《電工與電子技術(shù)》 課件 第5章 三相電路及安全用電

第5

章三相電路及安全用電5.1三相正弦交流電路5.2安全用電三相電路與安全用電

本章介紹三相交流電和安全用電，包括的三相交流電的產(chǎn)生、三相電源的接法及三相四線制供電，三相負(fù)載的Y

型和△型兩種接法，線電壓和相電壓、線電流和相電流的關(guān)系。相關(guān)電流和電壓的計(jì)算。在負(fù)載對稱狀態(tài)下計(jì)算平均功率。

安全用電的基本常識(shí)，包括安全電壓、觸電形式以及防止觸電的各種方式。：：M3~：：：：第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路5.1.1三相電源

1.什么是三相交流電？

三相交流電是頻率相同，相位彼此相差120°的正弦電壓或電流的總稱。三相交流電的波形如圖5-1a

所示，其中紅色為u1，作為參考量（初相位為0），黃色為u2（滯后120°），綠色為u3（超前120°）。相量圖見圖5-1b所示。瞬時(shí)表達(dá)式為相量表達(dá)式為b）三相交流電達(dá)到最大值的順序稱為相序，顯然，三相電源的相序?yàn)?-2-3，稱為正相序（或稱正序或順序）；與此相反（如2-1-3）為逆相序（或逆序、反序）正相序Um-Umu1u2u3圖5-1

三相交流電a）三相波形b）相量圖oωtu/Va）第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路

2.三相交流電的產(chǎn)生三相交流電由三相發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，三相發(fā)電機(jī)的定子磁鐵中放著三個(gè)間隔120°的繞組（線圈），其首、尾端分別為U1、V1、W1

和U2、V2、W2，圖5-2a為三相繞組，圖5-2b為三相發(fā)電機(jī)的原理結(jié)構(gòu)。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每相繞組依次切割磁場，產(chǎn)生正弦電動(dòng)勢，在三個(gè)繞組上產(chǎn)生幅值和頻率相同，相位差為120°的三相對稱正弦交流電，波形如圖5-2c所示，其相序?yàn)椋簎2u1u3U1W1V1V2W2U2定子轉(zhuǎn)子b）c）a）U1V1W1U2V2W2圖5-2

三相交流電的產(chǎn)生a）三相繞組b）三相發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)c）三相波形第5章|

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3.三相電源的連接

如果將三個(gè)繞組的末端

U2、V2、W2

連接，這一連接點(diǎn)稱為中性點(diǎn)（中點(diǎn)）或零點(diǎn)，用

N表示。從三個(gè)繞組的始端

U1、V1、W1引出三根導(dǎo)線

L1、L2、L3，稱為相線（或端線、火線）。這種方式稱為星型（Y型）聯(lián)結(jié)。如果從中點(diǎn)（N）引出導(dǎo)線，稱為中線（零線），三根相線加一根中線，稱為三相四線制，如圖5-3所示。

每相始、末端間的電壓，即每根相線與中線間的電壓稱為相電壓，如u1~u3，其有效值分別用U1~U3表示，或用UP表示。

兩相之間的電壓稱為線電壓，如u12、u23、u23，其有效分別用U12、U23、U31表示，或用UL表示。相電壓與線電壓的關(guān)系為：結(jié)論：線電壓的相位比對應(yīng)的相電壓超前,其幅值關(guān)系為：

Y

型聯(lián)接三相電源的相量圖如圖5-4所示。L1L3L2N+++---u1u2u3+++---u12u23u31圖5-3電源的Y

型聯(lián)結(jié)（三相四線制）圖5-4

Y

型連接的三相電源的相量圖第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路

【例5-1】三相交流電中，U1=220V，寫出所有相電壓、線電壓的表達(dá)式，畫出相量圖。線電壓表達(dá)式為解：相電壓表達(dá)式為相電壓與線電壓的關(guān)系為三相電壓之和相應(yīng)的，三個(gè)線電壓之和也為0圖5-5

例5-1相量圖相量圖見圖5-5所示。第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路

5.1.2三相負(fù)載

在電源Y

型連接的三相四線系統(tǒng)中，可以提供兩種電壓：即380V的線電壓和220V的相電壓。220V的民用電是通過相線和中線（即火線和零線）之間得到，即單相電。工業(yè)生產(chǎn)多為380V，即三相電，如圖5-6所示。L1L2L3NM3~圖5-6

單相負(fù)載和三相負(fù)載單相負(fù)載（家用電器、電燈等小功率電器），構(gòu)成不對稱三相負(fù)載UP220V三相負(fù)載（大功率用電設(shè)備，如三相電動(dòng)機(jī)），構(gòu)成對稱三相負(fù)載UL380V第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路

1.三相負(fù)載的Y

型連接

將三相負(fù)載的三個(gè)首端分別連接到三相電源的三條火線上，而將三個(gè)末端連接在一起（），接三相電源的中線，稱為三相負(fù)載的星型（Y型）連接，如圖5-7所示。其中：三根相線上的電流稱為線電流三相負(fù)載上的電流稱為相電流在負(fù)載Y型連接時(shí)，各相的線電流等于負(fù)載對應(yīng)的相電流因?yàn)殡娫聪嚯妷旱扔谪?fù)載相電壓，所以負(fù)載中每相電流為：+-+-+-L1L3L2N圖5-7

負(fù)載Y接的相量模型圖5-7所示為感性對稱三相負(fù)載的相量圖。圖5-7負(fù)載Y

接的相量圖電壓超前電流-感性負(fù)載即：Y型聯(lián)結(jié)的三相負(fù)載中，電源線電壓等于負(fù)載相電壓第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路

【例5-2】

Y接的三相負(fù)載，接到UP=220V的

Y接三相電源上，如圖5-8所示。各相阻抗相等：（1）求各相電流及中線電流解：因?qū)ΨQ三相負(fù)載，所以計(jì)算一相電流，即可推算出其他兩相電流。L1L2L3熔斷器圖5-8

例5-2電路

（2）如果某相（如Z1）短路，短路電流過大導(dǎo)致該相熔斷器斷路，對其他兩相沒有影響，仍為220V。

但如果某相（如Z1）短路導(dǎo)致中線斷路，如圖5-9a所示。則Z2和Z3上的電壓均為380V，超過額定值，不允許。

（3）如果某相（如Z1）斷路，對其他兩相沒有影響，仍為220V。但如果同時(shí)中線也同時(shí)斷路，如圖5-9b所示。這種情況下已成為單相電路，即Z2和Z3串聯(lián)在380V的線電壓上，如果阻抗上的分壓超過額定值也是不允許的。380V380V圖5-9

例5-2中一相短路或斷路的情況a）一相短路且中線斷路b）一相斷路且中線斷路L1L2中線斷路L3a）L2中線斷路Z1斷路L1380Vb）第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路

【例5-3】某三相負(fù)載相量模型如圖5-10所示，接到線電壓為380V的三相電源上，求各相的線電流、相電流和中線電流。圖5-10例5-3

電路圖L1L3L2N解：負(fù)載

Y接，其相電壓為各相阻抗為各相阻抗不相等，即不對稱負(fù)載，需分別計(jì)算電流中線電流：相量圖見圖5-11所示。圖5-11例5-3相量圖第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路

【例5-4】Y

型連接的三相負(fù)載，接到線電壓為380V的三相電源上，接阻抗對稱的三相電動(dòng)機(jī)，每相阻抗Z=（30+j20）Ω，另外其中L1和L3各接10個(gè)100W燈泡，L2相接20個(gè)100W燈泡，如圖5-12所示。求各相的電流和中線電流。解：負(fù)載

Y接，其相電壓為220V10個(gè)100W燈泡的并聯(lián)電阻為：20個(gè)100W燈泡的并聯(lián)電阻為：電動(dòng)機(jī)阻抗為：圖5-12

例5-4電路圖L1L2L3N：：M3~：：：：各相電動(dòng)機(jī)電流為各相燈泡電流為各相總電流及中線電流為第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路

2.三相負(fù)載的△型連接

將三相負(fù)載彼此首尾相接，三個(gè)聯(lián)接點(diǎn)分別接三相電源的三條火線，這種聯(lián)接稱為三角形聯(lián)結(jié)，簡稱角接（△接）。圖5-13為負(fù)載△接的相量模型。

L1L3L2圖5-13

負(fù)載△接的相量模型

圖中，電源線電壓等于負(fù)載相電壓，即:+UL-+UP-各相負(fù)載的相電流為：

如果負(fù)載對稱，即:各相的線電流為圖5-14

負(fù)載△接的相量圖線電流相電流，相量圖見圖5-14所示。負(fù)載△接時(shí)線電流和相電流的關(guān)系為第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路

5.1.3三相功率三相負(fù)載上的總功率等于各相功率之和，即對于對稱負(fù)載，各相功率相等，總功率為各相功率的3倍。當(dāng)負(fù)載Y

時(shí)：當(dāng)負(fù)載△

時(shí)：所以，無論負(fù)載是Y接還是

△

，其功率均為

【例5-5】圖5-6所示（例5-2）Y連接的三相電動(dòng)機(jī)，計(jì)算其有功功率

P、無功功率

Q和視在功率

S

。

解：例5-2已求出

所以，線電壓、線電流及三相功率為圖5-15致命電流、人體電阻與安全電壓第5章|

三相電路與安全用電5.1三相正弦交流電路

5.2.1安全用電概述實(shí)際的安全電壓規(guī)定為：1.電流對人體的傷害

電流通過人體，可能造成對人體的傷害。傷害程度與電流的大小、電流流經(jīng)人體的路徑、持續(xù)的時(shí)間、電流的頻率以及人體狀況等因素有關(guān)。人體可以忍耐的交流電流為30mA，致命的交流電流為50mA。致命電流≥50mA2.人體的電阻

在人體皮膚干燥完好的情況下，人體電阻可達(dá)（104~105）Ω

；但在皮膚潮濕、出汗、有外傷的情況下，人體電阻會(huì)顯著下降至（800～1000）Ω

。人體電阻≥1000Ω3.人體安全電壓

人體致命電流（50mA）乘以人體最低電阻（1000Ω），即得到最大的安全電壓，即：安全電壓36V致命電流、人體電阻與安全電壓見圖5-15所示。第5章|

三相電路與安全用電5.2安全用電

5.2.2觸電形式如果人體不同部位存在電位差，電流通過人體導(dǎo)致觸電，人體觸電有以下幾種形式。1.兩相觸電當(dāng)人體的不同部位（如雙手）接觸三相電中任意兩根相線，或相線與中線，電壓高達(dá)380V或220V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安全電壓，屬于兩相觸電，如圖5-16所示。2.單相觸電

人體的某一部位觸及一根相線或與相線相接的其他帶電體上（漏電的電器外殼）就形成單相觸電。單相觸電的危險(xiǎn)程度與電源中性點(diǎn)接地有關(guān)，如圖5-17為中性點(diǎn)接地的情況，其中：圖5-16兩相觸電觸電電流單相觸電時(shí)流過人體的電流為：要減小觸電電流，就要增大電阻，人體保持干燥可以增大Rh，穿絕緣鞋可以增大與地面接觸的電阻RI，都是防止觸電事故的有效辦法。圖5-17中性點(diǎn)接地的單相觸電L1L2L3中性點(diǎn)接地觸電電流第5章|

三相電路與安全用電5.2安全用電

在單相觸電中，如果是中性點(diǎn)不接地，如圖5-18所示。其中：觸電時(shí)，通過人體的電流取決于人體電阻和輸電線對地絕緣阻抗的大小，另外交流情況下，導(dǎo)體與地面的等效電容也可能構(gòu)成回路。

如果絕緣阻抗

Zj

足夠大，輸電線對地電容不夠大，則觸電危險(xiǎn)較小。反之存在觸電危險(xiǎn)。

更多的情況是用電設(shè)備絕緣損壞，導(dǎo)致外殼帶電，也屬于單相觸電。

3.跨步觸電當(dāng)高壓輸電線斷線落地時(shí)，有強(qiáng)大電流流入大地，在離接地點(diǎn)距離不同兩處會(huì)產(chǎn)生電壓降，稱為跨步電壓，如圖5-19所示。

當(dāng)接近落地點(diǎn)時(shí)，兩腳因距落地點(diǎn)距離不同而承受跨步電壓，導(dǎo)致觸電，跨步電壓的大小與人和接地點(diǎn)距離，兩腳之間的跨距，接地電流大小等因素有關(guān)。

若雙腳跨步以0.8m計(jì)，則在10kV高壓線接地點(diǎn)20m以外，380V火線接地點(diǎn)5m以外才是安全的。如誤入危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)雙腳并攏或單腳跳離危險(xiǎn)區(qū)，以免發(fā)生觸電傷害觸電電流跨步電壓高壓線脫落圖5-19高壓線脫落引起的跨步觸電圖5-18中性點(diǎn)不接地的單相觸電L1L2L3中性點(diǎn)不接地絕緣電阻觸電電流第5章|

三相電路與安全用電5.2安全用電

5.2.3觸電急救及防護(hù)措施1.觸電急救

首要措施是迅速切斷電源?；蜃層|電者盡快脫離電源，救護(hù)人員應(yīng)持絕緣物體，腳踩絕緣物將觸電者與帶電體分離。千萬不要隨手直接接觸觸電者身體，以免自己也同樣觸電。

其次是檢查觸電者的受傷情況，當(dāng)觸電者有電傷出血等情況，但神志清楚、呼吸正常，可就地采取止血、包扎措施后，送醫(yī)院治療。如果觸電者處于昏迷、虛脫、呼吸困難或假死等嚴(yán)重癥狀時(shí)，則有生命危險(xiǎn)，應(yīng)馬上通知醫(yī)生前來搶救，同時(shí)應(yīng)立即就地對遇難者施行人工呼吸和心臟按摩（擠壓）急救措施。2.防護(hù)措施加強(qiáng)用電管理和安全教育，制定安全操作規(guī)程和電氣設(shè)備的定期保養(yǎng)、維護(hù)制度。對高壓系統(tǒng)應(yīng)設(shè)圍欄，掛明顯的警告牌，非工作人員不得接近。工作人員對高壓系統(tǒng)操作時(shí)需持有操作票，并有監(jiān)護(hù)人員進(jìn)行安全監(jiān)護(hù)。嚴(yán)禁帶電操作。如必須帶電操作時(shí)，應(yīng)采取必要的安全措施，正確使用安全工具。

（見圖5-20所示）對電器設(shè)備應(yīng)采取保護(hù)接地、保護(hù)接零及安裝漏電保護(hù)器等措施（見下一節(jié)）。圖5-20安全防護(hù)措施L3觸短路熔斷第5章|

三相電路與安全用電5.2安全用電

5.2.4保護(hù)接地與保護(hù)接零

正常情況下，一般電器設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)、家用電器等）的金屬外殼是不帶電的，但由于絕緣遭受破壞或老化失效會(huì)導(dǎo)致外殼帶電，如圖5-21所示。這種情況下，人觸及外殼就會(huì)觸電。接地與接零技術(shù)是防止這類事故發(fā)生的有效保護(hù)措施。1.工作接地

在三相四線制供電系統(tǒng)中，中性線連同變電所的變壓器的外殼直接接地，稱為工作接地，如圖5-12所示。當(dāng)某一相（L3）對地發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流將其熔斷器（FU）熔斷，而其他兩相仍能正常供電，這對于照明電路非常重要，保證了人身的安全和整個(gè)低壓系統(tǒng)工作的可靠性。圖5-21用電設(shè)備外殼帶電圖5-22中性點(diǎn)接地的單相觸電L1L2L3NFU中性點(diǎn)接地絕緣損壞外殼帶電第5章|

三相電路與安全用電5.2安全用電

2.保護(hù)接零

在有工作接地的三相四線制低壓供電系統(tǒng)中，將用電設(shè)備的金屬外殼與中性線（零線）可靠地連接起來，稱為保護(hù)接零，如圖5-23所示。3.保護(hù)接地

在中性點(diǎn)不接地的三相三線制供電系統(tǒng)中，將電氣設(shè)備的外殼可靠地用金屬導(dǎo)體與大地相連，稱為保護(hù)接地，如圖5-24所示。圖5-23

保護(hù)接零L1L2L3NFU

如果由于絕緣破損使某一相電源與設(shè)備外殼相連，將會(huì)發(fā)生該相電源短路，使熔斷器等保護(hù)電器動(dòng)作，保護(hù)了人身觸及外殼時(shí)的安全。但是，如果三相負(fù)載不平衡，中性線上將有電流通過，存在中性線電壓，給人以不安全感。

保護(hù)接零適用對稱負(fù)載，接在有工作接地的三相四線制低壓供電系統(tǒng)中。圖5-24保護(hù)接地L1L2L3FU外殼接零線外殼接地第5章|

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