《电工与电子技术》 课件 第5章 三相电路及安全用电

第5

章三相电路及安全用电5.1三相正弦交流电路5.2安全用电三相电路与安全用电

本章介绍三相交流电和安全用电，包括的三相交流电的产生、三相电源的接法及三相四线制供电，三相负载的Y

型和△型两种接法，线电压和相电压、线电流和相电流的关系。相关电流和电压的计算。在负载对称状态下计算平均功率。

安全用电的基本常识，包括安全电压、触电形式以及防止触电的各种方式。：：M3~：：：：第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路5.1.1三相电源

1.什么是三相交流电？

三相交流电是频率相同，相位彼此相差120°的正弦电压或电流的总称。三相交流电的波形如图5-1a

所示，其中红色为u1，作为参考量（初相位为0），黄色为u2（滞后120°），绿色为u3（超前120°）。相量图见图5-1b所示。瞬时表达式为相量表达式为b）三相交流电达到最大值的顺序称为相序，显然，三相电源的相序为1-2-3，称为正相序（或称正序或顺序）；与此相反（如2-1-3）为逆相序（或逆序、反序）正相序Um-Umu1u2u3图5-1

三相交流电a）三相波形b）相量图oωtu/Va）第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

2.三相交流电的产生三相交流电由三相发电机产生，三相发电机的定子磁铁中放着三个间隔120°的绕组（线圈），其首、尾端分别为U1、V1、W1

和U2、V2、W2，图5-2a为三相绕组，图5-2b为三相发电机的原理结构。当发电机的转子转动时，每相绕组依次切割磁场，产生正弦电动势，在三个绕组上产生幅值和频率相同，相位差为120°的三相对称正弦交流电，波形如图5-2c所示，其相序为：u2u1u3U1W1V1V2W2U2定子转子b）c）a）U1V1W1U2V2W2图5-2

三相交流电的产生a）三相绕组b）三相发电机结构c）三相波形第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

3.三相电源的连接

如果将三个绕组的末端

U2、V2、W2

连接，这一连接点称为中性点（中点）或零点，用

N表示。从三个绕组的始端

U1、V1、W1引出三根导线

L1、L2、L3，称为相线（或端线、火线）。这种方式称为星型（Y型）联结。如果从中点（N）引出导线，称为中线（零线），三根相线加一根中线，称为三相四线制，如图5-3所示。

每相始、末端间的电压，即每根相线与中线间的电压称为相电压，如u1~u3，其有效值分别用U1~U3表示，或用UP表示。

两相之间的电压称为线电压，如u12、u23、u23，其有效分别用U12、U23、U31表示，或用UL表示。相电压与线电压的关系为：结论：线电压的相位比对应的相电压超前,其幅值关系为：

Y

型联接三相电源的相量图如图5-4所示。L1L3L2N+++---u1u2u3+++---u12u23u31图5-3电源的Y

型联结（三相四线制）图5-4

Y

型连接的三相电源的相量图第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

【例5-1】三相交流电中，U1=220V，写出所有相电压、线电压的表达式，画出相量图。线电压表达式为解：相电压表达式为相电压与线电压的关系为三相电压之和相应的，三个线电压之和也为0图5-5

例5-1相量图相量图见图5-5所示。第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

5.1.2三相负载

在电源Y

型连接的三相四线系统中，可以提供两种电压：即380V的线电压和220V的相电压。220V的民用电是通过相线和中线（即火线和零线）之间得到，即单相电。工业生产多为380V，即三相电，如图5-6所示。L1L2L3NM3~图5-6

单相负载和三相负载单相负载（家用电器、电灯等小功率电器），构成不对称三相负载UP220V三相负载（大功率用电设备，如三相电动机），构成对称三相负载UL380V第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

1.三相负载的Y

型连接

将三相负载的三个首端分别连接到三相电源的三条火线上，而将三个末端连接在一起（），接三相电源的中线，称为三相负载的星型（Y型）连接，如图5-7所示。其中：三根相线上的电流称为线电流三相负载上的电流称为相电流在负载Y型连接时，各相的线电流等于负载对应的相电流因为电源相电压等于负载相电压，所以负载中每相电流为：+-+-+-L1L3L2N图5-7

负载Y接的相量模型图5-7所示为感性对称三相负载的相量图。图5-7负载Y

接的相量图电压超前电流-感性负载即：Y型联结的三相负载中，电源线电压等于负载相电压第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

【例5-2】

Y接的三相负载，接到UP=220V的

Y接三相电源上，如图5-8所示。各相阻抗相等：（1）求各相电流及中线电流解：因对称三相负载，所以计算一相电流，即可推算出其他两相电流。L1L2L3熔断器图5-8

例5-2电路

（2）如果某相（如Z1）短路，短路电流过大导致该相熔断器断路，对其他两相没有影响，仍为220V。

但如果某相（如Z1）短路导致中线断路，如图5-9a所示。则Z2和Z3上的电压均为380V，超过额定值，不允许。

（3）如果某相（如Z1）断路，对其他两相没有影响，仍为220V。但如果同时中线也同时断路，如图5-9b所示。这种情况下已成为单相电路，即Z2和Z3串联在380V的线电压上，如果阻抗上的分压超过额定值也是不允许的。380V380V图5-9

例5-2中一相短路或断路的情况a）一相短路且中线断路b）一相断路且中线断路L1L2中线断路L3a）L2中线断路Z1断路L1380Vb）第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

【例5-3】某三相负载相量模型如图5-10所示，接到线电压为380V的三相电源上，求各相的线电流、相电流和中线电流。图5-10例5-3

电路图L1L3L2N解：负载

Y接，其相电压为各相阻抗为各相阻抗不相等，即不对称负载，需分别计算电流中线电流：相量图见图5-11所示。图5-11例5-3相量图第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

【例5-4】Y

型连接的三相负载，接到线电压为380V的三相电源上，接阻抗对称的三相电动机，每相阻抗Z=（30+j20）Ω，另外其中L1和L3各接10个100W灯泡，L2相接20个100W灯泡，如图5-12所示。求各相的电流和中线电流。解：负载

Y接，其相电压为220V10个100W灯泡的并联电阻为：20个100W灯泡的并联电阻为：电动机阻抗为：图5-12

例5-4电路图L1L2L3N：：M3~：：：：各相电动机电流为各相灯泡电流为各相总电流及中线电流为第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

2.三相负载的△型连接

将三相负载彼此首尾相接，三个联接点分别接三相电源的三条火线，这种联接称为三角形联结，简称角接（△接）。图5-13为负载△接的相量模型。

L1L3L2图5-13

负载△接的相量模型

图中，电源线电压等于负载相电压，即:+UL-+UP-各相负载的相电流为：

如果负载对称，即:各相的线电流为图5-14

负载△接的相量图线电流相电流，相量图见图5-14所示。负载△接时线电流和相电流的关系为第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

5.1.3三相功率三相负载上的总功率等于各相功率之和，即对于对称负载，各相功率相等，总功率为各相功率的3倍。当负载Y

时：当负载△

时：所以，无论负载是Y接还是

△

，其功率均为

【例5-5】图5-6所示（例5-2）Y连接的三相电动机，计算其有功功率

P、无功功率

Q和视在功率

S

。

解：例5-2已求出

所以，线电压、线电流及三相功率为图5-15致命电流、人体电阻与安全电压第5章|

三相电路与安全用电5.1三相正弦交流电路

5.2.1安全用电概述实际的安全电压规定为：1.电流对人体的伤害

电流通过人体，可能造成对人体的伤害。伤害程度与电流的大小、电流流经人体的路径、持续的时间、电流的频率以及人体状况等因素有关。人体可以忍耐的交流电流为30mA，致命的交流电流为50mA。致命电流≥50mA2.人体的电阻

在人体皮肤干燥完好的情况下，人体电阻可达（104~105）Ω

；但在皮肤潮湿、出汗、有外伤的情况下，人体电阻会显著下降至（800～1000）Ω

。人体电阻≥1000Ω3.人体安全电压

人体致命电流（50mA）乘以人体最低电阻（1000Ω），即得到最大的安全电压，即：安全电压36V致命电流、人体电阻与安全电压见图5-15所示。第5章|

三相电路与安全用电5.2安全用电

5.2.2触电形式如果人体不同部位存在电位差，电流通过人体导致触电，人体触电有以下几种形式。1.两相触电当人体的不同部位（如双手）接触三相电中任意两根相线，或相线与中线，电压高达380V或220V，远远超过安全电压，属于两相触电，如图5-16所示。2.单相触电

人体的某一部位触及一根相线或与相线相接的其他带电体上（漏电的电器外壳）就形成单相触电。单相触电的危险程度与电源中性点接地有关，如图5-17为中性点接地的情况，其中：图5-16两相触电触电电流单相触电时流过人体的电流为：要减小触电电流，就要增大电阻，人体保持干燥可以增大Rh，穿绝缘鞋可以增大与地面接触的电阻RI，都是防止触电事故的有效办法。图5-17中性点接地的单相触电L1L2L3中性点接地触电电流第5章|

三相电路与安全用电5.2安全用电

在单相触电中，如果是中性点不接地，如图5-18所示。其中：触电时，通过人体的电流取决于人体电阻和输电线对地绝缘阻抗的大小，另外交流情况下，导体与地面的等效电容也可能构成回路。

如果绝缘阻抗

Zj

足够大，输电线对地电容不够大，则触电危险较小。反之存在触电危险。

更多的情况是用电设备绝缘损坏，导致外壳带电，也属于单相触电。

3.跨步触电当高压输电线断线落地时，有强大电流流入大地，在离接地点距离不同两处会产生电压降，称为跨步电压，如图5-19所示。

当接近落地点时，两脚因距落地点距离不同而承受跨步电压，导致触电，跨步电压的大小与人和接地点距离，两脚之间的跨距，接地电流大小等因素有关。

若双脚跨步以0.8m计，则在10kV高压线接地点20m以外，380V火线接地点5m以外才是安全的。如误入危险区域，应双脚并拢或单脚跳离危险区，以免发生触电伤害触电电流跨步电压高压线脱落图5-19高压线脱落引起的跨步触电图5-18中性点不接地的单相触电L1L2L3中性点不接地绝缘电阻触电电流第5章|

三相电路与安全用电5.2安全用电

5.2.3触电急救及防护措施1.触电急救

首要措施是迅速切断电源。或让触电者尽快脱离电源，救护人员应持绝缘物体，脚踩绝缘物将触电者与带电体分离。千万不要随手直接接触触电者身体，以免自己也同样触电。

其次是检查触电者的受伤情况，当触电者有电伤出血等情况，但神志清楚、呼吸正常，可就地采取止血、包扎措施后，送医院治疗。如果触电者处于昏迷、虚脱、呼吸困难或假死等严重症状时，则有生命危险，应马上通知医生前来抢救，同时应立即就地对遇难者施行人工呼吸和心脏按摩（挤压）急救措施。2.防护措施加强用电管理和安全教育，制定安全操作规程和电气设备的定期保养、维护制度。对高压系统应设围栏，挂明显的警告牌，非工作人员不得接近。工作人员对高压系统操作时需持有操作票，并有监护人员进行安全监护。严禁带电操作。如必须带电操作时，应采取必要的安全措施，正确使用安全工具。

（见图5-20所示）对电器设备应采取保护接地、保护接零及安装漏电保护器等措施（见下一节）。图5-20安全防护措施L3触短路熔断第5章|

三相电路与安全用电5.2安全用电

5.2.4保护接地与保护接零

正常情况下，一般电器设备（如电动机、家用电器等）的金属外壳是不带电的，但由于绝缘遭受破坏或老化失效会导致外壳带电，如图5-21所示。这种情况下，人触及外壳就会触电。接地与接零技术是防止这类事故发生的有效保护措施。1.工作接地

在三相四线制供电系统中，中性线连同变电所的变压器的外壳直接接地，称为工作接地，如图5-12所示。当某一相（L3）对地发生短路故障时，短路电流将其熔断器（FU）熔断，而其他两相仍能正常供电，这对于照明电路非常重要，保证了人身的安全和整个低压系统工作的可靠性。图5-21用电设备外壳带电图5-22中性点接地的单相触电L1L2L3NFU中性点接地绝缘损坏外壳带电第5章|

三相电路与安全用电5.2安全用电

2.保护接零

在有工作接地的三相四线制低压供电系统中，将用电设备的金属外壳与中性线（零线）可靠地连接起来，称为保护接零，如图5-23所示。3.保护接地

在中性点不接地的三相三线制供电系统中，将电气设备的外壳可靠地用金属导体与大地相连，称为保护接地，如图5-24所示。图5-23

保护接零L1L2L3NFU

如果由于绝缘破损使某一相电源与设备外壳相连，将会发生该相电源短路，使熔断器等保护电器动作，保护了人身触及外壳时的安全。但是，如果三相负载不平衡，中性线上将有电流通过，存在中性线电压，给人以不安全感。

保护接零适用对称负载，接在有工作接地的三相四线制低压供电系统中。图5-24保护接地L1L2L3FU外壳接零线外壳接地第5章|

三相电路与安全用电5