电工与电子技术基础第4章三相供电电路及安全用电电子

《电工与电子技术基础（第2版）》电子教案主编刘莲青王连起中等职业学校教学用书（电子技术专业）第4章三相供电电路及安全用电4.1对称三相电源4.2三相电路的供电方式4.3对称三相电路的分析4.4三相电路的功率4.5触电事故与触电防护4.6电器的防火与防爆4.7Y型和Δ型联接电路实验本章小结4.1对称三相电源4.1.1对称三相电压4.1.2三相电源的联接方式由三相电源和三相负载构成的电路，称为三相电路。三相交流电应用广泛,日常的生产和生活用电几乎都来自电力部门提供的三相交流电源。目前我国低压供电标准采用频率50Hz，电压380/220V和三相四线制的供电方式。三相交流电被输送到工矿企业和居民小区。380V三相电源可直接三相电动机工矿企业的生产动力，所以称三相交流电为动力电；而在居民小区，三相电被分成三个单相220V交流电，分别送到千家万户供照明和家用电器使用，因此单相电又称做照明电或民用电。这里介绍三相电源和三相负载的连接以及三相交流电的功率。4.1.1对称三相电压对称三相电压由三相交流发电机产生，是三个频率相同，幅值相等，相位依次相差120°的一组正弦电压。一般令A相初相为零，B相滞后A相120°，C相滞后B相120°。瞬时值表达式为)120sin(2)()120sin(2)(sin2)(oPCoPBPAtUtutUtutUtu＋－＋－＋－UA.UB.UC.ABCXYZ式中Up为相电压的有效值。三相电压的波形图、相量图。UC.UA.UB.(b)UC.UA.UB.(c)0ttTuCuBuAuT32T3(a)在三相电压对称的条件下有0...CBAUUU三相电压对称的必要条件。三相电压依次通过最大值的顺序叫相序，工程中习惯用黄、绿、红表示A、B、C三相。4.1.2三相电源的联接１.三相电源的Y形连接(1)连接方式图(a)是三相电源的Y形连接方式，图(b)是相量图。三相电源的Ｙ形连接供电时，有三相四线制和三相三线制。＋－UA.AXZUAB.NAUCA.BCCUBC.Y＋－UC.－＋UB.B(a)(b)30°UBC.UB.UA.UC.UCA.30°30°－UB.－UC.UAB.－UA.UAB.UCA.UBC.UA.UC.UB.(2)相电压A、B、C三相电源电压。(3)线电压A、B、C输电线之间的电压，为对应的相电压之差。在三相对称电路中有２.(1)连接方式将三个电压源的首、末端顺次序相连，再从三个连接点引出三根端线Ａ、Ｂ、Ｃ。这样就构成△形连接，如图(a)所示。UA.AXZUAB.AUCA.BCCUBC.Y＋－UC.－＋UB.B(a)＋－(b)UBC.UAB.UB.UA.UCA.UC.(2)相电压与线电压线电压与相电压相等。UAB=UA，UBC=UB，UCA=UC......4.2三相电路的供电方式tQ4.2.1Y-Y联接的三相电路4.2.2Δ-Δ联接的三相电路三相电路中的负载也有星形联接和三角形联接两种接法，当A、B、C三相的负载阻抗相等时称为对称三相负载。由对称三相电源和对称三相负载构成对称三相供电电路。根据电源与负载的星形或三角形接法的组合，三相供电电路有多种结构。4.2.1Y-Y联接的三相电路1.三相三线制电源与负载都接成星形，由三条线路将其联接，即构成Y-Y联接，如图示。由于电源与负载之间经三条输电线相联，故称三相三线制。2.三相四线制如果用一条中线把电源的中性点N与负载的中性点N‘相联，就构成三相四线制，即Y0—Y0联接，如图示。一般高压输电线路都采用三相三线制，而低压供电线路采用三相四线制。三相负载星形联接时，各相负载的电压为相电压，流经各相负载的电流称为相电流；流过线路的电流、叫线电流。显然星形联接时，线电流等于相电流。电路接有中线时，由基尔霍夫电流定律可知中线电流为若三相电流对称，则中线电流为零，因此可以将中线去掉，变为三相三线制，对电路并无影响。Y0—Y0联接的三相电路有两种电压，线路之间的电压为线电压，线路对中线的电压为相电压。工业与民用的三相四线制供电线路，其线电压为380V，相电压为220V。CBANIIII....4.2.2Δ-Δ联接的三相电路电源与负载都联接成三角形，用三条线路将其相联，即构成—联接的三相三线制电路，如图示。每相负载的相电压等于线电压；流过负载的电流为相电流，分别用IAB、IBC、ICA表示。由基尔霍夫电流定律可知各相的线电流为对应的相电流之差，在三相电路对称的情况下，由图示相量图的分析可得线电流与相电流有效值关系CACACBCBCBABABAIcosIIIcosIIIcosII330233023302在三相电路对称的情况下，三角形联接时，线电流是相电流的√3倍，即IL=√3IP。由相量图可看出，三个线电流之间的相位差仍为120，它们比三个相电流各滞后30。若相电流对称，则线电流也一定对称，线电流的相量图构成等边三角形,如图示。4.3对称三相电路的分析4.3.1负载Y联接4.3.2负载Δ联接三相电路是多电源的正弦交流电路，仍然可以用正弦电路的分析方法对其进行计算。在对称三相电路中，各相的电压、电流之间都存在固定的关系，只要求得一相，由对称关系即可得到其它两相。对称三相电路的条件是三相电源对称和三相负载对称，三相负载对称条件是RA=RB=RC=R，XA=XB=XC=X。4.3.1负载Y联接负载与电源都为Y联接时，如图示。电路中有两个中性点，如果三相电路对称，则两个中性点之间的电压等于零，所以可将负载中性点N‘与电源中性点N用短路线短接，相当于没有中线阻抗的三相四线制电路，此时各相的工作保持相对独立，线与相的电压、电流分别组成对称系统，因此可按单相电路计算。首先做出一相计算电路图，如图示由一相计算电路图可得A相线电流有效值为IA=UA/Z而相电流与相电压的相位差A=arctg(X/R)由对称关系得到IB=IC=IAB=C=A在三相四线制电路中，如果中线有阻抗ZN，在三相对称的情况下，由于中线的电流等于零，因此做一相计算电路图时，要将ZN去掉，与对称无中线三相电路相同。若电源接成三角形时，星形负载接在线电压上，可先求出相电压，然后再求负载的电流。4.3.2负载Δ联接负载是三角形联接时，如图示。此时不论电源如何联接，都可以先求出负载端某一相的线电压，如UAB，然后计算A相的相电流有效值IAB=UAB/Z相电流与相电压的相位差A=arctg(X/R)由对称关系可得IBC=ICA=IABB=C=A而各相的线电流的有效值IA=IB=IC=√3IAB线电流的相位滞后相电流30。例1如图（a）所示对称星形电路，已知线电压为380V，负载的电阻R=8,电抗X=6,求负载的相电压和电流的有效值。解设电源为星形联接，与星形负载构成Y—Y联接的对称三相电路，画出一相计算电路图，如图（b）所示。A相的相电压VUUABA22033803由一相计算电路图可以求得10682222XRZ每相的阻抗AZUIAA2210220由对称关系可知IB=IC=IA=22A例2图示三角形联接的对称三相电路，已知线电压有效值为380V，各相负载阻抗Z=45，求各相的相电流与线电流的有效值。解对称三相电路可以先求出一相，然后根据对称关系求得其它两相。三角形电路的相电压等于线电压，由此可得到A相相电流的有效值AZUIABAB44.845380而IBC=ICA=IAB=8.44A由线电流与相电流的关系可知A相的线电流的有效值IA=√3IAB=14.6A而IB=IC=IA=14.6A4.4三相电路的功率4.4.1平均功率4.4.2无功功率4.4.3视在功率4.4.1平均功率交流电路的平均功率是电路中消耗的功率，三相电路的平均功率为每相的平均功率之和，即P=PA+PB+PC=UAIAcosA+UBIBcosB+UCICcosC其中UA、UB、UC为各相的相电压有效值，IA、IB、IC为各相的相电流有效值，A、B、C为各相电压与相电流的相位差。如果三相电路对称则有UA=UB=UC=UPIA=IB=IC=IPA=B=C=将其代入前式，可以得到对称三相电路的平均功率P=3UPIPcos考虑电路在星形联接时线电压UL=√3UP，线电流IL=IP；在三角形联接时UL=UP，IL=√3IP，对称三相电路的平均功率也可以由线电压和线电流求出，即P=√3ULILcos应注意两式只能用于对称三相电路的功率计算，两式中的cos的角都是相电压与相电流的相位差，也就是每相的阻抗角。4.4.2无功功率无功功率表示了负载与电源之间进行能量交换的大小，三相电路的无功功率为各相无功功率之和，即Q=QA+QB+QC=UAIAsinA+UBIBsinB+UCICsinC如果三相电路对称，不论电路是星形联接还是三角形联接，其三相电路的无功功率为Q=3UPIPsin=√3ULILsin其中角仍为相电压与相电流的相位差。4.4.3视在功率在三相电路中不论三相电路对称与否，其三相的视在功率仍为其中P为三相电路的平均功率，Q为三相电路的无功功率。如果三相电路对称，则三相电路的视在功率为S=3UPIP=√3ULIL在计算不对称三相电路的视在功率时，应注意由于视在功率不满足能量守恒，所以SSA+SB+SC22QPS例有一台三相电动机，其每相的等效电阻R=29，等效感抗XL=21.8，三相对称电源的线电压UL=380V。求（1）电动机接成星形时的平均功率和无功功率，（2）电动机接成三角形时的平均功率和无功功率。解（1）电动机接成星形时，相电压UP=380/√3=220V每相的阻抗3.368.21292222LXRZ线电流等于相电流，即IL=IP=UP/Z=220/36.3=6.06A电路的功率因数角为阻抗角，即=arctg(XL/R)=arctg(21.8/29)=36.9电动机的平均功率PY=ULILcos=380×6.06×cos36.9=3190W=3.19kW电动机的无功功率QY=ULILsin=380×6.06×sin36.9=2395Var=2.395kVar（2）电动机接成三角形时，相电压UP=UL=380V相电流IP=UP/Z=380/36.3=10.47A而线电流IL=IP，即IL=√3IP=√3×10.47=18.13A电动机的平均功率P=ULILcos=380×18.13×cos36.9=9542.5W=9.543kW电动机的无功功率P=ULILsin=380×18.13×sin36.9=7164.7Var=7.165kVar由上例的计算结果可见，电动机接成三角形比接成星形时，线电流、平均功率与无功功率都大了三倍。实际中较大功率的三角形联接电动机，为了减小启动电流，启动时常把三角形变为星形联接，启动以后再变回三角形。例一台星形联接的三相电动机，其功率为3.3kW,接在线电压为380V的对称三相电源上，线路电流为6.1A。求这台电动机的功率因数和每相的阻抗。解电动机的线电压、线电流和功率已知，可得该电动机的功率因数cos=P/(√3ULIL)=3300/(√3×380×6.1)=0.82电动机的每相阻抗Z=UP/IP=220/6.1=36而阻抗角=arccos0.82=354.5触电事故与触电防护4.5.1触电事故4.5.2触电防护4.5.1触电事故触电是指人体接触到带电体或接近带电体时承受较高电压，有电流通过人体造成伤害。触电事故可分为直接接触触电事故和间接接触触电事故两类。造成触电事故原因很多，主要是操作人员麻痹大意，违反安全操作规程；或是电气设备绝缘损坏、接地不良，及人进入高压线路的非安全内、接地短路点或遭雷击等原因。1.直接触电事故直接触电事故是指人体直接接触到正常运行的电气设备带电部分引起的触电事故，例如在380V/2