低压配电教材概要

1第一章电工基础知识第一节直流电路一、直流电路的组成电路电路即导电的回路，如图1-1所示，由电源、负载、联接导线和控制设备等组成。电路的作用是：供电能的传输和分配、转换成其他形式的能量或电气信号的处理。1、电源电源是一种不断地把其它形式的能量转换为电能的装置。如电池是将化学能转换电能，而发电机是将热能，水能等能量转换为机械能再转换为电能。电源内部由于其它能量的作用而产生的电位差，称为电动势，用E表示，单位为V。电动势方向是从低电位指向高电位，直流电源的电动势是由负载指向正极。当电源与外电路接通时，电源的电动势维持电路中的电位差，外电路电流按照规定的电流方向从正极向负极流动，这样电源就维持着整个电路不断的工作。2、负载负载即用电设备，它的作用是将电能转换成其它形式的能。如电灯是将电能转换成热能，光能；电动机是将电能转换成机械能。3、导线与控制设备导线是用良导体组成，它的作用主要是将电源、负载、控制设备（包括保护设备）连接成整体，形成电路。电路中的控制设备（包括保护设备）是控制电路通断、防止电路过载、短路的设备，包括各种开关、接触器、熔断器、继电器等。4、电流电荷的由规则运动称为电流。电流强度是以单位时间内穿过导体截面的电量来表示，习惯上简称为电流。5、电压单位正电荷由高电位移向低电位时电场力对它所作用的功，称为电压。6、电动势单位正电荷由高电位移向低电位时非静电力对它所作用的功，称为电动势。图1-1电路的组成2二、电路定律欧姆定律欧姆定律是表示电路中电流I、电压U、电阻（负载）R三个物理量相互之间关系的定律，就外电路而言，其表达式为：I=U/R如果电路中电压不变，则电阻与电流呈反比关系，如果电阻不变，则电压和电流呈反比关系.。称为局部电路欧姆定律如果电路包含电源在内，由于电源本身也存在电阻，称为内阻，以r表示，如图1-2所示，在计算有源电路时应采用全电路欧姆定律。rREI当负载电流I通过电源时产生电压降Ir，这时负载端电压U=E－Ir，U＜E。空载时I＝0，Ir＝0，U=E，端电压等于电动势。一般情况下Ir＜＜R、因此Ir忽略不计，负载电压U等于电动势E。欧姆定律是分析、计算电路的一个基本定律。三、电阻的串并联电路1、电阻的串联电路将几个电阻依次首尾相连接起来，这种连接方式叫串联，如图1—3所示。电阻串联电路的性质：（1）流过各电阻的电流相同。（2）.电路的总电压等于各电阻上电压降之和。U=IR1+IR2+IR3=U1+U2+U3(3).电路总电阻R（等效电阻）等于各串联电阻之和。R=R1+R2+R3电路中串联电阻越多，则等效电阻越大，如果电压不变，则电流越小，所以串联电阻能起到限流作用。电动机的电阻启动器等就是利用这个作用原理。串联电阻另一个作用是分压作用，因为电流通过电阻会产生电压降。电阻分压器及多量程电压表就是利用这个作用原理。2、电阻的并联电路将几个电阻首与首、尾与尾接到电路的两个接点之间，这种接法称为并联连接，如图1图1—2全电路U1U2U3R3R2R1I图1—3多个电阻串联3—4所示。电阻并联电路的性质（1）各并联支路两端电压相等（2）电路内的总电流等于各支路电流之和。I=I1＋I2+I3（3）电路总电阻R（等效电阻）之倒数等于各并联电阻倒数之和。3211111RRRR也可以用电导来表示，即并联电路等效电导为各支路电导之和。G=G1+G2+G3如果两个电阻并联，其等效电阻为2121RRRRR在实际用电中并联电路最多。日常用电设备，如：电灯、电热器、电动机等，都是并联连接在电路中。从并联电路的特性还可以看出，并联电路能起分流作用四、电路的电功和电功率1、电功电流通过电灯会发光，电流通过电动机会带动机器转动，这些电能量的传递和转换都显示电流在做功。电流通过负载R所做的电功w,同加在负载两端的电压u、通过负载的电流I以及时间t成正比。用公式来表示：tRURtIUItW22电功的单位是J（焦耳）或W.s(瓦.秒)；电压的单位是V；电流的单位是A；时间的单位是s。工程上常用千瓦小时(或千瓦时)作为计算电功的实用单位,通常所说的1度电就是表示功率为1千瓦的电气设备使用1小时所消耗的电能.电功也叫电能.2、电功率电功率是电源在单位时间内所输送的电功(电能量),也是负载在单位时间所消耗的电功II3I2I1图1—4并联电路4(电能量)。在直流电路中,电源发出的电功率UIP负载消耗的电功率RURIUIP22五、电流热效应电流的热效应是指当电流流过导体时，导体会发热。这是导体中的电阻将电能转换成热能。电流通过导体时产生热量与电流的平方成正比、导体的电阻和通电的时间成正比。在1欧姆电阻的导体中通过1安培的电流每秒钟产生的热量为0.24K（卡）。用公式来表示RtIQ224.0根据欧姆定律，还可以变换成PtRUtRtIQ24.024.0224.02电流的热效应的原理在实际生活中被广泛的使用。如电加热器，电吹风等等，但它有不利的一面，即导线、电机发热一方面浪费电能，同时存在安全隐患。第二节交流电路交流电是一种最普通的电源，它在广泛应用于生产领域和日常生活中。一、正弦交流电基本定义大小、方向是随着时间变化而呈正弦规律变化的交流电为正弦交流电。正弦电是同期性的，当电经过一段时间T过，又重复前面的变化，周后复始循环往复，如图1—5所示。我们将完成一个循环所需要的时间称为周期(秒)；将用一秒种变化的周期数称为频率用t表示，频率的单位Hz（赫兹）。频率和周期的关系是倒数关系。即Tf1我国电力工业所用交流电的频率为50Hz称为工频。tiue,,HABCψ图1—5三相交流电示意图5二、正弦电的最大值、频率和相角由于交流电是随时间变化的，所以将某一瞬时的数值称为瞬时值。用小写字母e、u、i分别表示电势、电压、电流瞬时值。瞬时值中最大的数值叫最大值或蜂值用字母Em、Um、Im表示。电流瞬时值的表达式为)(ImtSini电角度(ωt+ψ)称为正弦交流电的相角或相位。当t＝0时的相角称为初相角，简称为初相。两个同频率正弦量的初相之差称为它们的相角差。相角差为零的两个正弦量，称为同相相角的每秒钟变化的弧度数称为角频率，以ω表示，有以下关系Tf122f——频率；T——周期。三、交流电的有效值交流电的大小时随时间变化的，因此瞬时值或最大值均不能反反映出交流电的真实效果。在实际应用中，采用有效值来表示交流电的大小。交流电有效值通常按以下方法确定：在两个完全相同的电阻中，分别通入直流和交流电源，经过相同的时间，如果它们产生的热量相同，那么就可以说交流和直流对电阻的做功是等效的，人们把直流电的数值叫做交流电的有效值。交流电的有效值常用大写字母来表示如电压U、电流I、电势E等。根据有效值的定义，通过数学运算可以证明正弦交流电的有效值是最大值的0.707倍。即I＝0.707ImU=0.707UmE=0.707Em有效值应用很普通，通常所说的交流电压、电流的数值以及仪表测量的数值都是指有效值。第三节三相正弦交流电路一、三相交流电势的产生三相交流电是由三相交流发电机产生的。三相交流发电机与单相交流发电机结构基本相同。所不同的是定子绕组不是一组，而是由三组完全相同且各自独立的绕组组成，每一绕6组叫做一相。三相绕组的首端分别是u、v、w，首端分布在定子中彼此相隔1200电角度的位置上（一对极为3600），末端分别为x、y、z，也彼此相隔1200电角度当发电机运转时，定子三相绕组切割磁场中呈正弦规律分布的磁通，从而在三相绕组中产生出三相正弦变电势，它们的相位差分别为1200，它们的瞬时值为eu=Emsinωtev=Emsin(ωt-1200)ew=Emsin(ωt-2400)=Emsin(ωt+1200)三相电势达到最大值的先后次序叫做相序，相序为u-v-w的称为正序。任意两相对调后则称为负序。如w-v-u。在电网中相序是用颜色表示，规定u相是黄色，v相是绿色，w相是红色，黄绿红表示正序。二、三相电源的接法三相电源的发电机或变压器都有三个绕组。三相绕组通常有两种接法，一种叫星形接法；一种叫三角形接法。1、电源的星形连接将三相绕组的末端x、y、z连接成为一节点，而始端u、v、w分别用导线引出连接负载，这种连接方式就叫星形连接或称Y连接，如图1—6。三相绕组末端练成的公共点叫做电源的中性点，简称中点，在电路中用0或N表示。有些电源从中性点引出一根导线，则这根导线被称为中星线或零线，当中性线接地时，也叫地线。从绕组始端引出的三根导线称为相线，通常也叫火线。有三根相线和一根零线组成的供电方式叫做三相四线制，常用于低压配电系统；不引出中性线，由三根相线供电称为三相三线制，多用于高压输电。在星形连接的电源中可以获得两种电压，一种叫相电压，一种叫线电压。在一般情况下三相电源是对称的，这时相电压的有效值是相等的可用U相表示。线电压为任意两相之间的电压，线电压的有效值用U线表示根据基尔霍夫电压定律可知，线电压为对应的相电压之差，即Uuv=Uu－UvUvw=Uv－UwzyxwvNu图1—6星形连接7Uwu=Uw－Uu根据上述关系作出向量图，有向量图可得到，相电压与线电压大小之间的关系为：302UuCosUuv，相位之间的关系为：Uuv的相位超前Uu300。同理可得：UvUvw3；UwUwu3。一般表达式为相线UU3。三相四线制低压电网得线电压为：相线UU3＝1.732×220＝380V。线电压380V是三相负载的电源，相电压220V是单相负载的电源。2、电源的三角形连接三相电源的绕组首尾依次相连构成闭合回路，再从三个连接点直接引出三根导线接负载，这种连接方式叫三角形连接，也用△连接表示，见图1—7。三角形连接的供电方式为三相三线制，三角形连接时线电压等于相电压，即U线＝U相根据三相电压的向量图，有向量图可知，三相线电压之和等于零，即Uuv+Uvw+Uwu＝0。同理电源三相电势之和也等于零，即Eu+Ev+Ew＝0这说明当发电机或变压器绕组连接成三角形时，在三个绕组构成的回路中总电势等于零，因此在回路中不产生环流。如果一相接反，则回路电势不再为零，此时，由于电源电阻抗很小，环流可能烧毁发电机。3、三相负载的连接电力系统的负载，按其对电源的要求可分为单相负载和三相负载。人们日常所用的照明等及大量的家用电器等都是单相负载；工厂企业用来拖动各种机械的三相电动机以及大功率的三相电炉等，均为三相负载。在三相负载中如各相负载的电阻和电抗都是分别相同，则称为三相对称负载。即Zu=Zv=ZwΨu=ψv=ψw(1)三相负载的星形连接三相负载的星形连接与电源的星形连接相似，即将三相负载L2L3zyxwvuL1图1—7三角形连接图1—8三相四线制8的末端连成节点，也叫中点用0表示，负载的首端分别与电源相接。如将电源的中性线与负载的中点连接，这就是三相四线制系统，见图1—8。已知各相负载的相电压，就可以计算出各相的相电流，相电流用I相表示。其有效值为：ZwUwIzZvUvIvZuUuIu;;各相负载的相电压与相电流之间的相位差为：RwXwtgwRvXvtgvRuXutgu111,,如果三相负载对称，这时三个相电流的有效值相等，各相的相电压、相电流之间的相位差也相同，都互差1200，因此三个相电流也是对称的，即相相相ZUIIwIvIu，RuXutgwvu1相在三相对称的情况下，先计算一相的电流，然后根据三相对称关系，写出其它的两相的电流。相电流是每相负载中流过的电流，工程上把流过端线的电流称为线电流，在星形接法的电路中，线电流有效值等于相电流有效值即I线＝I相。对于三相电路，如三相（电源、负载）对称，则三相电流的向量和等于零，中性线上没有电流通过，这样就可以不需要中性线。但如果三相负载不对称，则必须采用三相四线制系统，由中性线平衡三相不对称电流，以保持三相电压的对称。（2）三相负载三角形连接三相负载首尾依次相连，构成一闭合回路，再把三个连接点与电源相线连接起来，负载的这种连接方法称三角形连接，见图1—9。