电工技术应用 项目8 三相配电箱的安装与检修

宁乡市职业中专学校精品系列课程《电工技术应用》项目8三相配电箱的安装与检修主讲：戴文

配电箱是按电气接线要求将开关设备、测量仪表、保护电器和辅助设备组装在封闭或半封闭金属柜中或屏幅上，构成低压配电装置。正常运行时可借助手动或自动开关接通或分断电路。故障或不正常运行时借助保护电器切断电路或报警。借测量仪表可显示运行中的各种参数，还可对某些电气参数进行调整，对偏离正常工作状态进行提示或发出信号。常用于各发、配、变电所中。本项目以三相配电箱的设计和制作为目标，重点介绍三相交流电源、三相负载的连接、三相电路的功率、漏电断路器、三相电能表和三相配电箱的制作。8.1项目描述8.2知识准备8.2.1三相交流电源任务导引三相交流电较单相交流电在发电、输配电以及电能转换成机械能等方面都有明显的优越性，我国目前大多采用三相四线制低压供电系统。那么，三相交流电源是如何产生的？三相四线制低压供电系统有什么特点？8.2知识准备8.2.1三相交流电源一、三相交流电动势的产生三相交流电动势是由三相交流发电机产生的它的主要组成部分是定子和转子。转子是转动的磁极，定子是在铁心槽上放置三个几何尺寸与匝数相同的线圈（称做定子绕组），它们在空间位置上彼此相差1200，分别用U1－U2、V1－V2、W1－W2表示。8.2知识准备8.2.1三相交流电源当原动机（汽轮机、水轮机）带动转子顺时针以角速度ω匀速旋转，就相当于每相绕组以角速度ω逆时针匀速旋转，作切割磁力线运动，因而产生感应电动势eU、eV、eW。以eU为参考正弦量，则三相电动势的瞬时表达式为

8.2知识准备8.2.1三相交流电源

三相电动势随时间按正弦规律变化，它们到达最大值（或零值）的先后顺序，叫做相序。从图中可以看出，eU超前eV达最大值，eV又超前eW达最大值，这种U-V-W-U的顺序叫正序，若相序为U-W-V-U，则叫负序。8.2知识准备8.2.1三相交流电源做中学、做中教用试电笔对三相四线制电源的相线和中线进行判别。用万用表交流500V电压档对三相四线制电源的相线间电压、相线与中线间电压进行测量，记录好读数。通过测试，试电笔接触相线氖泡发光，接触中线氖泡不发光。万用表测得相线间交流电压为380V，相线对中线交流电压为220V。结果8.2知识准备8.2.1三相交流电源在低压供电系统中常采用三相四线制供电，把三相绕组的末端U2、V2、W2联结成一个公共端点，叫做中性点（零点），用N表示。从中性点引出的导线叫做中性线（零线），用黑色或白色表示。从线圈的首端U1、V1、W1引出的三根导线又叫做相线（俗称火线），分别用黄、绿、红三种颜色表示。这种供电系统称作三相四线制，用符号“Y”表示。二、三相四线制电源8.2知识准备8.2.1三相交流电源三相四线制供电系统可输送两种电压，即相电压与线电压。各相线与中性线之间的电压叫做相电压，分别用UU、UV、UW表示其有效值。各相电压间的相位差是120°，因此三个相电压也是相互对称的。相线与相线之间的电压叫做线电压，用UUV、UVW、UWU表示其有效值。它们与相电压之间的关系为：二、三相四线制电源8.2知识准备8.2.1三相交流电源根据相量图可得出：二、三相四线制电源一般线电压UL用表示，相电压用UP表示，线电压与相电压之间的数量关系可以写成可知：1.对称三相电动势有效值相等，频率相同，各相之间的相位差为1200。2.三相四线制电源的相电压和线电压都是对称的。3.线电压是相电压的倍，线电压的相位超前相应的相电压300。通常所说的380V、220V电压，就是指三相四制线电源的线电压和相电压的有效值。8.2知识准备8.2.1三相交流电源二、三相四线制电源负载分为单相负载和三相负载。单相负载是指只需要单相电源供电的设备。三相负载是指需要三相电源供电的设备，三相负载按连接方式不同，可分为星形（Y）和三角形（△）两种联结方式，这两种联结方式是如何连接？它们的电压和电流又如何计算？8.2知识准备8.2.2三相负载的连接任务导引1.联结方式把各相负载的末端联在一起接到三相电源的中线上，把各相负载的首端分别接到三相交流电源的三根相线上，这种连接的方法叫做三相负载有中线的星形接法，用Y表示。8.2知识准备8.2.2三相负载的连接一、三相负载的星形联结负载作星形联结并具有中线时，每相负载两端的电压叫做负载的相电压，用UYP表示2.电路的计算在三相交流电路中，负载作星形联结，流过每一相负载的电流叫做相电流，一般用IYP表示。流过每根相线的电流叫做线电流，分别用IYL来表示。在对称三相电压作用下，流过对称三相负载的各相电流也是对称的，相位互差1200，大小计算为8.2知识准备8.2.2三相负载的连接由基尔霍夫第一定律可知，流过中线的电流为8.2知识准备8.2.2三相负载的连接作出对称三相负载的相电流的相量图。根据上式求出三个线电流相量的和为对称三相负载作星形联结时的中线电流为零。在这种情况下去掉中线也不影响三相电路的正常工作，为此常常采用三相三线制电路。应当指出，在三相负载的星形联结中，无论有无中线，由于每相的负载都串在相线上，相线和负载通过的是同一个电流，所以各相电流等于各线电流，即8.2知识准备8.2.2三相负载的连接8.2知识准备8.2.2三相负载的连接【例8－1】星形联结的对称三相负载，每相的电阻R＝24欧，感抗XL＝32欧，接到线电压UL＝380V的三相电源上。求相电压UP、相电流IP及线电流IL。解：对称三相负载作星形联结，每相负载两端的电压等于电源的相电压，即每相负载的阻抗为则相电流为则线电流为8.2知识准备8.2.2三相负载的连接把额定电压为220V，功率分别为100W、60W和40W的三个灯泡作星形联结然后接到三相四线制的电源上。分下列几种情况进行实验：①开关SN、SU、SV和SW均闭合；②SU、SV和SW中任意一个或两个开关断开；③断开开关SW，再断开中线开关SN。做中学、做中教8.2知识准备8.2.2三相负载的连接第①和②情况每个灯泡都能正常发光。而第③种情况40W的灯泡反比100W的灯泡亮得多。实验现象：为什么会出现这种情况呢？z8.2知识准备8.2.2三相负载的连接因为第①和②种情况中线没有断开，处在通路状态下的灯泡两端的电压是相电压，所以灯泡正常发光。第③种情况是断开开关SW，还断开中线开关SN，中性线断开后，两个灯泡（40W和100W的灯泡）串联起来以后接到了两根相线上。又由于100W的灯泡的电阻比40W的灯泡的电阻小，由串联分压可知100W灯泡两端电压约为110V，40W灯泡两端电压约为270V。因此，100W的灯泡实际吸收的功率小于40W，反而较暗。40W的灯泡两端的电压大于220V，会发出更强的光，灯泡两端电压已经超过额定电压还可能将灯泡烧毁。8.2知识准备8.2.2三相负载的连接可见，对于不对称星形负载的三相电路，必须采用带中性线的三相四线制电源供电。若无中性线，可能使某一相电压过低，该相用电设备不能正常工作；某一线电压过高，烧毁该相用电设备。而三相负载在很多情况下是不对称的。因此，中性线对于电路的正常工作及安全是非常重要的，它可以保证不对称三相负载电压的对称，防止发生事故。在三相四线制中规定，中性线不许安装熔断器和开关。通常还要把中性线接地，使它与大地电位相同，以保障安全。8.2知识准备8.2.2三相负载的连接【例8－2】在如图8-9所示的三相照明电路中，各相的电阻分别为RU＝30欧，RV＝30欧，RW＝10欧，将它们联结成星形接到线电压为380V的三相四线制电路中，各灯泡的额定电压为220V。试求：(1)各相电流、线电流和中性线电流；(2)若中性线因故障断开，U相灯全部关闭，V、W两相灯全部工作，V相和W相电流多大？会出现什么情况？8.2知识准备8.2.2三相负载的连接解：（1）每相负载所承受的相电压为U相和V相的电阻相等，相电流也相等，相电流为W相的相电流为由于线电流等于相电流，则线电流为由于照明电路是电阻性电路，各相电流与对应的相电压的相位相同，作相量图，可得8.2知识准备8.2.2三相负载的连接（2）中性线断开并且断开U相的电路。V、W两相流过的电流为V、W两相的电压分别为由于V相的灯泡两端电压超过了灯泡的额定工作电压，灯泡将会烧毁。W相灯泡两端电压低于灯泡的额定电压，灯泡不能正常工作。当V相灯泡烧毁后(开路)，W相也处于断路状态。1.联结方式把三相负载分别接到三相交流电源的每两根相线之间，负载的这种联结方法叫做三角形联结，用符号“△”表示。8.2知识准备8.2.2三相负载的连接二、三相负载的三角形联结三角形联结中的各相负载全都接在了两根相线之间，因此电源的线电压等于负载两端的电压，即负载的相电压，则2.电路的计算对于负载作三角形联结的三相电路中的每一相负载来说，都是单相交流电路。各相电流和电压之间的数量与相位关系和单相交流电路相同。在对称三相电源的作用下，流过对称负载的各相电流也是对称的。应用单相交流电路的计算关系，可知各相电流有效值为8.2知识准备8.2.2三相负载的连接由基尔霍夫第一定律可知，可以求出线电流与相电流之间的关系为8.2知识准备8.2.2三相负载的连接根据相量图可得同理可求出当对称三相负载作三角形联结时，线电流的大小为相电流的倍，而且各线电流在相位上比各相应的相电流滞后300。8.2知识准备8.2.2三相负载的连接【例8－3】有三个100Ω的电阻，将它们联结成星形或三角形，分别将它们接到线电压为380V的对称三相电源上。试求：线电压、相电压、线电流和相电流各是多少。解：(1)负载作星形联结，负载的线电压为负载的相电压负载的线电流等于相电流8.2知识准备8.2.2三相负载的连接（2）负载作三角形联结，负载的线电压为负载的相电压等于线电压，即负载的相电流为负载的线电流为通过上面的计算可知，在同一个对称三相电源的作用下，对称负载作三角形联结的线电流是负载作星形联结时的线电流的3倍。电动系单相有功功率表可以测量单相电路的有功功率，如何用它来测量三相对称电路的有功功率？三相不对称电路的有功功率又是如何测量的呢？左图为三相有功功率表。8.2知识准备8.2.3三相电路的功率任务导引在三相交流电路中，不论负载采取星形联结的方式，还是采取三角形联结的方式，三相负载消耗的总功率等于各相负载消耗的功率之和。8.2知识准备8.2.3三相电路的功率当三相负载对称时，各相有功功率相等，则总有功功率为一相有功功率的3倍，即在实际工作中，测量线电压、线电流比较方便，三相电路的总功率常用线电压和线电流来表示。对称负载不论作星形联结还是三角形联结，总有功功率也可表述为使用时，应注意：1.负载为星形或三角形联结时，线电压是相同的，线电流是不相等的。三角形联结时的线电流是星形联结时线电流的3倍。2.仍然是相电压与相电流的相位差，而不是线电压与线电流的相位差。也就是说，功率因数是指每相负载的功率因数。8.2知识准备8.2.3三相电路的功率应用上面的方法，可以推出对称三相电路的无功功率和视在功率为：三者间的关系为：8.2知识准备8.2.3三相电路的功率【例8－4】有一个对称三相负载，每相的电阻R=6欧，电抗X=8欧，UL=380V，试计算负载星形联结和三角形联结时的有功功率。解：每相负载的阻抗为各相负载的功率因数为当负载星形联结时有当负载三角形联结时有观看三相配电箱图片，箱内有哪些器件？各器件有些什么作用？8.2知识准备8.2.4三相配电箱元器件任务导引

低压断路器(曾称自动开关)是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。低压断路器在电路中除起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。8.2知识准备8.2.4三相配电箱元器件一、低压断路器

1.低压断路器的基本结构（1）主触点及灭弧装置主触点是断路器的执行元件，用来接通和分断主电路，主触点上装有灭弧装置。8.2知识准备8.2.4三相配电箱元器件（2）脱扣器脱扣器是断路器的感受元件，当电路出现故障时，脱扣器感测到故障信号后，经自由脱扣器使断路器主触点分断。按脱扣器接受故障不同，有如下几种脱扣器：分励脱扣器：用于远距离使断路器断开电路的脱扣器。其实质是一个电磁铁，由控制电源供电，可以按照操作人员的命令或继电保护信号使电磁铁线圈通电，衔铁动作，使断路器切断电源。

欠电压、失电压脱扣器：这是一个具有电压线圈的电磁机构，其线圈并接在主电路中。当主电路电压消失或降至一定值以下时，电磁吸力不足以继续吸持衔铁，在反力作用下，衔铁的顶板推动自由脱扣机构，断路器主触点断开，实现欠电压与失电压保护。8.2知识准备8.2.4三相配电箱元器件过电流脱扣器：其实质是一个电流线圈的电磁机构。电磁线圈串接在主电路中，当正常电流通过时，产生的电磁吸力不足以克服反力，衔铁不被吸合。但当电路出现瞬时过电流或短路电流时，吸力大于反力，使衔铁吸合并带动自由脱扣机构使断路器主触点断开，实现过电流与短路电流保护。

（3）自由脱扣机构和操作机构自由脱扣机构是用来联系操作机构与主触点的机构，当操作机构处于闭合位置时可操作分励脱扣器进行脱扣，将主触点断开。8.2知识准备8.2.4三相配电箱元器件过载脱扣器：该脱扣器由双金属片制成，将双金属片加热元件串接在主电路中，电流正常时，双金属片温度正常不弯曲，当电流过大时，双金属片温度升高，受热弯曲带动自由脱扣机构，使断路器主触点断开，实现长期过载保护。

8.2知识准备8.2.4三相配电箱元器件2.低压断路器的工作原理三个主触点串接于三相电路中，经操作机构将其闭合。此时传动杆3由锁扣4钩住，保持主触点的闭合状态，同时分闸弹簧1已被拉伸。当主电路出现过电流故障且达到过电流脱扣器的动作电流时，过电流脱扣器6的衔铁吸合，顶杆向上将锁扣4顶开，在分闸弹簧1的作用下使主触点断开。当主电路出现欠压、失压或过载时，则欠压、失压脱扣器及过载脱扣器分别将锁扣顶开，使主触点断开。分励脱扣器9可由主电路或其他控制电源供电，由操作人员发出指令或断电保护信号使分励线圈通电，其衔铁吸合，使锁扣顶开，在分闸弹簧作用下使主触点断开，同时也使分励线圈断电。

漏电断路器在正常情况下，除了具有与低压断路器相同作用外，还有漏电保护的功能。电路中漏电电流超过预定值时能自动动作的开关。8.2知识准备8.2.4三相配电箱元器件二、漏电断路器

常用的漏电断路器分为电压型和电流型两类，而电流型又分为电磁型和电子型两种，电压型漏电断路器用于变压器中性点不接地的低压电网。其特点是当人身触电时，零线对地出现一个比较高的电压，引起继电器动作，电源开关跳闸。电流型漏电断路器主要用于变压器中性点接地的低压配电系统。其特点是当人身触电时，由零序电流互感器检测出一个漏电电流，使继电器动作，电源开关断开。8.2知识准备8.2.4三相配电箱元器件电磁式电流动作型漏电脱扣器由衔铁、线圈、铁心、永久磁铁、分磁板、拉力弹簧和铁轭组成。使用时漏电脱扣器的线圈与零序电流互感器二次绕组相接，用来反映有无漏电电流。

当电网正常运行时，不论三相负载是否平衡，通过零序电流互感器主电路的三相电流的相量和等于零，故其二次绕组中无感应电动势产生，漏电断路器的衔铁被永久磁铁的磁通所产生的吸力吸住，拉力弹簧被拉紧，漏电断路器工作于闭合状态。当出现漏电或触电事故时，漏电或触电电流通过大地回到电源配电变压器的中性点，使三相电流的相量和不再等于零，零序电流互感器二次绕组中便产生了相对应于漏电电流的感应电压，加在漏电脱扣器线