电工技术第4章-三相电路及安全用电课件

1、本章提要 三相电力系统是由三相电源、三相负载和三相输电线路三部分组成，本章讨论三相电源、三相负载以及三相电路的功率等问题，主要包括： 1. 三相交流电动势的产生、对称三相电压的大小及相序。 2. 对称负载为星形联结与三角形联结的电路中，电压与电流的关系及计算方法；不对称负载星形联结时电路的计算。 3. 三相电路中功率。 4安全用电常识。 4.1 三相电动势一、 三相交流发电机二、 三相电源一、三相交流发电机定子：定子铁心内圆周表面有槽，放入三相电枢绕组。转子：一对由直流电源供电的磁极 第一节 三相电动势三相绕组的三相电动势幅值相等, 频率相同, 彼此之间相位相差120。铁心绕组+eU-U1U2

2、U1U2V1V2W1W2定子绕组+NS+NS+NS+NS+NS+NS+NS+NS+二、三相电动势 三相电源是由三相发电机产生的频率相同、幅值相等、相位互差120的三相对称正弦电压。 三相电动势瞬时表示式EmEm t02eUeWeV 第一节 三相电动势120EUEWEV120120三相电压相量图 相量表示幅值相等频率相同相位互差120称为对称三相电动势 三个正弦交流电动势满足以下特征 第一节 三相电动势对称三相电动势的瞬时值之和为零 若三个电压或电流之间也有上述关系，称为对称三相电压或对称三相电流. 相序 三相交流电压达到正幅 值（或相应零值）的 顺序称为相序。 正序 UV W 逆序 UWV 第

3、一节 三相电动势4.2 三相电源的连接一、星形(Y形)联结二、三角形(形)联结一、星形（Y形）联结1、连接方式 N中点或零点N 发电机三相绕组的末端连接成一公共点N。 由始端(U1,V1,W1)引出三条线电源的星形（Y形）联结。火线中性线(零线)火线火线线电压相电压三相四线制UVW+eU-eV+-eW+- 第二节 三相电源的连接 结论：星形联结中，线电压为相电压 的 倍，线电压超前相应相电压 30o。NN相量图2、线电压与相电压关系UUUWUV30o30o30o -UU -UV -UW 第二节 三相电源的连接 发电机三相绕组依次首尾相联三角形联结。 1、连接方式 星形联结时，可引出四根导线(三

4、相四线制)，可获得两种电压。通常在低压配电网中相电压为220V，线电压为380V。也可不引出中线(三相三线制)。 二、三角形（形）联结-+-+-若三相电源电动势对称： 第二节 三相电源的连接UUUWUV相量图UUUVUWU 在三角形回路中，有一个大小等于相应电压两倍的电源存在。由于绕组本身阻抗很小，回路中的电流很大，电机有烧毁的危险，这是绝对不允许的。 实际电源的三相电动势不是理想的对称三相电动势，它们的相量和并不绝对等于零，所以三相电源通常都接成星形，而不接成三角形。 第二节 三相电源的连接4.3 三相负载的连接一、 对称负载的星形联结电路二、 负载三角形联结的三相电路 三相电路的负载由三部

5、分组成，其中的每一部分叫做一相负载 对称三相负载：各相负载的 复阻抗相等 例如:三相电动机、三相变压器 对称三相电路：由对称三相电源和对称三相负载组成的电路不对称三相电路：三相电源不对称或各项负载阻抗不相等，这时各相电流是不对称的。 第三节 三相电路负载的连接一、 对称负载的星形联结电路N IU IV IW INN+-+-1、相电流与线电流的关系2、负载电流之间的关系 若三相负载对称，即ZU =ZV =ZW，忽略中线阻抗，则三相负载可归为一相计算。 第三节 三相电路负载的连接三相四线制三相三线制设电源相电压 为参考正弦量1.负载相电流一相电路 第三节 三相电路负载的连接2. 相电流有效值3.相

6、电压与相电流 之间的相位差 第三节 三相电路负载的连接中性线中电流为因为负载对称，即：因为电压对称，所以负载相电流对称5.中性线电流为零UUUWUVIWIUIV对称负载相量图结论 由于三相电动势和负载的对称性，各相电压和电流也是对称的。只要算出某一相电压、电流，其它两相可以根据对称关系直接写出。 各相电流仅由各相电压和各相阻抗决定。三相对称电路的计算可以归结为一相来计算。 iV iW iUNN 如果三相负载对称, 中线中无电流, 可将中线除去, 而成为三相三线制系统。 例如：三相电动机 第三节 三相电路负载的连接【例4-1】一星形联结的三相负载，每相电阻R = 6，感抗XL 8。电源电压对称，

7、设 ，试求电感电流。解：负载对称，以U相为例。V2203380=3=UVUUU二、负载三角形联结的三相电路1.电压关系2.相电流有效值 第三节 三相电路负载的连接iViWiUN3.相电压与相电流 之间的相位差4.负载线电流 第三节 三相电路负载的连接iViWiUN因为负载对称 所以负载各相电流对称。负载对称时，只需计算一相电流，其它两相电流可根据对称性直接写出。IuIvIwIwuIuvIvw对称负载相量图 5.线电流与相电流的关系 结论：三角形联结中，线电流是相电流的 倍，线电压滞后相应相电压 30o。 三相电动机的绕组可以连接成星形，也可以连接成三角形，而照明负载一般连接成星形（有中性线）

8、第三节 三相电路负载的连接【例4-2】在图4-13所示的电路中，设三相对称电源线电压为380V，三角形联接的对称负载每相阻抗Z(4+j3) ，试求各相电流与线电流，并作相量图。解： 设 ，则根据对称性，可得其余两相电流 线电流 三、不对称三相电路计算 不对称三相电路：当三相电源不对称或各相负载阻抗不相等时，电路中的各相电流是不对称的。 例如各相负载（如照明、电炉、单相电动机等）分配不均匀；电力系统发生故障（短路或断路等）都将出现不对称情况。 通常三相电源的不对称程度很小，可近似地当作对称来处理。所以在工程实际中，要解决的是三相电源对称而负载不对称的三相电路计算问题。 不对称三相电路中的三相电流

9、是不对称的，因此对这种电路只能用网络分析中求解复杂电路的方法。 第三节 三相电路负载的连接 三相负载采用何种联接方式由负载的额定电压决定。 当负载额定电压等于电源线电压时采用三角形联结； 当负载额定电压等于电源相电压时采用星形联结。注意 第三节 三相电路负载的连接【例4-3】 若不对称形负载接于对称三相电源上，电源相电压为220V，U相接一只220V、100W灯泡，V相、W相各接入一只220V、200W灯泡，中线阻抗不计，求各相电流和中线电流。 解：因中线阻抗不计， 注意：若三相负载不对称，各负载相电压对称，但中性线电流不为零。4.4 三相电路的功率一、 有功功率二、 无功功率三、 视在功率一

10、、有功功率 无论负载为 Y 或联结，三相负载所吸收的有功功率与三相电源所提供的有功功率相等，并等于各相有功功率之和。当负载对称时，三相总功率为： 当对称负载是星形联结时， 当对称负载是三角形联结时， 是相电压与相电流的相位差角 第四节 三相电路的功率对称不论负载是何种连接方式总功率为： 是相电压与相电流的相位差角二、无功功率 三相总的无功功率等于各相功率之和。 第四节 三相电路的功率三、视在功率 当负载对称时，三相总功率为: 三相总的视在功率在对称三相电路中，由于 第四节 三相电路的功率【例4-4】对称三相电源线电压380V，形对称负载每相阻抗Z(12+j16) ，试求各相电流和线电流。如将负

11、载改为形对称接法，求各相电流和线电流，分别计算形、形接法时的三相总功率。解： 由形接法可知，相电压为线电压的设形接法中，线电流相电流，三相功率为形接法时，相电流为形接法中，线电压相电压，三相功率为 第四节 三相电路的功率【例4-5】有一台三相电阻加热炉，功率因数等于，星形联结，另有一台三相交流电动机，功率因数等于，三角形联结，共同由线电压为的三相电源供电，它们消耗的有功功率分别为75kW和36kW。求电源线电流。解 电热炉功率因数故无功功率电动机功率因数故无功功率电源输出总有功功率、无功功率和视在功率为： 电源线电流二、三相功率的测量 在三相三线制电路中，不论负载联结成星形或三角形，也不论负载

12、对称与否，都广泛采用两功率表法来测量三相功率。 负载联结成星形的三相三线制电路中，其三相瞬时功率为因为 第四节 三相电路的功率 由上式可知，三相功率可用两个功率表来测量。每个功率表的电流线圈中通过的是线电流，而电压线圈上所加的电压是线电压。两个电压线圈的一端都联在未串联电流线圈的一线上（图4-18）。 应注意，两个功率表的电流线圈可以串联在任意两线中。功率表W1读数为： 是uUW和iU之间的相位差功率表W2读数为： 是uVW和iV之间的相位差 第四节 三相电路的功率两功率表的读数P1和P2之和即为三相功率： 当负载对称时，两功率表的读数分别为： 两功率表读数之和为： 第四节 三相电路的功率 由

13、上式可知，当相电流与相电压同相时，即00，则P1=P2 ，即两个功率表的读数相等。当相电流比相电压滞后的角度600时，则 P2 为负值，即第二个功率表的指针反向偏转，这样便不能读出功率的数值。因此，必须将该功率表的电流线圈反接。 这时三相功率便等于第一个功率表的读数减去第二个功率表的读数，即 由此可知，三相功率应是两个功率表读数的代数和，其中任意一个功率表的读数是没有意义的。 第四节 三相电路的功率 在实用上，常用一个三相功率表代替两个单相功率表来测量三相功率，其原理与两功率表法相同 . 第四节 三相电路的功率4.5 发电、输电与安全用电一、 发电、输电概述二、 安全用电三、 节约用电一、发电

14、、输电概述 强电电能（一般常称工频市电）是由发电厂生产的，而发电厂多数建立在一次能源所在地（如煤矿、水力资源等），远离城市或工业企业。为了保证电能的经济传送，又要满足各类电能用户对电能质量（如工作电压）的不同要求。电能输送到城市或工业企业之后，由于电能用户或生产车间的布局分布不同等等，存在电能的远距离输送、电能电压的变换、电能合理地经济地分配（配电）和安全运行等问题。这就构成了电能的生产、变压、输配和使用的全过程和各环节的整体性。 由各种电压等级的电力传输线路，将一些发电厂、变电站和电力用户联系起来的一个发电、输电、变电、配电和用电的统一整体，称为电力系统（Power System）。 第五节

15、 发电、输电与安全用电 图4-21所示为一个大型电力系统的示意图。 第五节 发电、输电与安全用电 电力系统的组成：1.发电厂将各类形态的一次能源（如煤炭、石油、天然气、水能、原子能、风能、太阳能、地能、潮汐能）通过发电设备转换为电能。 2.变电站是变换电压和交换电能的场所。 根据变电站的性质和作用，分为升压变电站和降压变电站两类。升压变电站，多设在发电厂内，而降压变电站，根据其在电力系统中所处的地位和作用不同，又分为地区降压变电站、企业降压变电站以及车间变电站等。3.电力网是输送和分配电能的线路。 它由各种不同的电压等级和不同结构类型的传输线路组成，是将发电厂、变电站和电能用户联系起来的纽带。

16、其任务是实时地将发电厂生产的电能输送并分配给不同的电能用户。 第五节 发电、输电与安全用电 4.电能用户是包括工业企业在内的所有用电单位,均称为电能用户。目前我国的主要电能用户是：重工业企业，用电占50；轻工业企业，用电占12；农业用电占15；其他用户，如交通运输、市政生活等， 用电只占7左右。 5.发电厂生产的电能，一般都通过升压变电站变成高压电能，采用远距离高压输送的主要目的是在传输的电功率和要求线路电压损失一定的条件下，输电电压越高，导线截面积越小，不仅节省了导线消耗的有色金属（铜、铝），同时减少线路上的电能损耗，提高了电能输送效率，也保证了用电户的电能质量。 为了更经济合理地利用一次能

17、源（特别是我国水力资源丰富），减小电能损耗，降低成本，保证供电质量和可靠性，建立大型电力系统，将有利于国民经济的发展。 第五节 发电、输电与安全用电 二、安全用电1电流对人体的作用 由于不慎触及带电体，产生触电事故，使人体受到各种不同的伤害。根据伤害性质可分为电击和电伤两种。 电击是指电流通过人体，使内部器官组织受到损伤。如果受害者不能迅速摆脱带电体，则最后会造成死亡事故。 电伤是指在电弧作用下或熔断丝熔断时，对人体外部的伤害，如烧伤、金属溅伤等。 根据大量触电事故资料的分析和实验证实，电击所引起的伤害程度与下列各种因素有关。 第五节 发电、输电与安全用电 （1）人体电阻的大小 人体的电阻愈大

18、，通入的电流愈小，伤害程度也就愈轻。根据研究结果，当皮肤有完好的角质外层并且很干燥时，人体电阻大约为104105,当角质层破坏时，降到8001000.（2）电流通过时间的长短 电流通过人体的时间愈长，则伤害愈严重。 （3）电流的大小 如果通过人体的电流在以上时，就有生命危险。一般说，接触以下的电压时，通过人体的电流不致超过，故将电压作为安全电压。如果在潮湿的场所，安全电压还要规定得低一些，通常是和。 此外，电击后的伤害程度还与电流通过人体的路径以及与带电体接触的面积和压力等有关。 第五节 发电、输电与安全用电 2触电方式 （1）接触正常带电体 1)电源中性点接地的单相触电(图4-22)。 这时

19、人体处于相电压之下，危险性较大。如果人体与地面的绝缘较好，危险性可以大大减小。 第五节 发电、输电与安全用电 2）电源中性点不接地的单相触电（图4-23） 这种触电也有危险。乍看起来，似乎电源中性点不接地时，不能构成电流通过人体的回路。其实不然，要考虑到导线与地面间的绝缘可能不良（对地绝缘电阻为），甚至有一相接地，在这种情况下人体中就有电流通过。在交流的情况下，导线与地面间存在的电容也可构成电流的通路。 第五节 发电、输电与安全用电 3）两相触电 最为危险，因为人体处于线电压之下，但这种情况不常见。（2）接触正常不带电的金属体 触电的另一种情形是接触正常不带电的部分。 譬如，电机的外壳本来是不

20、带电的，由于绕组绝缘损坏而与外壳相接触，使它也带电。人手触及带电的电机（或其他电气设备）外壳，相当于单相触电。大多数触电事故属于这一种。为了防止这种触电事故，对电气设备常采用保护接地和保护接零（接中性线）的保护装置。 第五节 发电、输电与安全用电 3 . 接地和接零 为了人身安全和电力系统工作的需要，要求电气设备采取接地措施。按接地目的的不同，主要可分为工作接地、保护接地和保护接零三种。 （1）工作接地 电力系统由于运行和安全的需要，常将中性点接地（图4-24）,这种接地方式称为工作接地。 第五节 发电、输电与安全用电 1）降低触电电压 在中性点不接地的系统中，当一相接地而人体触及另外两相之一

21、时，触电电压将为相电压的 倍，即为线电压。而在中性点接地的系统中，则在上述情况下，触电电压就降低到等于或接近相电压。 3 2）迅速切断故障设备 在中性点不接地的系统中，当一相接地时，接地电流很小(因为导线和地面间存在电容和绝缘电阻，也可构成电流的通路),不足以使保护装置动作而切断电源，接地故障不易被发现，将长时间持续下去，对人身不安全。而在中性点接地的系统中，一相接地后的接地电流较大（接近单相短路),保护装置迅速动作，断开故障点。 第五节 发电、输电与安全用电 3）降低电气设备对地的绝缘水平 在中性点不接地的系统中，一相接地时将使另外两相的对地电压升高到线电压。而在中性点接地的系统中，则接近于

22、相电压，故可降低电气设备和输电线的绝缘水平，节省投资。 但是，中性点不接地也有好处。 第一、一相接地往往是瞬时的，能自动消除，在中性点不接地的系统中，就不会跳闸而发生停电事故. 第二、一相接地故障可以允许短时存在，这样，以便寻找故障和修复。 （2）保护接地 保护接地就是将电气设备的金属外壳（正常情况下是不带电的）接地，宜用于中性点不接地的低压系统中。 第五节 发电、输电与安全用电 当电动机某一相绕组的绝缘损坏使外壳带电而外壳未接地的情况下，人体触及外壳，相当于单相触电。这时接地电流Ie（经过故障点流入地中的电流）的大小决定于人体电阻Rb和绝缘电阻R0 ，当系统的绝缘性能下降时，就有触电的危险。

23、 当电动机某一相绕组的绝缘损坏使外壳带电而外壳接地的情况下，人体触及外壳时，由于人体的电阻Rb与接地电阻R0并联，而通常Rb R0 ，所以通过人体的电流很小，不会有危险。这就是保护接地保证人身安全的作用。 第五节 发电、输电与安全用电 （3）保护接零 保护接零就是将电气设备的金属 外壳接到零线（或称中性线）上， 宜用于中性点接地的低压系统中。 图4-25b所示的是电动机的保护接零。 当电动机某一相绕组的绝缘损坏 而与外壳相接时，就形成单相短路， 迅速将这一相中的熔丝熔断，因而外壳便不再带电。即使在熔丝熔断前人体触及外壳时，也由于人体电阻远大于线路电阻，通过人体的电流也是极为微小的。 第五节 发

24、电、输电与安全用电 中性点接地的系统中不采用保护接地 因为采用保护接地时，当电气设备的绝缘损坏时，接地电流为： 式中，UP为系统的相电压； Rb 和R0分别为保护接地和工作接地的接地电阻。 如果系统电压为380/220V， R0 R0,则接地电流 第五节 发电、输电与安全用电 为了保护装置能可靠地动作，接地电流不应小于继电保护装置动作电流的1.5倍或熔丝额定电流的3倍。 因此27.5A的接地电流只能保证断开动作电流不超过27.5/1.5A=18A的继电保护装置或额定电流不超过27.5/3A=9.2A的熔丝。 如果电气设备容量较大，就得不到保护，接地电流长期存在，外壳也将长期带电，其对地电压为:如果UP220V， Rb R0=4 ,则Ue 110V。此电压对人体是不安全的 第五节 发电、输电与安全用电 （4）保护接零与重复接地 在中性点接地系统中，除采用保护接零外，还要采用重复接地，就是将零线相隔一定距离，多处进行接地(图4-26)。 1）如无重复接地，人体触及外壳，相当于单相触电，是有危险的（图4-22）。 2）如有重复接地，多处重复接地 的接地电阻并联，使外壳对地电压大大降低，减小了危险