《電工電子技術(shù)》課件-第4章

第4章三相交流電路4.1三相電路及負(fù)載的連接

4.2三相電的功率

4.3工程應(yīng)用

本章小結(jié)習(xí)題與思考題

工程應(yīng)用中大多數(shù)供配電系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)都采用三相交流電路。三相交流電路就是由三個(gè)頻率相同、幅值相等、相位上互差120°電角的正弦電動(dòng)勢組成的電路。這樣的三個(gè)電動(dòng)勢稱為三相對(duì)稱電動(dòng)勢。本章重點(diǎn)討論三相交流電的基本概念、三相電路及負(fù)載的連接與相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。4.1三相電路及負(fù)載的連接

4.1.1三相交流電動(dòng)勢的產(chǎn)生

如圖4-1所示，在三相交流發(fā)電機(jī)中，定子上嵌有三個(gè)具有相同匝數(shù)和尺寸的繞組AX、BY、CZ。其中A、B、C分別為三個(gè)繞組的首端，X、Y、Z分別為三個(gè)繞組的末端。繞組在空間的位置彼此相差120°。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場在空間按正弦規(guī)律分布、轉(zhuǎn)子恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，三相繞組中將感應(yīng)出三相正弦電動(dòng)勢eA、eB、eC，分別稱做A相電動(dòng)勢、B相電動(dòng)勢和C相電動(dòng)勢。它們的頻率相同，振幅相等，相位上互差120°電角。圖4-1三相發(fā)電機(jī)原理圖規(guī)定三相電動(dòng)勢的正方向是從繞組的末端指向首端。三相電動(dòng)勢的瞬時(shí)值為

eA=Emsinωt

eB=Emsin(ωt-120°)

eC=Emsin(ωt-240°)

其波形圖、矢量圖分別如圖4-2(a)、(b)所示。任一瞬時(shí)，三相對(duì)稱電動(dòng)勢之和為零，即

eA+eB+eC=0圖4-2三相對(duì)稱電動(dòng)勢的波形圖、矢量圖4.1.2三相電源的連接

三相發(fā)電機(jī)的三個(gè)繞組有兩種連接方式，一種叫星形(Y)接法，另一種叫三角形(△)接法。

1.三相電源的星形(Y)接法

若將電源的三個(gè)繞組末端X、Y、Z連在一點(diǎn)O，而將三個(gè)首端作為輸出端，如圖4-3所示，則這種連接方式稱為星形接法。在星形接法中，末端的連接點(diǎn)稱做中點(diǎn)，中點(diǎn)的引出線稱做中線(或零線)，三個(gè)繞組首端的引出線稱做端線或相線(俗稱火線)。這種從電源引出四根線的供電方式稱為三相四線制。圖4-3三相電源的星形接法在三相四線制中，端線與中線之間的電壓uA、uB、uC

稱為相電壓，它們的有效值用UA、UB、UC或U相表示。當(dāng)忽略電源內(nèi)阻抗時(shí)，UA=EA，UB=EB，UC=EC，且相位上互差120°電角，所以三相相電壓是對(duì)稱的。規(guī)定U相的正方向是從端線指向中線。在三相四線制中，任意兩根相線之間的電壓uAB、uBC、uCA稱做線電壓，其有效值用UAB、UBC、UCA或U線表示，規(guī)定正方向由腳標(biāo)字母的先后順序標(biāo)明。例如，線電壓UAB的正方向是由A指向B，書寫時(shí)順序不能顛倒，否則相位上相差180°。從接線圖4-3中可得出線電壓和相電壓之間的關(guān)系：或式中：U線——三相對(duì)稱電源線電壓；

U相——三相對(duì)稱電源相電壓。從矢量圖還可得出，三個(gè)線電壓在相位上互差120°，故線電壓也是對(duì)稱的。星形連接的三相電源，有時(shí)只引出三根端線，不引出中線，這種供電方式稱做三相三線制。它只能提供線電壓，主要在高壓輸電時(shí)采用。

例4-1已知三相交流電源的相電壓U相=220V，求線電壓U線。

解

由此可見，我們平日所用的220V電壓是指相電壓，即火線和中線之間的電壓；380V電壓是指火線和火線之間的電壓，即線電壓。所以，三相四線制供電方式可給我們提供兩種電壓。

2.三相電源的三角形(△)接法

除了星形連接以外，電源的三個(gè)繞組還可以連接成三角形，即把一相繞組的首端與另一相繞組的末端依次連接，再從三個(gè)接點(diǎn)處分別引出端線，如圖4-4所示。按這種接法，在三相繞組閉合回路中，有

eA+eB+eC=0所以回路中無環(huán)路電流。若有一相繞組首末端接錯(cuò)，則在三相繞組中將產(chǎn)生很大環(huán)流，致使發(fā)電機(jī)燒毀。發(fā)電機(jī)繞組很少用三角形接法，但作為三相電源用的三相變壓器繞組，星形和三角形兩種接法都會(huì)用到。圖4-4三相電源的三角形連接4.1.3三相負(fù)載的連接

1．單相負(fù)載和三相負(fù)載

用電器按其對(duì)供電電源的要求，可分為單相負(fù)載和三相負(fù)載。工作時(shí)只需單相電源供電的用電器稱為單相負(fù)載，例如照明燈、電視機(jī)、小功率電熱器、電冰箱等。需要三相電源供電才能正常工作的電器稱為三相負(fù)載，例如三相異步電動(dòng)機(jī)等。每相負(fù)載的電阻相等、電抗相等且性質(zhì)相同的三相負(fù)載稱為三相對(duì)稱負(fù)載，即ZA=ZB=ZC，RA=RB=RC，XA=XB=XC；否則稱為三相不對(duì)稱負(fù)載。三相負(fù)載的連接方式也有兩種，即星形連接和三角形連接。

2．三相負(fù)載的星形連接

三相負(fù)載的星形連接如圖4-5所示，每相負(fù)載的末端x、y、z接在一點(diǎn)O′，并與電源中線相連；負(fù)載的另外三個(gè)端點(diǎn)a、b、c分別和三根相線A、B、C相連。在星接的三相四線制中，把每相負(fù)載中的電流叫相電流I相，每根相線(火線)上的電流叫線電流I線。從如圖4-5所示的三相負(fù)載星形連接圖可以看出，三相負(fù)載星形連接時(shí)的特點(diǎn)是：

(1)各相負(fù)載承受的電壓為對(duì)稱電源的相電壓。

(2)線電流I線等于負(fù)載相電流I相。圖4-5三相負(fù)載的星形接法下面討論各相負(fù)載中電流、功率的計(jì)算。

1)三相不對(duì)稱負(fù)載的星形連接已知三相負(fù)載：則每相負(fù)載中的電流有效值為各相負(fù)載的電流和電壓的相位差為中線電流的有效值應(yīng)從三相電流的矢量和求得，即

I0=Ia+Ib+Ic

2)三相對(duì)稱負(fù)載的星形接法三相對(duì)稱負(fù)載為ZA=ZB=ZC=Z，且各相負(fù)載性質(zhì)相同。將三相對(duì)稱負(fù)載在三相對(duì)稱電源上作星形連接時(shí)，三個(gè)相電流對(duì)稱，中線電流為零，即

I0=Ia+Ib+Ic=0在這種情況下，中線存在與否對(duì)系統(tǒng)工作沒有影響。4.2三相電的功率

三相負(fù)載的功率等于三個(gè)單相負(fù)載的功率之和，即

P=Pa+Pb+Pc=UAIacosφa+UBIbcosφb+UCIccosφc

三相對(duì)稱負(fù)載的三相總功率為

P=3U相I相cosφ相在三相對(duì)稱負(fù)載的星形接法中，I線=I相，U線=

U相

在三相對(duì)稱負(fù)載的三角形接法中，Ｕ線=Ｕ相，Ｉ線=

Ｉ相所以三相負(fù)載的三相總功率還可寫成：式中：

U線——線電壓；

I線——線電流；

cosφ相——每相負(fù)載的功率因數(shù)。4.3工程應(yīng)用

4.3.1低壓配電線路器件輸配電線路日日夜夜地運(yùn)行著，為現(xiàn)代生活源源不斷地輸送并分配著綠色能源。而線路本身每時(shí)每刻都經(jīng)受著光、熱、化學(xué)氣體的腐蝕，以及一些外力和本身荷重的破壞，因此要求線路的材料、元件要優(yōu)良，結(jié)構(gòu)要合理，且應(yīng)符合“安全系數(shù)”標(biāo)準(zhǔn)。電網(wǎng)改造前，配電網(wǎng)架脆弱，事故較多，供電可靠性較差。電網(wǎng)改造后，作為基礎(chǔ)設(shè)施的配電網(wǎng)，由于采用了新材料、新設(shè)備、新技術(shù)和新工藝，并在標(biāo)準(zhǔn)上嚴(yán)要求，配電網(wǎng)的質(zhì)量得到很大的改善和提高，如10kV線路絕緣化、高壓設(shè)備無油化、智能化等。為了提高和保障供電質(zhì)量，不斷地提高配電技術(shù)，應(yīng)對(duì)配電線路元件、配電設(shè)備熟悉，更應(yīng)掌握，以便應(yīng)用。配電線路元器件主要有桿塔、導(dǎo)線、金具、絕緣子、拉線以及配電變壓器臺(tái)等。

1．桿塔

1)電桿電桿采用符合國標(biāo)GB4623—1994《環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土電桿》規(guī)定的定型產(chǎn)品圓形混凝土電桿。其中，低壓動(dòng)力的照明網(wǎng)桿架設(shè)的線路宜采用B-19-10電桿；照明線路采用B-15-8電桿；接戶宜采用B-15-7.5電桿；電壓10kV采用B-19-10及以上的電桿。

2)鐵塔

10kV及以下配電線路采用鐵塔的不多，當(dāng)線路配線回路較多，其荷重較大，或在線路轉(zhuǎn)角、分支處不便于組裝拉線或頂桿時(shí)，為了增加桿塔的撓度，增大承受荷重的能力和依靠桿塔自身平衡線路張力，可采用鐵塔。

2．導(dǎo)線

1)裸導(dǎo)線線路空間開闊，人口密度較小，環(huán)境能滿足架空線路運(yùn)行所需的電氣尺寸，便于施工、運(yùn)行維護(hù)的小城市和農(nóng)村，多數(shù)采用裸導(dǎo)線組裝架空線路；且以鋁代銅，采用LJ型、LGJ型鋁絞線，其散熱條件好，相對(duì)增大了載流能力。

2)新型裸鋁絞線

AERO—Z型裸鋁線系耐克森公司開發(fā)研制的新型裸導(dǎo)線，其材料為新型鋁合金。該型裸導(dǎo)線仍由多芯組成，單根導(dǎo)線間形成螺旋形凹槽，內(nèi)“Z”形線將多根導(dǎo)線繞成一個(gè)或多個(gè)同心圓導(dǎo)線層，形成一個(gè)完全密合的結(jié)構(gòu)且表面非常光滑，與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比表現(xiàn)出了十分突出的特性。

(1)導(dǎo)線表面非常光滑，內(nèi)部完全密合，導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)大大降低，減少了對(duì)桿塔的拉力。直徑相同的導(dǎo)線與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比，對(duì)桿塔的拉力最多可減少40％，從而提高了線路的安全系數(shù)。

(2)與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比，在直徑相同的情況下，可使用相同線夾。但由于其結(jié)構(gòu)完全密合，有效截面增大，其制造材料是特殊的鋁鋯合金、退火鋁，載流量可提高10％，導(dǎo)體截面利用率得到提高。

(3)由于完全密合，絞線間沒有空隙，降低了電暈效應(yīng)，線路損耗降低。另外，該型導(dǎo)線沒有內(nèi)部腐蝕，線路舞動(dòng)幾率降低，減振性能得到改善，適宜于輸配電線路，尤其是大跨度輸配電線路選用。

3)架空絕緣線路架空絕緣線路是一種很有發(fā)展前途的配電線路，在大中城市乃至人口密集的小城鎮(zhèn)不能敷設(shè)電纜線路，線路走廊又比較狹窄的地方，架空絕緣線路是很值得提倡的，可以按常規(guī)架空方式架設(shè)，適應(yīng)性較強(qiáng)，并有比較強(qiáng)的安全性。城網(wǎng)改造中，大多數(shù)架空線路被改造為架空絕緣線路，尤其將10kV配電線路改造為架空絕緣線路以后，增強(qiáng)了線路對(duì)地及相間的絕緣強(qiáng)度，裸導(dǎo)線使依靠絕緣子的單一絕緣變成了絕緣子和導(dǎo)線的雙重絕緣，徹底消除了鳥害以及懸掛物造成的短路事故。架空絕緣配電線路所采用的導(dǎo)線應(yīng)符合GB12527—1990、GB14049—1993的規(guī)定。

4)電力電纜電力電纜與架空電纜的不同之處是：架空電纜是無鎧電纜，只有絕緣介質(zhì)構(gòu)成的絕緣層和保護(hù)層，單位質(zhì)量較輕，適宜架空敷設(shè)，而電力電纜是有鎧電纜，不但芯線間有絕緣層，還有金屬鉛裝和高強(qiáng)度的絕緣外護(hù)套，具有較大的機(jī)械強(qiáng)度，適應(yīng)環(huán)境較寬，如空中、地下和水中。

5)電纜附件在使用電纜時(shí)，電纜附件是不可缺少的配件。電纜附件用來把電纜與設(shè)備連接起來，可延續(xù)電纜長度，構(gòu)成分支線路，使線路安全可靠，保障電纜的絕緣性能。其附件有電纜終端頭、中間接頭、分線箱以及絕緣材料，主要應(yīng)用在電纜線路的變壓器、開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜上。此外還有金具等設(shè)備，由于篇幅所限，在此就不一一列舉了。4.3.2低壓配電標(biāo)準(zhǔn)

電能是潔凈廉價(jià)的綠色能源，造福于人類，服務(wù)于社會(huì)，在人們的生活和工作中都離不開它。若要提高供電部門的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，則必須提高供電質(zhì)量，滿足負(fù)荷的需要，保證電壓質(zhì)量。

1．電壓質(zhì)量電壓質(zhì)量就是使電壓偏差、供電頻率、電壓閃變、波形畸變以及供電可靠性都達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

(1)電壓偏差。電壓偏差即最大負(fù)荷與最小負(fù)荷時(shí)，線路各點(diǎn)電壓變動(dòng)的偏差，一般以百分?jǐn)?shù)表示，即

(2)電壓和電流的波形畸變。我國乃至世界采用的交流電都是正弦波形。但是由于發(fā)電機(jī)的并解列、電網(wǎng)的故障運(yùn)行以及單相整流負(fù)荷的沖擊，都可能使電網(wǎng)產(chǎn)生諧波，從而影響正弦交流電的波形，破壞了電能的質(zhì)量，影響了其他負(fù)荷的正常運(yùn)行。結(jié)合我國電網(wǎng)的具體情況，我國制定了諧波的國家標(biāo)淮LB／T14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年7月31日發(fā)布，1994年3月1日起實(shí)施。

(3)電壓閃變。電壓閃變指用電負(fù)荷電流急劇變動(dòng)造成系統(tǒng)瞬時(shí)電壓降落超過允許值的現(xiàn)象。電壓閃變可使設(shè)備啟動(dòng)困難，照明燈的光通量急劇變化等。電壓閃變是由沖擊性負(fù)荷造成的，比如，電弧爐、軋鋼機(jī)、大型起重設(shè)備、弧焊機(jī)等。因此，對(duì)造成電壓閃變的沖擊性負(fù)荷應(yīng)采取有效措施加以控制。比如，單設(shè)專用的特殊電源變壓器，以適應(yīng)沖擊負(fù)荷的需要；對(duì)大型起動(dòng)設(shè)備采取軟控制等。

(4)供電頻率。我國電器設(shè)備的運(yùn)行頻率為50Hz，但由于發(fā)電機(jī)運(yùn)行、電網(wǎng)負(fù)荷等因素的影響，往往達(dá)不到理想頻率。

2．供電可靠性

供電可靠性是指正常的供電時(shí)間與故障的停電時(shí)間之比，應(yīng)對(duì)不同的負(fù)荷有不同的標(biāo)難。對(duì)于一旦停電將造成人員傷亡，造成經(jīng)濟(jì)損失的一類負(fù)荷，則應(yīng)確保經(jīng)常供電，如煤礦、醫(yī)院、軍工、科研及重要的重型自動(dòng)化程度比較高的工礦企業(yè)。對(duì)于這類負(fù)荷不允許停電。對(duì)一旦停電將造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，但采取措施可以避免的或減輕的稱為二類負(fù)荷。對(duì)于這類負(fù)荷應(yīng)采取措施停電。一旦停電不會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失、不影響生產(chǎn)的稱為三類負(fù)荷。面對(duì)改革開放的市場經(jīng)濟(jì)，電力由賣方市場轉(zhuǎn)變?yōu)橘I方市場，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高。一是需要更多的電量；二是要求高質(zhì)、高效不間斷供電。因此，加強(qiáng)供電可靠性管理，影響重大，意義深遠(yuǎn)。本章小結(jié)

(1)三相交流電路就是由三個(gè)頻率相同、最大值相等、相位上