保护在电厂中的应用································4

3.1继电保护在电厂应用的基本要求······················4

3.2继电保护的维护管理································5

3.3继电保护在电厂配置的规则和重点····················5

4结论··················································7

5心得体会··············································7

参考文献·········································

集成运算放大器

在继电保护中的应用

中文摘要：

集成运算放大器简称集成运放，随着电子技术的发展，集成运放的各项性能指标不断提高，集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点。

目前，已成为现代电子电路中的核心器件，它的应用已大大超出运算的范畴，可以工作在不同的区域,实现多种电路功能。

20世纪70年代中期开始，继电保护领域研究基于集成运算放大器的集成保护，并且开始取代晶体管保护。

我国自主研制的集成电路采用高频保护方式进行相电压补偿，并且运用在多条输电线路上。

随着计算机技术的快速发展，计算机在电力系统继电保护领域中得到了广泛地应用，新的现代控制原理被广泛应用到微机继电保护中来，主要向计算机化、网络化、智能化以及一体化等趋势发展,从而将微机继电保护的发展推向了更高的层面。

关键词：

集成电路应用继电保护微机继电

1集成运算放大器定义：

集成运算放大器（IntegratedOperationalAmplifier）简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。

在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。

它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。

其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。

见图，运放是一个开环放大倍数极大的放大器，两个输入端“＋”、“－”之间只要有微小的电压差异，就会使输出端截止或者饱和。

而输入端的输入电阻非常大，可以认为不需要输出电流。

如果按照图示将运放接成闭环电路，则运放的放大倍数等于（Rf+R2）/R2.

因为可以理解运放的“－”端的电压永远等于“＋”端的，而“＋”端的电压等于Vi（R1上无电流，也就无压降），而“—”端的电压又等于Vo在Rf和R2上的分压，

所以有：

Vi＝V0×R2/（Rf+R2），即：

Vo＝Vi×（Rf+R2）/R2.

向左转|向右转

2集成运算放大器组成：

集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合放大器，主要由输入、中间、输出三部分组成。

输入部分是差动放大电路，有同相和反相两个输入端；前者的电压变化和输出端的电压变化方向一致，后者则相反。

中间部分提供高电压放大倍数，经输出部分传到负载。

它的引出端子和功能如图所示。

其中调零端外接电位器，用来调节使输入端对地电压为零（或某一预定值）时，输出端对地电压也为零（或另一个预定值）。

补偿端外接电容器或阻容电路，以防止工作时产生自激振荡（有些集成运算放大器不需要调零或补偿）。

供电电源通常接成对地为正或对地为负的形式，而以地作为输入、输出和电源的公共端。

集成运算放大器概述

集成运放是模拟集成电路中应用最为广泛的一种，它实际上是一种高增益、高输入电阻

和低输出电阻的多级直接耦合放大器。

之所以被称为运算放大器，是因为该器件最初主要用于模拟计算机中实现数值运算的缘故。

实际上，目前集成运放的应用早已远远超出了模拟运算的范围，但仍沿用了运算放大器（简称运放）的名称。

集成运放的发展十分迅速。

通用型产品经历了四代更替，各项技术指标不断改进。

同时，发展了适应特殊需要的各种专用型集成运放。

第一代集成运放以μA709（我国的FC3）为代表，特点是采用了微电流的恒流源、共模负反馈等电路，它的性能指标比一般的分立元件要提高。

主要缺点是内部缺乏过电流保护，输出短路容易损坏。

第二代集成运放以二十世纪六十年代的μA741型高增益运放为代表，它的特点是普遍采用了有源负载，因而在不增加放大级的情况下可获得很高的开环增益。

电路中还有过流保护措施。

但是输入失调参数和共模抑制比指标不理想。

第三代集成运放代以二十世纪七十年代的AD508为代表，其特点使输入级采用了“超β管”，且工作电流很低。

从而使输入失调电流和温漂等项参数值大大下降。

第四代集成运放以二十世纪八十年代的HA2900为代表，它的特点是制造工艺达到大规模集成电路的水平。

将场效应管和双极型管兼容在同一块硅片上，输入级采用MOS场效应管，输入电阻达100MΩ以上，而且采取调制和解调措施，成为自稳零运算放大器，使失调电压和温漂进一步降低，一般无须调零即可使用。

目前，集成运放和其他模拟集成电路正向高速、高压、低功耗、低零漂、低噪声、大功率、大规模集成、专业化等方向发展。

除了通用型集成运放外，有些特殊需要的场合要求使用某一特定指标相对比较突出的运放，即专用型运放。

常见的专用型运放有高速型、高阻型、低漂移型、低功耗型、高压型、大功率型、高精度型、跨导型、低噪声型等。

5.1.2模拟集成电路的特点

由于受制造工艺的限制，模拟集成电路与分立元件电路相比具有如下特点：

1.采用有源器件由于制造工艺的原因，在集成电路中制造有源器件比制造大电阻容易实现。

因此大电阻多用有源器件构成的恒流源电路代替，以获得稳定的偏置电流。

BJT比二极管更易制作，一般用集基短路的BJT代替二极管。

2.采用直接耦合作为级间耦合方式由于集成工艺不易制造大电容，集成电路中电容量一般不超过100pF，至于电感，只能限于极小的数值（1H以下）。

因此，在集成电路中，级间不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。

3.采用多管复合或组合电路集成电路制造工艺的特点是晶体管特别是BJT或FET最容易制作，而复合和组合结构的电路性能较好，因此，在集成电路中多采用复合管（一般为两管复合）和组合（共射共基、共集共基组合等）电路。

运放在集成电路中的应用

继电保护是指电力系统发生故障，危害到系统安全运行的异常情况，并对事故处理策略进行研究的自动化措施。

继电保护中主要使用带触点的继电器对电力系统、电机、变压器以及输变线等进行保护，以保证电力系统免受损害。

在集成电路继电保护装置中，最主要的基本元件是集成运算放大器，它由开环运算放大器和所馈电路两部分组成。

运算放大器开环运行及正所馈运行只在很少场合应用，绝在多数场合采用深度反馈闭环运行。

1继电保护的历史背景及发展现状

电力系统继电保护的发展经历了机电型.整流型.晶体管型和集成电路型几个阶段后,现在发展到了微机保护阶段。

我国继电保护技术的发展大致可以分成四个阶段：

第一阶段。

20世纪50年代，我国工程技术人员通过学习国外先进的继电保护设备和技术，将这些设备的性能和技术进行消化和吸收，建立了一支继电保护队伍，这个队伍对继电保护理论有着深刻的理解，并且有着丰富的经验，创建了我国自主的继电器制造业，这一时代的继电保护主要是机电式为主。

第二阶段。

这一阶段从20世纪50年代末开始，它的标志是开始研究晶体管继电保护，使继电保护开始国产化的道路。

第三阶段。

20世纪70年代中期开始，继电保护领域研究基于集成运算放大器的集成保护，并且开始取代晶体管保护。

我国自主研制的集成电路采用高频保护方式进行相电压补偿，并且运用在多条输电线路上。

第四阶段。

这一阶段从20世纪90年代开始持续到现在，以微机继电保护为主，出现了多种机型的微机保护线路和设备，微机继电保护具有自检查功能、逻辑处理能力强大、存储记忆和数值计算能力，数字信号通信能力较强。

它起源于20世纪60年代中后期,是在英国.澳大利亚和美国.最早的继电保护装置是熔断器.以后出现了以断路器为核心的电磁式继电。

2继电保护技术的前景分析

随着计算机技术的快速发展，计算机在电力系统继电保护领域中得到了广泛地应用，新的现代控制原理被广泛应用到微机继电保护中来，从而将微机继电保护的发展推向了更高的层面。

目前，主要向计算机化、网络化、智能化以及一体化等趋势发展。

2.1计算机化继电保护系统的不断发展，要求系统除了基本的保护功能以外，由于现在系统的数据量急剧增多，这就需要具有强的数据处理能力，大容量的存储空间以保存大量的故障信息，为了及时传输信息必须具有强大的通信能力，以及与其他系统融合联网的功能，使整个系统的数据和信息实现资源共享。

随着计算机技术的进步，计算机的存储、数据处理和通信能力都得到了不同层次的提高，这些都是继电保护计算机化的技术保障。

2.2网络化

系统的数据和信息要实现资源共享就离不开继电保护的网络化，计算机网络和继电保护相互结合可以有效保证数据和信息的共享，从而使电力系统安全、稳定运行。

随着对电力系统要求的不断提高，要求每个保护装置的故障信息和数据都能够实现全系统共享，保护装置根据整个系统的故障信息来决定保护装置下一步的动作，从而保护系统的安全。

要想实现上述功能，就必须对整个系统主要电气设备的保护装置实现网络化管理，即实现微机

保护装置的网络化。

当前一些线路已经开始试行网络化，但只是起步阶段，有大量的工作需要继续努力。

2.3智能化为了使继电保护达到更高的水准，人们将自适应理论、专家控制、人工神经网络、支持向量机、模糊逻辑和蚁群算法等智能算法广泛应用到系统中。

如输电线两侧系统电势角度摆开发生渡电阻的短路故障情况就是一个非线性问题，采用传统的距离保护很难判断出故障的位置，如果使用人工神经网络方法，将大量故障数据作为训练的样本，只要选择的样本充分考虑到各种故障情况，就可以实现对任何故障的准确判断。

只要将各种智能算法有机地结合在一起，就可以将各种不确定因素对继电保护系统的影响降到最少，提高了保护装置的可靠性。

2.4一体化

继电保护装置不仅要实现故障的继电保护，在正常运行状态是可以完成测量、控制和数据通信等功能，从而实现保护、控制和数据通信一体化。

3综合自动化技术

综合自动化技术相对于常规变电站二次系统，有以下特点：

3.1设备、操作、监视屏幕化、图形化综合自动化系统的各个子系统全部微机化，其中还包括系统的功能软件化和信号数字化的内容，完全摒弃了常规变电所中各种机电式、机械式，大大提高了二次系统的可靠性和电气性能。

操作监视屏幕化、图形化，通过微机CRT显示器，可以监视整个系统的实时运行情况和对开关设备及过程控制设备等进行操作控制。

3.2通信网络化

计算机局域网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中得到普遍的应用。

因此，系统具有较高的抗电磁干扰的能力，能够实现高速数据传输，满足实时性要求，组态更灵活，

易于扩展，可靠性大大提高，而且大大简化了常规变电所繁杂量大的各种电缆，方便施工。

3.3运行管理智能化

智能化不仅在传统的自动化功能上，如自动报警、自动报表、自动调节等方面，还表现在能够进行事故判别与处理、智能决策、在线自诊断等。

智能系统具有以下特点：

人机一体化；自组织；学习能力与自我维护能力；在未来，具有更高级的类人思维的能力。

4结论

随着计算机技术和网络技术的快速发展，继电保护必将得到更大的发展，继电保护技术向着计算机化、网络化、一体化、智能化和综合自动化的方向发展。

第二部分电力系统继电保护的作用与意义

随着电力系统的高速发展和计算机技术,通讯技术的进步,继电保护向着计算机化、网络化,保护、测量、控制、数据通信一体化和人工智能化方向进一步快速发展。

与此同时越来越多的新技术、新理论将应用于继电保护领域,这要求我们继电保护工作者不断求学、探索和进取,达到提高供电可靠性的目的,保障电网安全稳定运行。

1、继电保护在电力系统安全运行中的主要作用

1.1保障电力系统的安全性。

当被保护的电力系统元件发生故障时,应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令,使故障元件及时从电力系统中断开,以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏,降低对电力系统安全供电的影响,并满足电力系统的某些特定要求（如保持电力系统的暂态稳定性等）。

1.2对电力系统的不正常工作进行提示。

反应电气设备的不正常工作情况,并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同（例如有无经常值班人员）发出信号,以便值班人员进行处理,或由装置自动地进行调整,或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。

反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。

1.3对电力系统的运行进行监控。

继电保护不仅仅是一个事故处理与反应装置,同时也是监控电力系统正常运行的装置。

继电保护的顺利开展在消除电力故障的同时,对社会生活秩序的正常化,经济生产的正常化做出了贡献。

不仅确保社会生活和经济的正常运转,还从一定程度上保证了社会的稳定,人们生命财产的安全。

前些年北美大规模停电断电事故,就造成了巨大的经济损失,引发了社会的动荡,严重的威胁到了人们生命财产的安全。

可见,电力系统的安全与否,不仅仅是照明失效的问题,更是社会安定、人们生命安全的问题。

所以,继电保护的有效性,就给社会各方面带来了重大的影响。

第三部分继电保护的任务和基本要求

1、电力系统继电保护的任务

1.1监视电力系统的正常运行。

当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响。

当系统和设备发生的故障足以损坏设备或危及电网安全时，继电保护装置能最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响。

（如：

单相接地、变压器轻、重瓦斯信号、变压器温升过高等）。

1.2反应电气设备的不正常工作情况。

反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同发出信号，提示值班员迅速采取措施，使之尽快恢复正常，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。

反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。

1.3实现电力系统的自动化和远程操作，以及工业生产的自动控制。

如：

自动重合闸、备用电源自动投入、遥控、遥测等。

2、电力系统继电保护装置的基本要求

继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求：

这四“性”之间紧密联系，既矛盾又统一。

2.1动作选择性。

指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护来切除故障。

上、下级电网（包括同级）继电保护之间的整定，应遵循逐级配合的原则，以保证电网发生故障时有选择性地切除故障。

切断系统中的故障部分，而其它非故障部分仍然继续供电。

2.2动作速动性。

指保护装置应尽快切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用设备自动投入的效果。

2.3动作灵敏性。

指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数（规程中有具体规定）。

通过继电保护的整定值来实现。

整定值的校验一般一年进行一次。

2.4动作可靠性。

指继电保护装置在保护范围内该动作时应可靠动作，在正常运行状态时，不该动作时应可靠不动作。

任何电力设备（线路、母线、变压器等）都不允许在无继电保护的状态下运行，可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。

第四部分继电保护的原理及组成

1、基本原理。

总体来说可以概括为：

提起和利用差异。

即区分出系统的正常、不正常故障和故障三种运行状态。

选择出发生故障和出现异常的设备，寻找到电力系统在这三种运行状态下的可测参数的差异，并提取并利用这些可测参数差异实现对三种运行状态的快速区分。

2、电力系统继电保护的组成。

电力系统继电保护一般由测量元件、逻辑元件及动作元件三部分组成。

2.1测量元件。

测量从被保护对象出入的有关物理量，如电流、电压、阻抗、功率方向等。

并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0、或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。

2.2逻辑元件。

根据测量部分输出量得大小、性质、输出的逻辑状态，出现的顺序或它们的组合，是保护装置按一定的布尔逻辑及逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。

2.3动作元件。

根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。

第五部分电力系统继电保护发展的前景展望

我国继电保护技术的发展是随着电力系统的发展而发展的,电力系统对运行可靠性和安全性的要求不断提高,也就要求继电保护技术做出革新,以应对电力系统新的要求。

熔断器是我国最初使用的保护装置,随着电力事业的发展,这种装置已经不再适用,而继电保护装置的使用,是继电保护技术发展的开始。

我国的继电保护装置技术经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式的发展历程。

随着科技时代的来临,我国的继电保护技术,也开始走向了科技时代。

在未来的一段时间内,我国继电保护的技术主要是朝微机继电保护技术方向发展。

与传统的继电保护相比,微机保护有其新的特点。

一是全面提高了继电保护的性能和有效性。

主要表现在其有很强的记忆力,可以更有效的采取故障分量保护,同时在自动控制等技术,如自适应、状态预测上的使用,使其运行的正确率得到进一步提高。

二是结构更合理,耗能低。

三是其可靠性和灵活性得到提高,比如其数字元件不易受温度变化影响,具有自检和巡检的能力,而且操作人性化,适宜人为操作。

而且可以实现远距离的实效监控。

微机继电保护技术的这些特点,使得这项技术在未来有着广阔的发展前途,特别是在计算机高度发达的21世纪,微机继电保护技术将会有更大的拓展空间。

在未来继电保护技术将向计算机化,网络化,智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化发展的趋向发展。

我国应当在继电保护技术上增加投入,以便建立一套适应现代电力系统安全运行保障要求的继电保护技术,在继电保护装置的使用上要注意及时的更新,适应我国各方面对电力安全使用的要求,为在未来切实的做好继电保护工作提供最基本的设备支持。

同时还应该掌握世界继电保护技术的发展,在微机继电保护技术上进一步的增强研究引进的力度,使我国的电力系统的安全系数达到世界先进水平,为我国强势的经济增长速度提供更完善的电力支持。

第六部分关于电力系统继电保护认识和结论

继电保护对我国电力系统的安全运行,起着不可替代的作用,在我国经济持续发展,对电力要求不断增大的情况下,要做好继电保护工作,就要从各方面对继电保护的基本任务和意义,以及起保护作用的继电保护装置有深刻的了解,并要及时掌握未来技术发展的方向。

随着科技时代的来临,特别是电子技术、计算机技术和通信技术的发展,我国继电保护技术主要是朝微机继电保护技术方向发展。

结论

继电保护技术应用的研究与探索，应以进一步提高保护的性能和安全可靠性为目的。

继电保护在功能实现上，是统一的整体，需要一次设备、二次回路、通道、保护装置之间的配合协调，才能发挥其整体性能。

随着电力系统的发展和计算机通信技术的进步，继电保护技术的发展向计算机化、网络化、一体化、智能化方向发展，这对继电保护工作提出了新的挑战。

只有对继电保护装置进行定期检查和维护，按时巡检其运行状况，及时发现故障并做好处理，保证系统无故障设备正常运行，这对防止继电保护不正确动作，提高继电保护的安全运行，提高供电可靠性，具有十分重要的意义。

继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

参考文献

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水利电力出版社,1988

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中国电力出版社,2000

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[8]段苏振.交流变频调速技术在门式起重机中的应用[J].电气传动,2005

（1）:

57-64.

致谢

本文是在我的指导老师***老师的精心指导下完成的。

无论在选题、确定研究内容，还是在研究过程中都凝聚了老师的辛勤与汗水。

导师渊博的知识、活跃的学术思想、严谨求实的治学态度、丰富的教学经验、敏锐的科学前瞻性使我受益很多，导师的谆谆教海和精心指导将使我永生难忘。

指导老师教导我们学习的同时还指导我们正确的工作态度和方法，从他身上我们每个组员都可以感受到一个真正科学工作者的一丝不苟，这对我们一生都受益匪浅。

在此我要向指导老师某某某表示最诚挚的敬意和谢意。