电工学-第4章供电与用电

1、电工电子教学部电工电子教学部 1 第第 4 章章 供电与用电供电与用电 2 电工电子教学部电工电子教学部 教学要求教学要求 1. 掌握三相电源和三相负载的联结方式掌握三相电源和三相负载的联结方式; 2. 理解并掌握对称三相电路中的电压、电流和功率理解并掌握对称三相电路中的电压、电流和功率 的计算的计算; 3. 理解三相四线制供电系统中中性线的作用；理解三相四线制供电系统中中性线的作用； 4.* 了解电力系统的组成；了解电力系统的组成； 5.* 了解触电的种类和安全用电的重要性；了解触电的种类和安全用电的重要性； 6.* 了解接地和接零保护的作用和使用条件；了解接地和接零保护的作用和使用条件；

2、7.* 了解静电保护和电器防火防爆的常识了解静电保护和电器防火防爆的常识。 3 电工电子教学部电工电子教学部 三相交流电的优点三相交流电的优点 三相交流发电机体积小、重量轻、成本低；三相交流发电机体积小、重量轻、成本低； 节省输电线金属的消耗量，输电成本较低；节省输电线金属的消耗量，输电成本较低； 应用广泛的三相异步电动机结构简单、价应用广泛的三相异步电动机结构简单、价 格低廉、性能良好和使用维护方便。格低廉、性能良好和使用维护方便。 三相交流电路三相交流电路 由三相交流电源供电的电路。由三相交流电源供电的电路。 电力系统目前普遍采用三相交流电源供电。电力系统目前普遍采用三相交流电源供电。 4

3、 电工电子教学部电工电子教学部 4.1 三相电源三相电源 + u1 L1 L1 + u2 L2 L2 + u3 L3 L3 L1 L1 三相交流发电机由三个对称的绕组组成，三相交流发电机由三个对称的绕组组成， 在空间上彼此相差在空间上彼此相差 120 ，它们的始端记为，它们的始端记为 L1 、L2 、L3 ，末端记为，末端记为L1 、L2 、L3 。 （a）结构）结构（b）绕组）绕组 （c）三相电动势）三相电动势 L1 L1 L2 L2 L3 L3 N S 5 电工电子教学部电工电子教学部 磁极放在转子上，转磁极放在转子上，转 子由原动机拖动作匀速子由原动机拖动作匀速 转动。转动。 定子三相绕

4、组切割定子三相绕组切割 转子磁场而感应出转子磁场而感应出 三相交流电动势。三相交流电动势。 L1 L2 L3 L2 L3 L1 幅值相等幅值相等 频率相同频率相同 相位差相位差 = 120 N S 6 电工电子教学部电工电子教学部 u2u3u1 t e O (a) 波形图波形图 U1 U3 U2 (b) 相量图相量图 120o 120o 120o U1 = U 0o U2 = U -120o U3 = U 120o 三相电源中各相电压出现正幅值或过零的先后次序称为相序三相电源中各相电压出现正幅值或过零的先后次序称为相序 L1- - L2- - L3- - L1 若若L3- - L2- - L1

5、- - L3 1 sin m uUt 2sinUt 0 2 sin(120 ) m uUt 0 2sin(120 )Ut 0 3 sin(240 ) m uUt 0 2sin(240 )Ut 0 2sin(120 )Ut 7 电工电子教学部电工电子教学部 二、三相电源的星形联结二、三相电源的星形联结 发电机三相绕组通常将三个末端接在一起。发电机三相绕组通常将三个末端接在一起。 三个绕组末端的连接点称为三个绕组末端的连接点称为中性点中性点 ( N )。 三个首端三个首端L1 、 、L2、 L3称为 称为端点端点。 由中性点由中性点N引出的供电线称为引出的供电线称为中线中线或或零线零线。 由三个首

6、端引出的供电线称为由三个首端引出的供电线称为相相(端端) 线线或或火线火线。 L1 L3 L2 L1 L3 + u1 + u2 L2 + u3 星形联结星形联结 L1 L2 L3 L1 L2 L3 8 电工电子教学部电工电子教学部 I1 I3 I2 中性线中性线 (零线零线) 线电流线电流 相电压相电压 相线相线 (火线火线) 线电压线电压 相电流相电流 三相四线制三相四线制 I1 IL1 = I2 IL2 = I3 IL3 = U12 U1U23 U2U31 U3 L1 L2 L3 N IL2 IL3 IL1 IN 1.线电流与相电流的相量、有效值关系线电流与相电流的相量、有效值关系 2.线

7、电压与相电压的相量、有效值关系线电压与相电压的相量、有效值关系 IL= IP U12 + U23 + U31 + U1 + U2 + U3 + 9 电工电子教学部电工电子教学部 1212UUU 00 0120UU 00 00 cos0sin 0 cos( 120 )sin( 120 ) UjU UjU 33 22 UjU 31 3() 22 Uj 00 3(cos30sin 30 )Uj 0 330U 0 1330U 10 电工电子教学部电工电子教学部 30 U23 U2 U31 U3U2 U12 U1 2323UUU 0 121330UU 0 2330U 3131UUU 0 3330U 3

8、lp UU 11 电工电子教学部电工电子教学部 三、三相电源的三角形联结三、三相电源的三角形联结 将三相电源中每相绕组的首端依次与另一相将三相电源中每相绕组的首端依次与另一相 绕组的末端连接在一起，形成闭合回路。绕组的末端连接在一起，形成闭合回路。 三角形联结三角形联结 L1 L1 L2 L3 L2 L3 L1 L3 L2 L1 L3 + u1 + u2 L2 + u3 12 电工电子教学部电工电子教学部 三相三线制三相三线制 I1 I2 I3 线电流线电流 相电压相电压 相线（火线）相线（火线） 线电压线电压 相电流相电流 U12U1 = U23U2 = U31U3= 1.线电压与相电压的相

9、量、有效值关系线电压与相电压的相量、有效值关系 UL= UP I1 IL1= - - I 3 I2 IL2= - - I 1 I3 IL3= - - I 2 2.线电流与相电流的相量、有效值关系线电流与相电流的相量、有效值关系 L1 L2 L3 IL1 IL3 IL2 ( U1 )U12 + U23 ( U2 ) + U31( U3 ) + 13 电工电子教学部电工电子教学部 113LIII 00 0120II 00 00 cos0sin 0 ( cos120sin120 ) IjI IjI 33 22 IjI 31 3 () 22 Ij 00 3 cos( 30 )sin( 30 )Ij 0

10、 330I 0 1330I 14 电工电子教学部电工电子教学部 I1 I1 30 IL1 I2 I3 IL2 IL2 I3 I2 221LIII 0 11330LII 0 2330I 332LIII 0 3330I 3 lp II 15 电工电子教学部电工电子教学部 4.2 三相负载三相负载 三相对称负载三相对称负载: 三相阻抗相等的三相负载。三相阻抗相等的三相负载。 三相不对称负载三相不对称负载: 使用时平均分配到三个相上。使用时平均分配到三个相上。 L1 L2 L3 N M 3 三相负载三相负载: 由三相电源供电的负载。由三相电源供电的负载。 Z2Z1Z3 16 电工电子教学部电工电子教学

11、部 星形联结星形联结 三角形联结三角形联结 三相负载也有两种接法三相负载也有两种接法: 具体采用何种接法，应根据电源电压和负载具体采用何种接法，应根据电源电压和负载 额定电压的大小来决定。额定电压的大小来决定。 原则上应使负载的实际电压等于其额定相电压。原则上应使负载的实际电压等于其额定相电压。 ZZ Z L1 L2 L3 Z Z Z L1 L2 L3 N 17 电工电子教学部电工电子教学部 一、三相负载的星形联结一、三相负载的星形联结 三相负载的三个末端联结在一起，接到电源三相负载的三个末端联结在一起，接到电源 的中性线上。的中性线上。 三相负载的三个首端分别接到电源的三根相三相负载的三个首

12、端分别接到电源的三根相 线上。线上。 IN IL3 I2 I1 IL1 I3 L2 L3 L1 N Z1 Z2 Z3 + + + U3 IL2 U1 U2 Z1 Z2 Z3 L1 L2 L3 N IL3 IL1 + + U3 U1 U2 IL2 + IN 18 电工电子教学部电工电子教学部 U2 U31 U3 U12 U1 U2 U1 U3 I1 I2 I3 U23 IN IL3 I2 I1 IL1 I3 L2 L3 L1 N Z1 Z2 Z3 + + + U3 IL2 U1 U2 如果负载对称，阻抗如果负载对称，阻抗 Z1 = Z2 = Z3 =Z。则为。则为对称三相三角形电路。对称三相三角

13、形电路。 IN = I1 + I2 + I3 = IL1 + IL2 + IL3 1 11 1 L U II Z 2 22 2 L U II Z 3 33 3 L U II Z 19 电工电子教学部电工电子教学部 IN = I1 + I2 + I3 = IL1 + IL2 + IL30 U2 U31 U3 U12 U1 U2 U1 U3 I1 I2 I3 U23 IN IL3 I2 I1 IL1 I3 L2 L3 L1 N Z Z Z + + + U3 IL2 U1 U2 1 11L U II Z 0 221120LIII 0 331120LIII 20 电工电子教学部电工电子教学部 三相负载

14、不对称而又没三相负载不对称而又没 有中性线时，三相负载有中性线时，三相负载 的相电压不会对称，导的相电压不会对称，导 致有的相电压超过负载致有的相电压超过负载 的额定相电压，有的低的额定相电压，有的低 于额定相电压，致使负于额定相电压，致使负 载不能正常工作，甚至载不能正常工作，甚至 损坏。损坏。 因此，在三相四相制电路中，中性线不允许断因此，在三相四相制电路中，中性线不允许断 开，也不允许安装熔断器等短路或过电流保护开，也不允许安装熔断器等短路或过电流保护 装置。装置。 R2 R3 L1 L2 L3 R1 N S 21 电工电子教学部电工电子教学部 每相负载的首端都依次与另一相负载的末端每相

15、负载的首端都依次与另一相负载的末端 连在一起，形成闭合回路。连在一起，形成闭合回路。 将三个连接点分别接到三个电源的三根相线将三个连接点分别接到三个电源的三根相线 上。上。 二、三相负载的三角形联结二、三相负载的三角形联结 U2 I3 I2 I1 L2 L3 L1 + + + Z1 Z2 Z3 U1 IL1 IL2 IL3 U3 三相负载的三角形联结只能是三相三线制。三相负载的三角形联结只能是三相三线制。 Z1Z2 Z3 L1 L2 L3 22 电工电子教学部电工电子教学部 对于三相三角形不对称负载对于三相三角形不对称负载: I1 IL1 I2 I3 IL2 IL3 3 2 1 U1 U2 U

16、3 I3 I2 I1 1 1 1 U I Z 2 2 2 U I Z 3 3 3 U I Z 113LIII 221LIII 332LIII 1 2 1 U Z 2 3 2 U Z 3 1 3 U Z 23 电工电子教学部电工电子教学部 Z1 = Z2 = Z3 = Z 对于三相三角形对称负载对于三相三角形对称负载: I1 IL1 I2 I3 IL2 IL3 U1 U2 U3 I3 I2 I1 11 2 1 UU I ZZ 22 3 2 UU I ZZ 33 1 3 UU I ZZ 0 1131330LIIII 0 2212330LIIII 0 3323330LIIII 3 lp II 24

17、电工电子教学部电工电子教学部 例例4.2.1 有一电源为星形联结，而负载为三角形联结有一电源为星形联结，而负载为三角形联结 的对称三相电路，已知电源相电压的对称三相电路，已知电源相电压UPS= 220 V，负载每，负载每 相阻抗相阻抗| Z | = 10 。试求负载的相电流和线电流以及电。试求负载的相电流和线电流以及电 源的线电流和相电流的有效值。源的线电流和相电流的有效值。 解解 由于电源为星形联结，故电源线电压由于电源为星形联结，故电源线电压 忽略供电线路的阻抗，则负载线电压忽略供电线路的阻抗，则负载线电压 负载三角形联结，则负载相电压负载三角形联结，则负载相电压 负载相电流负载相电流 负

18、载为三角形联结，故负载线电流负载为三角形联结，故负载线电流 33220380V LSPS UU 380V LLLS UU 380V PLLL UU 380 = 38A 10 PL PL U I Z 33 3866A LLPL II 25 电工电子教学部电工电子教学部 电源只向一组三相负载供电，故电源线电流电源只向一组三相负载供电，故电源线电流 电源为星形联结，故电源相电流电源为星形联结，故电源相电流 ILS = ILL = 66 A IPS = ILS = 66 A 26 电工电子教学部电工电子教学部 4.3 三相功率三相功率 三相总有功功率三相总有功功率 一、三相功率的计算一、三相功率的计算

19、 三相总无功功率三相总无功功率 123 PPPP 1 11222333 coscoscosU IU IU I Y连接连接 122331 PPPP 12 121223232331 3131 coscoscosU IUIU I 连接连接 123 QQQQ 1 11222333 sinsinsinU IU IU I 122331 QQQQ 12 121223232331 3131 sinsinsinU IU IU I Y连接连接 连接连接 三相总视在功率三相总视在功率22 SPQ 27 电工电子教学部电工电子教学部 线电压、线电流：线电压、线电流： 3 L P U U P = 3 UP IPcos

20、Q = 3 UP IPsin S = 3 UP IP 三相对称负载功率表达式三相对称负载功率表达式 相电压、相电流：相电压、相电流： 当负载当负载Y连接连接 连接连接 PL II Y 3cos 3 L L U PI PL UU 3 L P I I 3cos 3 L L I PU 3cos LL PU I 3sin LL QU I 3 LL SUI 3cos LL U I 3cos LL U I 28 电工电子教学部电工电子教学部 3cos LL PU I 3sin LL QU I 22 3 LL SPQU I 29 电工电子教学部电工电子教学部 例例4.3.1 电路中有两个负载，其中负载电路中

21、有两个负载，其中负载 2 为为 感性感性 ， 负载负载 1：UN = 380 V，P1 = 75 kW， cos 1 = 1， Y 形连接。形连接。 负载负载 2：UN = 380 V ，P2 = 36 kW， cos 2 = 0.8，形连形连 接。求接。求: 电源提供的电流？电源提供的电流？ 解解 P = P1 + P2 = 111 kW Q = Q1 + Q2 = P1 tan 1 + P2 tan 2 = 27 kvar S = P2 + Q2 Il = = 173 A S 3 Ul = 114 kVA RRR L2 L3 L1 Z Z Z IL1 IL12 IL11 30 电工电子教学

22、部电工电子教学部 二、三相功率的测量二、三相功率的测量 三瓦表法三瓦表法 三三 相相 负负 载载 W * * W * * W * * L1 L2 L3 N 123 PPPP 对称三相负载对称三相负载 123 PPP 1 3PP 不对称三相负载不对称三相负载 31 电工电子教学部电工电子教学部 二瓦表法二瓦表法 三 相 负 载 W * * W * * L1 L2 L3 三相负载的有功功率三相负载的有功功率 12 PPP 当三相负载为星形接法三当三相负载为星形接法三 相三线制无中线相三线制无中线 123 pppp L1 L2 L3 Z1 Z2 Z3 i1 i2 i3 123 0iii 312 ii

23、i 三相瞬时功率三相瞬时功率 1 12 23 3 u iu iu i 1 12 2312 ()u iu iuii 131232 ()()uu iuu i 13 123 2 u iu i 32 电工电子教学部电工电子教学部 13112322 coscosPUIUI 电压、电流均是正弦量电压、电流均是正弦量 12 PP 当三相负载为三角形接法三相三线制当三相负载为三角形接法三相三线制 122331 0uuu 122331 uuu 123 pppp 12 123 231 3 u iu iu i L1 L2 L3 Z1 Z2 Z3 iL1 iL2 iL3 u12 u23 u31 i1 i2 i3 23

24、31123 231 3 ()uuiu iu i 31312321 ()()uiiuii 311232 () LL uiu i 131232LL u iu i 113L iii 131L iii 221L iii 33 电工电子教学部电工电子教学部 12 PPP 13112322 coscosPUIUI 12 PP 无论是星形还是三角形负载都是建立在无论是星形还是三角形负载都是建立在 123 0iii 的基础上，因而二瓦表法使用任何三相三线制，三相的基础上，因而二瓦表法使用任何三相三线制，三相 四线制除对称负载，不能使用二瓦法四线制除对称负载，不能使用二瓦法 二瓦表法使用应注意瓦特表的连接方式，

25、瓦特表的电二瓦表法使用应注意瓦特表的连接方式，瓦特表的电 流线圈分别引入两根端线而第三条端线是瓦特表电压流线圈分别引入两根端线而第三条端线是瓦特表电压 线圈的公共端线圈的公共端 二瓦表法在测量功率时，可能出现瓦特表反偏，这是二瓦表法在测量功率时，可能出现瓦特表反偏，这是 因为该表的电压线圈和流过的线电流的相位差大于因为该表的电压线圈和流过的线电流的相位差大于900 所致。计算功率时该表读数取负值，总功率为两表读所致。计算功率时该表读数取负值，总功率为两表读 数的代数和，单独一表的读数无实际物理意义数的代数和，单独一表的读数无实际物理意义 34 电工电子教学部电工电子教学部 以三相对称三线制星形

26、负载为例二瓦表法在测量功率以三相对称三线制星形负载为例二瓦表法在测量功率 时，讨论瓦特表出现反偏的问题。时，讨论瓦特表出现反偏的问题。 设设A相电压为参考相量相电压为参考相量 0 10UU 对称三相三线制星形负载对称三相三线制星形负载 1331UU 0 3330U 0 31330UU 0 2120UU 0 3120UU 0 12130UU 0 23230UU 00 1312030U 0 13150U 00 13( 180150 )U 0 1330U 设对称三相三线制星形负载为感性负载设对称三相三线制星形负载为感性负载 相电流滞后相电压角度为相电流滞后相电压角度为 L1 L2 L3 Z1 Z2

27、Z3 I1 I2 I3 N 35 电工电子教学部电工电子教学部 相量图相量图 1U 13U 1I 0 30 2U 3U 2I 0 30 31U 23U 线电压线电压 13U 线电流线电流1I 相位差相位差 0 1 30 线电压线电压 23U 线电流线电流2I 相位差相位差 0 2 30 36 电工电子教学部电工电子教学部 讨论讨论: 是相电压与相电流之间的相位差，值取决于负载的性质是相电压与相电流之间的相位差，值取决于负载的性质 （纯电阻）（纯电阻） 0 01、 0 1 30 0 2 30 瓦特表瓦特表1、表、表2均正偏均正偏 （感性）（感性） 0 602、 0 1 30 0 2 90 瓦特表

28、瓦特表1正偏、表正偏、表2为零为零 （感性）（感性） 00 60903、 00 1 6030 00 2 90120 瓦特表瓦特表1正偏、表正偏、表2反偏反偏 （容性）（容性） 0 604、 0 1 90 0 2 30 瓦特表瓦特表1为零、表为零、表2正偏正偏 （容性）（容性） 00 9060 5、 00 1 90120 00 2 6030 瓦特表瓦特表1反偏、表反偏、表2正偏正偏 由于阻抗角由于阻抗角 在在 因此二瓦表法至多只有一个反偏，因此二瓦表法至多只有一个反偏， 不会同时出现两个表同时反偏的情况，在对称三相负载不会同时出现两个表同时反偏的情况，在对称三相负载 只有阻抗角只有阻抗角 时才会

29、反偏时才会反偏 0 60 0 90 37 电工电子教学部电工电子教学部 水力发电厂水力发电厂 用电设备用电设备 变电所变电所 输电线输电线 配电设备配电设备 火力发电厂火力发电厂 原子能发电厂原子能发电厂 用电设备用电设备 太阳能发电厂太阳能发电厂 地热发电厂地热发电厂 潮汐发电厂潮汐发电厂 生物质发电厂生物质发电厂 38 电工电子教学部电工电子教学部 380 V 220 V 6 kV 10 kV 110 、220 、500 kV 电能电能 负荷负荷 升升 压压 变变 压压 器器 降降 压压 变变 压压 器器 10 kV 输电方式输电方式 交流输电：交流输电：输电距离越远，输送功率越大，要输电

30、距离越远，输送功率越大，要 求的输电电压就越高。求的输电电压就越高。 直流输电：直流输电：输电线路的功率损耗小，电压降小，输电线路的功率损耗小，电压降小， 适用于大功率、长距离输电。适用于大功率、长距离输电。 39 电工电子教学部电工电子教学部 低压供电系统的接线方式低压供电系统的接线方式 放射式：放射式：供电可靠性高，导线用量大，费用高供电可靠性高，导线用量大，费用高 树干式：树干式：适用于用电比较分散，每个节电的用适用于用电比较分散，每个节电的用 电量教大，变电所又居于各用电点的中央时。电量教大，变电所又居于各用电点的中央时。 变电所变电所 配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱 变电所变电

31、所 配电箱配电箱 配电箱配电箱 配电箱配电箱 配电箱配电箱 40 电工电子教学部电工电子教学部 一、电流对人体的危害一、电流对人体的危害 电流对人体组织的危害作用主要有以下几方面：电流对人体组织的危害作用主要有以下几方面： 1. 生物性质的作用生物性质的作用 引起神经功能和肌肉功能紊乱引起神经功能和肌肉功能紊乱 2. 化学性质的作用化学性质的作用 电解而破坏人体细胞电解而破坏人体细胞 3. 热性质的作用热性质的作用 灼伤、产生电烙印及皮肤金属化等灼伤、产生电烙印及皮肤金属化等 4. 机械性质的作用机械性质的作用 骨折、组织受伤骨折、组织受伤 等等 41 电工电子教学部电工电子教学部 按人体所受

32、伤害方式的不同可分为按人体所受伤害方式的不同可分为 1. 电伤电伤人体 人体的局部损伤的局部损伤 对人体对人体的伤害的伤害2.电击电击 二、电击对人体的伤害程度与以下因素有关：二、电击对人体的伤害程度与以下因素有关： 1. 通过人体电流的大小通过人体电流的大小 2. 电流通过人体的途径电流通过人体的途径 3. 触电时间的长短触电时间的长短 通过心脏的电流达到通过心脏的电流达到50 mA/s 即致人死地即致人死地 4. 电流的频率电流的频率 工频电流对人体的危害最大工频电流对人体的危害最大 手手手、手手、手脚最为危险脚最为危险 42 电工电子教学部电工电子教学部 三、三、 触电事故触电事故 单线

33、触电事故单线触电事故 两线触电事故两线触电事故 1. 直接触电直接触电 Id Id 单线触电事故单线触电事故两线触电事故两线触电事故 2. 间接接触触电间接接触触电 人体接触到正常情况下人体接触到正常情况下 不带电、仅在事故情况不带电、仅在事故情况 下才会带电的部分而发下才会带电的部分而发 生的触电事故。生的触电事故。间接接触触电间接接触触电 43 电工电子教学部电工电子教学部 常规环境：交流常规环境：交流 50 V、直流、直流 120 V 潮湿环境：交流潮湿环境：交流 25 V、直流、直流 60 V 一、安全电压一、安全电压 2. GB规定的安全电压额定值为：规定的安全电压额定值为： 1.

34、通用接触电压极限：通用接触电压极限： 42 V、36 V、24 V、12 V、6 V 要求：独立的电源供电。要求：独立的电源供电。 44 电工电子教学部电工电子教学部 二、保护接地和保护接零二、保护接地和保护接零 1. IT 系统系统 保护接地保护接地 适用于适用于供电系统。供电系统。 将用电设备的金属外壳通过接地装置接地。将用电设备的金属外壳通过接地装置接地。 IT 系统也称为保护接地。系统也称为保护接地。 接地装置的接地电阻一般不超过接地装置的接地电阻一般不超过 4 。 Rd 45 电工电子教学部电工电子教学部 PE L1 L2 L3 N TN系统系统 TN-C (PE 和和 N 共用共用) TN-S (PE 和和 N 完全分开共用完全分开共用) TN-C-S (PE 和和 N 部分共用部分共用) 三相五线制三相五线制系统分为系统分为: 2. 保护接零（保护接零（TN系统）系统） 适用于适用于制制供电系统中供电系统中 的电气设备。的电气设备。 46 电工电子教学部电工电子教学部 3. TT 系