《電工學》海南大學教學

第4章供電與用電4.1三相電源4.2三相負載4.3三相功率4.4用電安全4.5觸電防護第4章供電與用電本章要求：

1.搞清對稱三相負載Y和△聯(lián)結(jié)時相線電壓、相線電流關(guān)系。2.掌握三相四線制供電系統(tǒng)中單相及三相負載的正確聯(lián)接方法，理解中線的作用。3.掌握對稱三相電路電壓、電流及功率的計算。三相交流電的產(chǎn)生

案例4．1

電能可以由水能（水力發(fā)電）、熱能（火力發(fā)電）、核能（核能發(fā)電）、化學能（電池）、太陽能（太陽能電站）等轉(zhuǎn)換而得。而各種電站、發(fā)電廠，其能量的轉(zhuǎn)換由三相發(fā)電機來完成。如：三峽電站，三相水輪發(fā)電機將水能轉(zhuǎn)換為電能；火電站，三相氣輪發(fā)電機將燃燒煤炭產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能。三相交流電是如何產(chǎn)生？有何特點？L(火線）N（零線）E（地線）火力發(fā)電原理（1）燃料在鍋爐內(nèi)燃燒后加熱給水；（2）該水氣化變成飽和蒸汽，再通過過熱器形成高溫高壓過熱蒸汽；（3）利用過熱蒸汽的能量驅(qū)動汽輪機，帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電（4）從汽輪機排出的蒸汽送至冷凝器冷卻后在返回鍋爐內(nèi)。蒸汽、水就這樣循環(huán)。這種基本熱循環(huán)叫做“蒸汽循環(huán)”。核電發(fā)電原理將低濃縮鈾制成的燃料棒放置到核反應(yīng)堆內(nèi)，周圍注入輕水，在反應(yīng)堆內(nèi)使中子與鈾235碰撞后，原子核劇烈振動發(fā)生核裂變，由于連鎖反應(yīng)產(chǎn)生巨大的熱能。利用這種熱能產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，由該蒸汽帶動汽輪機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。電力輸送

電能的生產(chǎn)、傳輸、分配和使用等許多環(huán)節(jié)構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，叫做電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)目前普遍采用三相交流電源供電，由三相交流電源供電的電路稱為三相交流電路。所謂三相交流電路是指由三個頻率相同、最大值（或有效值）相等、在相位上互差120°電角的單相交流電動勢組成的電路，這三個電動勢稱為三相對稱電動勢。三相交流電的特點三相交流電與單相交流電相比具有如下優(yōu)點：（1）三相交流發(fā)電機體積小、重量輕、成本低；（2）用三相制輸電比單相制輸電可大大節(jié)省輸電線有色金屬的消耗量，即輸電成本較低；（3）目前獲得廣泛應(yīng)用的三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、性能良好和使用維護方便等優(yōu)點。因此在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，三相交流電路獲得廣泛應(yīng)用。NSAXe在兩磁極中間，放一個線圈。根據(jù)右手定則可知，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其方向由AX。讓線圈以的速度順時針旋轉(zhuǎn)。合理設(shè)計磁極形狀，使磁通按正弦規(guī)律分布，線圈兩端便可得到單相交流電動勢。感應(yīng)電動勢怎么產(chǎn)生的？圖4.1.1三相交流發(fā)電機示意圖4.1三相電壓1.三相電壓的產(chǎn)生工作原理：動磁生電(尾端)+e1e2e3L1’L1L2L2’L3L3’(首端)++––

–++__eeL1L1’?圖4.1.2三相繞組示意圖圖4.1.3電樞繞組及其電動勢定子轉(zhuǎn)子L3’L1L1’L2’NSL3-+L2???三相電動勢瞬時表示式相量表示鐵心（作為導(dǎo)磁路經(jīng)）三相繞組匝數(shù)相同空間排列互差120:直流勵磁的電磁鐵定子轉(zhuǎn)子發(fā)電機結(jié)構(gòu)2.波形圖t

Oe1e2ee3對稱三相電動勢的瞬時值之和為0三相交流電到達正最大值的順序稱為相序。最大值相等頻率相同相位互差120°稱為對稱三相電動勢三個正弦交流電動勢滿足以下特征供電系統(tǒng)三相交流電的相序為1

2

32.三相電源的星形聯(lián)結(jié)(1)聯(lián)接方式中性線(零線)中性點端線(相線、火線)相電壓：端線與中性線間（發(fā)電機每相繞組）的電壓線電壓：端線與端線間的電壓、Up–+–++–、UlXYZNBCAe1+–e3+–e2+––+–+–+(2)線電壓與相電壓的關(guān)系根據(jù)KVL定律由相量圖可得相量圖AXYZNBCe1+–e3+–e2+–+–+–+––+–+–+同理3.三相電源的三角形聯(lián)結(jié)–++–+BAC–三相四線制電源激勵下,不對稱負載的三相電路1）負載接入電源必須遵守的兩個原則負載所承受的電壓等于它的額定電壓(低不正常,高則燒)各項負載要盡量均衡地分配在三相上(盡可能對稱)NABC380V/220V單相負載額定電壓220V單相負載額定電壓380V三相負載額定電壓220V三相負載額定電壓380V

380V/220VY/含義:若電源線電壓為380V,則選擇Y接若電源線電壓為220V,則選擇接三相負載均能在額定電壓下工作每相負載的額定電壓為220V4.2三相負載三相負載不對稱三相負載：不滿足ZA=ZB

=

ZC

如由單相負載組成的三相負載對稱三相負載：ZA=ZB=

ZC

如三相電動機1.三相負載分類單相負載：只需一相電源供電

照明負載、家用電器負載三相負載：需三相電源同時供電

三相電動機等三相負載的聯(lián)接

三相負載也有Y和兩種接法，至于采用哪種方法，要根據(jù)負載的額定電壓和電源電壓確定。⑴

三相負載采取那種聯(lián)結(jié)方式取決于電源電壓和負載的額定電壓,原則上應(yīng)使負載的實際工作相電壓等于額定相電壓。如:某三相異步電動機,三相繞組的額定電壓是220V,若電源電壓分別為380V和220V,應(yīng)采取那種聯(lián)結(jié)方式?答:電源380V:Y接電源220V:△接說明：⑵若為單相多臺負載，應(yīng)盡量均勻地分布在三相上。電力系統(tǒng)的負載，可以分成兩類。一類叫做單相負載，另一類叫做三相負載。單相負載示例電爐電視機白熾燈三相對稱負載：在三相負載中，每相負載的性質(zhì)、阻抗完全相同不對稱的三相負載：各相負載不同。如三相照明電路中的負載。三相負載的連接方法：星形聯(lián)結(jié)或三角形聯(lián)結(jié)。三相負載示例ABCZXY接YY接ABCZX2.負載星形聯(lián)結(jié)的三相電路線電流：流過端線的電流相電流：流過每相負載的電流結(jié)論:負載Y聯(lián)結(jié)時，線電流等于相電流。Y:三相三線制Y0：三相四線制(1)聯(lián)結(jié)形式+ZBZCZAN'N++–––N電源中性點N′負載中性點(2)負載Y聯(lián)結(jié)三相電路的計算1)負載的相電壓＝電源相電壓2)線電流＝相電流Y

聯(lián)結(jié)時：3)中線電流負載Y聯(lián)結(jié)帶中性線時,可將各相分別看作單相電路計算+ZBZCZAN'N++–––負載對稱時,中性線無電流,

可省掉中性線。(3)對稱負載Y聯(lián)結(jié)三相電路的計算所以負載對稱時，三相電流也對稱。負載對稱時，只需計算一相電流，其它兩相電流可根據(jù)對稱性直接寫出。+ZBZCZAN'N++–––例1：N+++–––NRARBRCACB若RA=RB=RC=5，求線電流及中性線電若RA=5,RB=10,RC=20,求線電流及一星形聯(lián)結(jié)的三相電路，電源電壓對稱。設(shè)電源線電壓。負載為電燈組，流IN;中性線電流IN。中性線電流解：已知：N+++–––NRARBRCACB(1)線電流三相對稱(2)三相負載不對稱（RA=5、RB=10、RC=20）

分別計算各線電流中性線電流例2：照明系統(tǒng)故障分析解:

(1)A相短路1)中性線未斷

NRARCRBABNC此時A相短路電流很大，將A相熔斷絲熔斷，而B相和C相未受影響，其相電壓仍為220V,正常工作。在上例中，試分析下列情況(1)A相短路:中性線未斷時，求各相負載電壓；中性線斷開時，求各相負載電壓。(2)A相斷路:中性線未斷時，求各相負載電壓；中性線斷開時，求各相負載電壓。此情況下，B相和C相的電燈組由于承受電壓上所加的電壓都超過額定電壓（220V)，這是不允許的。2)A相短路,中性線斷開時,此時負載中性點N′即為A,因此負載各相電壓為

ABNCN′iAiCiB+++–––(2)A相斷路2)中性線斷開B、C相燈仍承受220V電壓,正常工作。1)中性線未斷變?yōu)閱蜗嚯娐罚鐖D(b)所示,由圖可求得IBCU′AU′B+––+(b)

NRARCRBABNC(a)結(jié)論

（1）不對稱負載Y聯(lián)結(jié)又未接中性線時，負載相電壓不再對稱，且負載電阻越大，負載承受的電壓越高。（2）中線的作用：保證星形聯(lián)結(jié)三相不對稱負載的相電壓對稱。（3）照明負載三相不對稱，必須采用三相四線制供電方式，且中性線（指干線）內(nèi)不允許接熔斷器或刀閘開關(guān)。1.聯(lián)結(jié)形式4.3負載三角形聯(lián)結(jié)的三相電路線電流:

流過端線的電流相電流:

流過每相負載的電流

、、ZAZBZCL1L3L2+++–––線電流不等于相電流(2)相電流(1)負載相電壓=電源線電壓即:UP

=UL一般電源線電壓對稱，因此不論負載是否對稱，負載相電壓始終對稱,即2.分析計算ZAZBZCACB+++–––相電流：線電流：U12=U23=U31=Ul=UP相量圖21323123130°負載對稱時,相電流對稱，即L2L3(3)線電流由相量圖可求得為此線電流也對稱，即。

線電流比相應(yīng)的相電流滯后30。三相負載的聯(lián)接原則負載的額定電壓=電源的線電壓應(yīng)作聯(lián)結(jié)負載的額定電壓=

電源線電壓應(yīng)作Y聯(lián)結(jié)應(yīng)使加于每相負載上的電壓等于其額定電壓，而與電源的聯(lián)接方式無關(guān)。三相電動機繞組可以聯(lián)結(jié)成星形，也可以聯(lián)結(jié)成三角形，而照明負載一般都聯(lián)結(jié)成星形（具有中性線）。4.4三相功率無論負載為Y或△聯(lián)結(jié)，每相有功功率都應(yīng)為

Pp=Up

Ip

cosp對稱負載聯(lián)結(jié)時：同理對稱負載Y聯(lián)結(jié)時：相電壓與相電流的相位差當負載對稱時：P=3UpIpcosp所以4.3三相電路的功率:有功功率無功功率視在功率說明任意負載P=P1+P2+P3Q=Q1+Q2+Q3S=√P2

+Q2對稱負載P=3P1=3UPIPcosφ=√3UlIlcosφQ=3Q1=3UPIPsinφ=√3UlIlcosφS=3S1=3UPIP=√3UlIl相值線值P=3RIP2

=ScosφQ=3XIP2

=SsinφS=3?Z?IP2

=√P2

+Q2正誤判斷對稱負載Y聯(lián)結(jié)+ZBZCZAN'N++–––對稱負載Y聯(lián)結(jié)正誤判斷有一三相電動機,每相的等效電阻R=29,等效感抗XL=21.8,試求下列兩種情況下電動機的相電流、線電流以及從電源輸入的功率，并比較所得的結(jié)果：(1)繞組聯(lián)成星形接于UL

=380V的三相電源上;(2)繞組聯(lián)成三角形接于UL=220V的三相電源上。例1:解:(1)(2)比較(1),(2)的結(jié)果:有的電動機有兩種額定電壓,如220/380V。當電源電壓為380V時,電動機的繞組應(yīng)聯(lián)結(jié)成星形；當電源電壓為220V時,電動機的繞組應(yīng)聯(lián)結(jié)成三角形。在三角形和星形兩種聯(lián)結(jié)法中,相電壓、相電流以及功率都未改變，僅三角形聯(lián)結(jié)情況下的線電流比星形聯(lián)結(jié)情況下的線電流增大倍。說明三相負載的銘牌上給出的額定電壓、電流均指額定線電壓、線電流，因此對稱三相電路的功率常以線電壓、線電流計算。通常三相電動機的銘牌上給出的額定功率PN是指電動機額定運行時軸上輸出的機械功率，它與電源輸送給電動機的有功功率P之間的關(guān)系為：額定效率例2:各電阻負載的相電流由于三相負載對稱，所以只需計算一相，其它兩相可依據(jù)對稱性寫出。ABC線電壓Ul為380V的三相電源上，接有兩組對稱三相電源：一組是三角形聯(lián)結(jié)的電感性負載，每相阻抗;另一組是星形聯(lián)結(jié)的電阻性負載，每相電阻R=10,如圖所示。試求：各組負載的相電流；(2)電路線電流；(3)三相有功功率。設(shè)解：負載星形聯(lián)接時，其線電流為負載三角形聯(lián)解時，其相電流為(2)電路線電流一相電壓與電流的相量圖如圖所示一相電壓與電流的相量圖如圖所示(3)三相電路的有功功率-30o-67o-46.7o三相對稱負載作三角形聯(lián)結(jié)，UL

=220V，當S1、S2均閉合時，各電流表讀數(shù)均為17.3A，三相功率

P=4.5kW，試求:

1)每相負載的電阻和感抗；

2)S1合、S2斷開時,各電流表讀數(shù)和有功功率P；

3)S

1斷、S

2閉合時,各電流表讀數(shù)和有功功率P。例3：ZCAAAAS1S2ZABZBCCAB或：P=I2RP=UIcostg=XL/R解：(1)由已知條件可求得ZCAAAAS1S2ZABZBCCAB2)S1閉合、S2斷開時

IA=IC=10AIB

=17.32A流過電流表A、C的電流變?yōu)橄嚯娏鱅P，流過電流表B的電流仍為線電流IL。因為開關(guān)s均閉合時

每相有功功率P=1.5kW

當S1合、S2斷時，ZAB、ZBC

的相電壓和相電流不變，則PAB、PBC不變。P=PAB+PBC

=3kWS1AAAS2ZABZCAZBCCABIB

=0A3)S1斷開、S2閉合時變?yōu)閱蜗嚯娐穁ABZBCZCAACI1I2

I1仍為相電流

IP

，

I2

變?yōu)?/2

IP

。IA=IC

=10A+5A=15A

I2

變?yōu)?/2

IP，所以AB、BC

相的功率變?yōu)樵瓉淼?/4

。P=1/4PAB+1/4PBC+PCA

=0.375W+0.375W+1.5W

=2.25kWAAAS1S2ZABZBCZCAABC某大樓為日光燈和白熾燈混合照明，需裝40瓦日光燈210盞(cos1=0.5)，60瓦白熾燈90盞(cos2=1),它們的額定電壓都是220V，由380V/220V的電網(wǎng)供電。試分配其負載并指出應(yīng)如何接入電網(wǎng)。這種情況下,線路電流為多少？例4：解:

(1)該照明系統(tǒng)與電網(wǎng)連接圖NABC30盞+–70盞解:

(1)該照明系統(tǒng)與電網(wǎng)連接圖NABC30盞+–70盞V(2)計算線電流U.設(shè)=2200°例5：

某大樓電燈發(fā)生故障，第二層樓和第三層樓所有電燈都突然暗下來，而第一層樓電燈亮度不變，試問這是什么原因？這樓的電燈是如何聯(lián)接的？同時發(fā)現(xiàn)，第三層樓的電燈比第二層樓的電燈還暗些，這又是什么原因？解:(1)本系統(tǒng)供電線路圖P三層二層ABCN–+一層(2)當P處斷開時，二、三層樓的燈串聯(lián)接380V電壓，所以亮度變暗，但一層樓的燈仍承受220V電壓亮度不變。(3)因為三樓燈多于二樓燈即R3R2

,所以三樓燈比二樓燈暗。解：(1)本系統(tǒng)供電線路圖APBCN三層二層一層–+4.4家庭用電與用電安全1接地2火線、中線與地線3.家庭電器的連接4保險裝置5短路與超載6用電安全1接地與地球完全接通的導(dǎo)線稱為地線。合乎規(guī)定的地線須在地殼深數(shù)公尺處植入金屬板，再以粗大導(dǎo)線接出地面后引入屋內(nèi)以便接地使用。電路中接地的符號為接地習慣上我們選定地球的電位為零。導(dǎo)體接地后原先累積的電荷可全部導(dǎo)入地球。地球的體積奇大無比，雖導(dǎo)入電荷并不至于改變其電位，故仍可維持零電位。接地后導(dǎo)體的電位為零。2火線、中線與地線

一般220伏特的電源插座內(nèi)配有兩條電線，分別為火線(livewire)與中性線(neutralwire)?；鹁€與人體存有電壓差，接觸它時，電流由火線經(jīng)人體而流入地面（或反向流動），使人體有觸電的感覺，極為危險。每條火線與中性線間的電壓差均為220伏特，但兩條火線間的電壓差則為380伏特。220V220V380V380V電源的接法380V各式三孔插座及三角插頭判斷電源到底為380伏特或220伏特，以三用電表測量為最正確的方法。切勿僅以插座外觀判定。四、保險裝置屋內(nèi)配的電線有一定的粗細，能允許的安全電流是一定的。超過安全電流時，電線會因過熱而有發(fā)生火災(zāi)的危險。為防止意外，電路上一定要有保險裝置，以便大電流通過時可以切斷電源，使電路形成斷路(opencircuit)。節(jié)目錄四、保險裝置早期最常用的保險裝置為保險絲(fusewire)現(xiàn)今總開關(guān)都改用無熔絲斷路器。當電流超過安全流量時，因磁力的作用使它自動跳開，使電路成斷路。四、保險裝置選用保險裝置時，需注意所標示的額定電流值和電壓值。超載超載，系指導(dǎo)線上流經(jīng)之電流超過該導(dǎo)線的最大安全電流容量，導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生高熱的現(xiàn)象。家庭用電，電能源源不絕的供應(yīng)，若未裝設(shè)保險絲或其他保險裝置，一旦發(fā)生短路或超載，會引起電線走火，而發(fā)生不可收拾的火災(zāi)。六、用電安全安全用電的守則：

1.避免接觸火線。

2.絕對避免短路或超載。

3.電器金屬外殼必須接有地線。

4.定期檢查電器與插頭。安全用電守則：避免接觸火線：所謂觸電就是有電流流過人的身體。就一般人而言，當100毫安培流經(jīng)人體僅需數(shù)秒，就會產(chǎn)生危險而致命。千萬不要用身體任何部分去碰觸火線電流對人體的影響電擊傷害的程度取決于通過人體電流的大小、電流通過人體的持續(xù)時間、電流通過人體的途徑、電流的頻率以及人體的健康狀況等虛線表示在各種頻率時，能引起人體感覺觸電的最低電流；實線表示觸電后無法憑借自力脫離電路的最低電流。安全用電的守則：絕對避免短路或超載：不管是直流電路或交流電路，一旦造成短路或超載將使導(dǎo)線電流過大，輕則電源、電線燒毀，重則發(fā)生火災(zāi)。從插座拔出插頭時要手握插頭處，切勿用力拉扯電線。節(jié)目錄安全用電的守則：絕對避免短路或超載：不要在同一插座上同時使用數(shù)個高功率的電器。在總開關(guān)處及貴重儀器電源附近的電路上，一定要安裝數(shù)值正確的保險絲或保險裝置。安全用電的守則：電器金屬外殼必須接有地線：潮濕會使與安倍絕緣良好的物體變成導(dǎo)體。電器金屬外殼接地后，萬一漏電時，電流可直接經(jīng)地線流入地面而不流經(jīng)人體（因人體電阻比地線大得多）可避免觸電。安全用電的守則：定期檢查電器與插頭：電流大的插頭（如電鍋插頭），極易因過熱而損壞，若不及時更換會造成短路的危險。4.5觸電防護常規(guī)環(huán)境：交流50V、直流

120V

潮濕環(huán)境：交流25V、直流60V一、安全電壓2.GB規(guī)定的安全電壓額定值為：1.通用接觸電壓極限：

42V、36V、24V、12V、6V

要求：獨立的電源供電。二、保護接地和