《電工電子技術(shù)》課件-第4章

第4章三相交流電路4.1三相電路及負載的連接

4.2三相電的功率

4.3工程應(yīng)用

本章小結(jié)習(xí)題與思考題

工程應(yīng)用中大多數(shù)供配電系統(tǒng)和電動機都采用三相交流電路。三相交流電路就是由三個頻率相同、幅值相等、相位上互差120°電角的正弦電動勢組成的電路。這樣的三個電動勢稱為三相對稱電動勢。本章重點討論三相交流電的基本概念、三相電路及負載的連接與相關(guān)參數(shù)的計算。4.1三相電路及負載的連接

4.1.1三相交流電動勢的產(chǎn)生

如圖4-1所示，在三相交流發(fā)電機中，定子上嵌有三個具有相同匝數(shù)和尺寸的繞組AX、BY、CZ。其中A、B、C分別為三個繞組的首端，X、Y、Z分別為三個繞組的末端。繞組在空間的位置彼此相差120°。當轉(zhuǎn)子磁場在空間按正弦規(guī)律分布、轉(zhuǎn)子恒速旋轉(zhuǎn)時，三相繞組中將感應(yīng)出三相正弦電動勢eA、eB、eC，分別稱做A相電動勢、B相電動勢和C相電動勢。它們的頻率相同，振幅相等，相位上互差120°電角。圖4-1三相發(fā)電機原理圖規(guī)定三相電動勢的正方向是從繞組的末端指向首端。三相電動勢的瞬時值為

eA=Emsinωt

eB=Emsin(ωt-120°)

eC=Emsin(ωt-240°)

其波形圖、矢量圖分別如圖4-2(a)、(b)所示。任一瞬時，三相對稱電動勢之和為零，即

eA+eB+eC=0圖4-2三相對稱電動勢的波形圖、矢量圖4.1.2三相電源的連接

三相發(fā)電機的三個繞組有兩種連接方式，一種叫星形(Y)接法，另一種叫三角形(△)接法。

1.三相電源的星形(Y)接法

若將電源的三個繞組末端X、Y、Z連在一點O，而將三個首端作為輸出端，如圖4-3所示，則這種連接方式稱為星形接法。在星形接法中，末端的連接點稱做中點，中點的引出線稱做中線(或零線)，三個繞組首端的引出線稱做端線或相線(俗稱火線)。這種從電源引出四根線的供電方式稱為三相四線制。圖4-3三相電源的星形接法在三相四線制中，端線與中線之間的電壓uA、uB、uC

稱為相電壓，它們的有效值用UA、UB、UC或U相表示。當忽略電源內(nèi)阻抗時，UA=EA，UB=EB，UC=EC，且相位上互差120°電角，所以三相相電壓是對稱的。規(guī)定U相的正方向是從端線指向中線。在三相四線制中，任意兩根相線之間的電壓uAB、uBC、uCA稱做線電壓，其有效值用UAB、UBC、UCA或U線表示，規(guī)定正方向由腳標字母的先后順序標明。例如，線電壓UAB的正方向是由A指向B，書寫時順序不能顛倒，否則相位上相差180°。從接線圖4-3中可得出線電壓和相電壓之間的關(guān)系：或式中：U線——三相對稱電源線電壓；

U相——三相對稱電源相電壓。從矢量圖還可得出，三個線電壓在相位上互差120°，故線電壓也是對稱的。星形連接的三相電源，有時只引出三根端線，不引出中線，這種供電方式稱做三相三線制。它只能提供線電壓，主要在高壓輸電時采用。

例4-1已知三相交流電源的相電壓U相=220V，求線電壓U線。

解

由此可見，我們平日所用的220V電壓是指相電壓，即火線和中線之間的電壓；380V電壓是指火線和火線之間的電壓，即線電壓。所以，三相四線制供電方式可給我們提供兩種電壓。

2.三相電源的三角形(△)接法

除了星形連接以外，電源的三個繞組還可以連接成三角形，即把一相繞組的首端與另一相繞組的末端依次連接，再從三個接點處分別引出端線，如圖4-4所示。按這種接法，在三相繞組閉合回路中，有

eA+eB+eC=0所以回路中無環(huán)路電流。若有一相繞組首末端接錯，則在三相繞組中將產(chǎn)生很大環(huán)流，致使發(fā)電機燒毀。發(fā)電機繞組很少用三角形接法，但作為三相電源用的三相變壓器繞組，星形和三角形兩種接法都會用到。圖4-4三相電源的三角形連接4.1.3三相負載的連接

1．單相負載和三相負載

用電器按其對供電電源的要求，可分為單相負載和三相負載。工作時只需單相電源供電的用電器稱為單相負載，例如照明燈、電視機、小功率電熱器、電冰箱等。需要三相電源供電才能正常工作的電器稱為三相負載，例如三相異步電動機等。每相負載的電阻相等、電抗相等且性質(zhì)相同的三相負載稱為三相對稱負載，即ZA=ZB=ZC，RA=RB=RC，XA=XB=XC；否則稱為三相不對稱負載。三相負載的連接方式也有兩種，即星形連接和三角形連接。

2．三相負載的星形連接

三相負載的星形連接如圖4-5所示，每相負載的末端x、y、z接在一點O′，并與電源中線相連；負載的另外三個端點a、b、c分別和三根相線A、B、C相連。在星接的三相四線制中，把每相負載中的電流叫相電流I相，每根相線(火線)上的電流叫線電流I線。從如圖4-5所示的三相負載星形連接圖可以看出，三相負載星形連接時的特點是：

(1)各相負載承受的電壓為對稱電源的相電壓。

(2)線電流I線等于負載相電流I相。圖4-5三相負載的星形接法下面討論各相負載中電流、功率的計算。

1)三相不對稱負載的星形連接已知三相負載：則每相負載中的電流有效值為各相負載的電流和電壓的相位差為中線電流的有效值應(yīng)從三相電流的矢量和求得，即

I0=Ia+Ib+Ic

2)三相對稱負載的星形接法三相對稱負載為ZA=ZB=ZC=Z，且各相負載性質(zhì)相同。將三相對稱負載在三相對稱電源上作星形連接時，三個相電流對稱，中線電流為零，即

I0=Ia+Ib+Ic=0在這種情況下，中線存在與否對系統(tǒng)工作沒有影響。4.2三相電的功率

三相負載的功率等于三個單相負載的功率之和，即

P=Pa+Pb+Pc=UAIacosφa+UBIbcosφb+UCIccosφc

三相對稱負載的三相總功率為

P=3U相I相cosφ相在三相對稱負載的星形接法中，I線=I相，U線=

U相

在三相對稱負載的三角形接法中，Ｕ線=Ｕ相，Ｉ線=

Ｉ相所以三相負載的三相總功率還可寫成：式中：

U線——線電壓；

I線——線電流；

cosφ相——每相負載的功率因數(shù)。4.3工程應(yīng)用

4.3.1低壓配電線路器件輸配電線路日日夜夜地運行著，為現(xiàn)代生活源源不斷地輸送并分配著綠色能源。而線路本身每時每刻都經(jīng)受著光、熱、化學(xué)氣體的腐蝕，以及一些外力和本身荷重的破壞，因此要求線路的材料、元件要優(yōu)良，結(jié)構(gòu)要合理，且應(yīng)符合“安全系數(shù)”標準。電網(wǎng)改造前，配電網(wǎng)架脆弱，事故較多，供電可靠性較差。電網(wǎng)改造后，作為基礎(chǔ)設(shè)施的配電網(wǎng)，由于采用了新材料、新設(shè)備、新技術(shù)和新工藝，并在標準上嚴要求，配電網(wǎng)的質(zhì)量得到很大的改善和提高，如10kV線路絕緣化、高壓設(shè)備無油化、智能化等。為了提高和保障供電質(zhì)量，不斷地提高配電技術(shù)，應(yīng)對配電線路元件、配電設(shè)備熟悉，更應(yīng)掌握，以便應(yīng)用。配電線路元器件主要有桿塔、導(dǎo)線、金具、絕緣子、拉線以及配電變壓器臺等。

1．桿塔

1)電桿電桿采用符合國標GB4623—1994《環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土電桿》規(guī)定的定型產(chǎn)品圓形混凝土電桿。其中，低壓動力的照明網(wǎng)桿架設(shè)的線路宜采用B-19-10電桿；照明線路采用B-15-8電桿；接戶宜采用B-15-7.5電桿；電壓10kV采用B-19-10及以上的電桿。

2)鐵塔

10kV及以下配電線路采用鐵塔的不多，當線路配線回路較多，其荷重較大，或在線路轉(zhuǎn)角、分支處不便于組裝拉線或頂桿時，為了增加桿塔的撓度，增大承受荷重的能力和依靠桿塔自身平衡線路張力，可采用鐵塔。

2．導(dǎo)線

1)裸導(dǎo)線線路空間開闊，人口密度較小，環(huán)境能滿足架空線路運行所需的電氣尺寸，便于施工、運行維護的小城市和農(nóng)村，多數(shù)采用裸導(dǎo)線組裝架空線路；且以鋁代銅，采用LJ型、LGJ型鋁絞線，其散熱條件好，相對增大了載流能力。

2)新型裸鋁絞線

AERO—Z型裸鋁線系耐克森公司開發(fā)研制的新型裸導(dǎo)線，其材料為新型鋁合金。該型裸導(dǎo)線仍由多芯組成，單根導(dǎo)線間形成螺旋形凹槽，內(nèi)“Z”形線將多根導(dǎo)線繞成一個或多個同心圓導(dǎo)線層，形成一個完全密合的結(jié)構(gòu)且表面非常光滑，與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比表現(xiàn)出了十分突出的特性。

(1)導(dǎo)線表面非常光滑，內(nèi)部完全密合，導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)大大降低，減少了對桿塔的拉力。直徑相同的導(dǎo)線與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比，對桿塔的拉力最多可減少40％，從而提高了線路的安全系數(shù)。

(2)與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比，在直徑相同的情況下，可使用相同線夾。但由于其結(jié)構(gòu)完全密合，有效截面增大，其制造材料是特殊的鋁鋯合金、退火鋁，載流量可提高10％，導(dǎo)體截面利用率得到提高。

(3)由于完全密合，絞線間沒有空隙，降低了電暈效應(yīng)，線路損耗降低。另外，該型導(dǎo)線沒有內(nèi)部腐蝕，線路舞動幾率降低，減振性能得到改善，適宜于輸配電線路，尤其是大跨度輸配電線路選用。

3)架空絕緣線路架空絕緣線路是一種很有發(fā)展前途的配電線路，在大中城市乃至人口密集的小城鎮(zhèn)不能敷設(shè)電纜線路，線路走廊又比較狹窄的地方，架空絕緣線路是很值得提倡的，可以按常規(guī)架空方式架設(shè)，適應(yīng)性較強，并有比較強的安全性。城網(wǎng)改造中，大多數(shù)架空線路被改造為架空絕緣線路，尤其將10kV配電線路改造為架空絕緣線路以后，增強了線路對地及相間的絕緣強度，裸導(dǎo)線使依靠絕緣子的單一絕緣變成了絕緣子和導(dǎo)線的雙重絕緣，徹底消除了鳥害以及懸掛物造成的短路事故。架空絕緣配電線路所采用的導(dǎo)線應(yīng)符合GB12527—1990、GB14049—1993的規(guī)定。

4)電力電纜電力電纜與架空電纜的不同之處是：架空電纜是無鎧電纜，只有絕緣介質(zhì)構(gòu)成的絕緣層和保護層，單位質(zhì)量較輕，適宜架空敷設(shè)，而電力電纜是有鎧電纜，不但芯線間有絕緣層，還有金屬鉛裝和高強度的絕緣外護套，具有較大的機械強度，適應(yīng)環(huán)境較寬，如空中、地下和水中。

5)電纜附件在使用電纜時，電纜附件是不可缺少的配件。電纜附件用來把電纜與設(shè)備連接起來，可延續(xù)電纜長度，構(gòu)成分支線路，使線路安全可靠，保障電纜的絕緣性能。其附件有電纜終端頭、中間接頭、分線箱以及絕緣材料，主要應(yīng)用在電纜線路的變壓器、開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜上。此外還有金具等設(shè)備，由于篇幅所限，在此就不一一列舉了。4.3.2低壓配電標準

電能是潔凈廉價的綠色能源，造福于人類，服務(wù)于社會，在人們的生活和工作中都離不開它。若要提高供電部門的經(jīng)濟效益和社會效益，則必須提高供電質(zhì)量，滿足負荷的需要，保證電壓質(zhì)量。

1．電壓質(zhì)量電壓質(zhì)量就是使電壓偏差、供電頻率、電壓閃變、波形畸變以及供電可靠性都達到規(guī)定的標準。

(1)電壓偏差。電壓偏差即最大負荷與最小負荷時，線路各點電壓變動的偏差，一般以百分數(shù)表示，即

(2)電壓和電流的波形畸變。我國乃至世界采用的交流電都是正弦波形。但是由于發(fā)電機的并解列、電網(wǎng)的故障運行以及單相整流負荷的沖擊，都可能使電網(wǎng)產(chǎn)生諧波，從而影響正弦交流電的波形，破壞了電能的質(zhì)量，影響了其他負荷的正常運行。結(jié)合我國電網(wǎng)的具體情況，我國制定了諧波的國家標淮LB／T14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年7月31日發(fā)布，1994年3月1日起實施。

(3)電壓閃變。電壓閃變指用電負荷電流急劇變動造成系統(tǒng)瞬時電壓降落超過允許值的現(xiàn)象。電壓閃變可使設(shè)備啟動困難，照明燈的光通量急劇變化等。電壓閃變是由沖擊性負荷造成的，比如，電弧爐、軋鋼機、大型起重設(shè)備、弧焊機等。因此，對造成電壓閃變的沖擊性負荷應(yīng)采取有效措施加以控制。比如，單設(shè)專用的特殊電源變壓器，以適應(yīng)沖擊負荷的需要；對大型起動設(shè)備采取軟控制等。

(4)供電頻率。我國電器設(shè)備的運行頻率為50Hz，但由于發(fā)電機運行、電網(wǎng)負荷等因素的影響，往往達不到理想頻率。

2．供電可靠性

供電可靠性是指正常的供電時間與故障的停電時間之比，應(yīng)對不同的負荷有不同的標難。對于一旦停電將造成人員傷亡，造成經(jīng)濟損失的一類負荷，則應(yīng)確保經(jīng)常供電，如煤礦、醫(yī)院、軍工、科研及重要的重型自動化程度比較高的工礦企業(yè)。對于這類負荷不允許停電。對一旦停電將造成一定的經(jīng)濟損失，但采取措施可以避免的或減輕的稱為二類負荷。對于這類負荷應(yīng)采取措施停電。一旦停電不會造成經(jīng)濟損失、不影響生產(chǎn)的稱為三類負荷。面對改革開放的市場經(jīng)濟，電力由賣方市場轉(zhuǎn)變?yōu)橘I方市場，用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高。一是需要更多的電量；二是要求高質(zhì)、高效不間斷供電。因此，加強供電可靠性管理，影響重大，意義深遠。本章小結(jié)

(1)三相交流電路就是由三個頻率相同、最大值相等、相位上