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电 工 基 础 知 识第1节 电路的组成1电路的作用及组成 电路是由电源、中间环节和负载组成。中间环节是指导线、各种控制设备、保护设备、电缆等。电源是指发电机或变压器等。负载是指各种用电设备。所以电路是由一些元件和设备组合起来为了完成某种功能的整体。在电力及一般用电系统中，电路起着传输、分配和转换电能的作用。发电厂的发电机组把水的位能、煤的热能或原子能等转换成电能，经过升压后用高压输电线路把电能送到用电地区，再把电压降下来，供用户负载使用。平常所谓“电”，是指一种特殊的能量，称为电能，它能很方便地转换成其他种类的能量，如机械能、热能、光能、化学能等。欲进行电能的转换、传输和分配，必须把电气设备用导线连接起来，组装成电路才能实现。应该注意，在电路的分析和计算中，开始时直接对象不一定是实际设备，而是理想化了的模型（如电阻、电感和电容等），然后再落实到实际的电气设备，这样可以用较少的精力获取较系统的知识，也有利于提高分析同类其他问题的能力。本章内容就是为了完成这一个过渡阶段而设置的。2电路物基本物理量21 电 流电路中的带电粒子（电子和离子）受到电源电场力的作用，形成有规则的定向运动称为电流。为了衡量电流的大小，引用电流强度这一物理量，在工程简称电流。一般情况下，电流的大小是随着时间在变化的，它是时间的函数，用符号（t）表示，是瞬时电流。如果在一段时间内电流的大小不变，就称为衡定电流，简称直流。直流电流用I表示，单位A。22 电 位它表示电场中某一点位置所具有的电位能。用表示，单位V。要确定电位能的大小，必须选择一个参考作为比较的标准，通常把电路中的接地点或线路公式点定为0V，称为参考电位。电荷在电场内某点所具有的电位能也可以用电荷从该点到参考点时，电场力所作的功来表示。规定电流的方向为在外路是从高电位指向低电位时，方向为正，反之为负。在电源的内部则是：电流的方向从低电位指向高电位时，方向为正，反之为负。23 电 压在电源电场力的作用下，将对运动的电荷作为，当电场力把单位正电荷从电路a点移到b点所作的功称为ab两点间的电压。用U表示，单位V。辅助单位有kV（千伏）、mV（毫伏）、V（微伏）等。Uab = （2.1）式中Aout电场力把电荷Q从a点移到b点所作的功，J；Q被移动的正电荷量，C；Uaba、b两点之间的电压，V。对于参考点零电位来说，a点的电位为，b点的电位为b，所以，ab两点之间的电压，也就是ab两点电位之差。因此，电压也称电位差。Uab=-b （2.1）电压的方向是规定为从高电位指向低电位为正方向，所以电压也称作电压降。2.4 电动势为了表征在电源的内部外边作功的本领，引入电动势这一物理量。电动势定义为：在电源内部，外力把单位正电荷从电源负极移向正极所作的功称为电动势，用E表示，单位V。如果外力把1库论（C）电荷从负极移到正极，所作的功就是1V。电动势的方向是在电源内部从负脂向正极， 在电源外剖从正极指向负极。E = （2.2）式中Aout局外力移动正电葆所作的功，J；Q被移动的正电荷量，C；电动热的大小和方向都不随时间而变化的电源提直流电源，电动势力的大小方向随时间而作周期性变化的电源称为交流电源。25 电 能当电流通过电路时，电路内将发生能量。在电源内部，外力不断地克服电场力驱使正负电荷分别向电源两极移动而作功，从而把其他能转换成电能。在外电路，电荷不断地通过负载，把电能转换成其他形式的能，如光能、热能和机械能等。负载消耗的电能等于其端电压与电荷的乘积，电荷又等于电流和时间的乘积。即A=UQ=IUt （2.3）2.6 电功率在单位时间内电路中产生的或消耗的电能，称为电功率，简称功率，用P表示，单位W。P= （2.4）式中 P电功率，W，1W=1J/s； t时间，s。27 电阻电荷在导体内流动必然要受到导体内分子的阻力，这种阻力称为电阻，用R表示，单位为。实验证明，在一定温度下，对某一种材料，电阻R与其长度L成正比，与其截面S成反比，即R= （2.5）式中 电阻系数mm2/m 。 在20时的电阻系数Cu =0.0177mm2/m；A1=0.029mm2/。3电路的工作状态电路在运行中只要导体有电流通过，导体就会发热，若导体电阻提R，电阻所消耗的电能全部变为热能Q，经过时间t秒，其热量为Q=I2Rt （2.6）建筑工程中有些负载是利用导体热效应工作的，如电焊和白炽灯等，但是多数情况发热是有害的，影响设备的使用寿命。为此，对电路的三种工作状态分析如下：1 1 开路状态当电路的开关断开时，称为开路。其特征是电流为零，电源端电压值就是电源两端电动势。在检修线路时一般应在开路状态。这种状态电路不工作也不发热。22 短路状态当电路中有电压的两点被电阻为零的导体连接时，称为短路。其特征是：电流很大，根据电流的热效应，导体所消耗的电能为A=IUt= I2Rt若电阻消耗的电能全部转换成热能（Q=I2Rt焦耳），会烧坏绝缘，损坏设备。也可利用短路电流发生的高温进行金属焊接等。33 额定工作状态用电设备一般都规定有额定电流。额定电流是电气设备长时间工作所容许通过的最大电流。用IN表示。当实际电流小于IN时称为轻载、大于IN时称为超载、等于IN时称为满载。在满载时，也就是额定工作状态。有些设备不标出额定电流而标出额定电压，即UN，或标出额定功率，即PN。第2节 基本定律1欧姆定律导体中电流I（electric current）的大小与加在导体两端电压U（voltage）成正比，而与导体的电阻R（resistance）成反比。这个关系称为欧姆定律。欧姆定律是计算电路的最基本定律。欧姆定律有两种表达方式。11 一段无源电路的欧姆定律闭合回路的一段电路，如果不含电动势，仅有电阻，那么这段电路就被称为一段无源电路，其电量关系式为I= （2.7）12 全电路的欧姆定律图2.1是一简单的闭合回路，R0是电源内阻，R1是线路电阻，R是负载电阻。根据方程式（2.7）可知电源内阻上的压降为U0=IR0，供电线路上的压降U0=I R1，负载上的压降为U=IR，所以E=U+ Ul+ U0=IR+ IRl+ IR0I= （2.8）这个关系称为全电路的欧姆定律。通常电动势E和内阻R0可视为常数，因此，负载的电压降与线路电阻及负载总电流有关。当负载是由多个电阻并联时，用电电流越大，则线路的电压损失越大，因此负载电压越小。【例21】 已知电源电动势为100V，内阻0.5，负载是两个48的电阻相并联，线路电组为0.5，如图2.2。求：负载短路电流；正常时工作电压和线路损耗电压；若切断一个负载电阻，后果如何？图2.1全电路的欧姆定律 图2.2 例2.2 用图解：短路电流IK =100（0.5+0.5）=100（A）负载总电阻为482=24（），回路总电阻为25负载电压U=100-（10025）（0.5+0.5）=100-4=96（V）线路损耗电压为4（V）。并联电路中切除一个电阻后，负载总电阻变大，线路电流变小，线路损耗电压变小，负载得到的电压升高。所以在建筑工程施工中利用这个原理，切断一部分次要负荷以改善负载过低的电压。1 基尔霍夫定律21 基尔霍夫第一定律图2.3基尔霍夫第一定律 图2.4基尔霍夫第二定律又称为节点电流定律。当多个电流经过其公共节点时，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。即= （2.9）如图2.3所示：I=I1+I222 基尔霍夫第二定律 它也称为回路电压定律。沿任何一个闭合回路所升高的电位，必定等于沿此回路所降低的电位。即= （2.10）由图2.4左回路可知：E1-E2=I1R1-I2R2利用上面的几个定律，可以分析供电线路中出现的一些现象和问题。综合应用基尔霍夫两定律可以计算复杂电路的电流或电压。第3节 单相交流电流电能的产生、输送、分配和使用绝大部分都采用交流电。如果有的地方需要使用直流电，就通过整流设备把交流电整流分为直流电的。交流电的最重要的特征是电流、电压或电流和电压的大小和方向随时作周期性的变化。实用电网中使用的是电流和电压间隔按正弦规律变化的交流电。1. 正弦交流电的特征根据电磁感应原理，交流发电机发出的电动势波形如图2.5所示。从图中看出以下表征交流电的方法与交流电的基本特点。1.1交流电的周期与频率它们都是表征交流电变化快慢这一特征的。交流电变化一周所用的时间称为周期，用T表示，单位用s（秒）表示。交流电在每一秒种内所变化的周期数称为频率用f表示，单位Hz（赫兹）。 周期与频率的关系：从其定义可知它们互为倒数的关系，图2.5 正弦交流电的特征 即 T= （2.11）我国交流电的工业频率（工频）为50Hz，变化时间T=1/f=0。02（s）有的国家或地区的频率用具60 Hz。交流电变化的快慢，还可以用角速度来表示或称作角频率。交流电变化一周，也就是变化了2弧度。所以，角频率为：=2f（rad/s） （2.12）工频50Hz时：=2f=250=100=314（rad/s）。 12 交流电最大值交流电在一个周期中所出现的最大瞬时值称为最大值或称幅值。它表示交流电大小的特征，如Em、Um、Im分别表示电动势、电压、电流的最大值。13 相位与相位差相位是表示交流电变化状态的物理量，也称相位角，它表示交流电在某一瞬间所变化的电角度，通常可以把交流电变化一周视360电角。如果开始观察交流电时，它已经变化了角度，称为初相角。交流电以电角速度经过t秒时所变化的电角度为=t+（2.13）当两个同频正弦交流电相比较时，它们的相位角之差称为相位差。如图2.6所示，其相位差为=1 - 2 = 60-（-30）=90上式表明这两个交流电在任何时刻的相位角之差为90。从图2.6中还可看出两个交流电的相位差也就是其初相角之差。图2.6相位与相位差如果两个交流电相比较，它们的相位差为零，则称它们为同相。若相位差为180，则称为反相。若其中一个先达到零值的称为导前，后达到零值的称为滞后。图2.6中i2导前于 i1, i1滞后于i2 。 频率、最大值和相位角是正弦交流电的主要特征，称为正弦交流电的三要素。2.正弦交流电的表示方法 正弦交流电的表示方法有三角函数表示法、正弦曲线表示法、极坐标表示法和矢量表示法等。矢量表示法的特点是便于分析问题，所以，本节只介绍为作定性分析用的矢量表示法。而交流电的大小也需要有一个确定的数来表示才方便，因而提出有效值的概念。2.1 有效值正弦交流电的大小是不断变化的，所以画图、计算等均不方便。为此，实用中采用有效值表示。有效值的定义为：正弦交流电通过一个电阻，在一个周期内所发出的热量，与一个直流电通过同一个电阻、在相同时间内所发出的热量相等时，这个直流电的数值就是正弦交流电的有效值。正弦交流电的有效值用U、I分别表示其电压和电流。有效值和最大值的关系为 U= （2.14）I= （2.15） 实用中,计算和电工测量都采用有效值来表示交流电的大小。电动机和电器设备的铭牌电压或电流数值也都是用有效值来表示。2.2 相量表示法正弦交流电的表示法主要是表示出交流电的三要素。相量表示法是用箭头方向代表初相角，用箭线长度代表有效值的大小。至于角速度可以用这个矢量旁标出，但是我们所研究的交流电都是工频，因此也就不必表示角速度了。如图2.7所示，从图中可见I2导前I160。不同电量之间的相位关系都可以用相量表示法表示。用相量图还可以进行相同电量的加、减法。图2.7矢量表示法3. 负载的性质交流电路中负载用电抗X（reactance）表示，电抗是由三个负载参数组成的，它们是电阻R（resistance）、电感L（inductance）和电容C（electric capacity）。严格讲，这三种参数分布在整个电路中。负载的性质就是由这三种参数大小决定。 (a) (b) (c)图2.8纯电阻电路 (a)电路图；(b)电流、电压及功率曲线；（c）相矢量3.1 纯电阻性质负载负载由电阻构成，如白炽灯、电炉子等可以近似视为纯电阻性质的负载。其主要特点是：(1) 电压与电流同相位，即相位差为零。如图2.8所示是理想状态下的纯电阻电路。(2) 电压与电流的大小关系，I=U/R，即与直流电路欧姆定律形式相同。(3) 电功率，从图2.8（b）可看出其功率为正，表示把电能都转换成了其他形式的能可证明知其平均功率为：P = IU （2.16）3.2 纯电感性质负载负载由线圈成。在研究由感性负载构成的交流电路时，为简化起见，把以电感参数为主，其他参数小到可以忽略的程度时，可视为纯电感电路，其主要特点是：(1)电流与电压的相位关系：由于线圈通入交流电后会产生自感电动势，其方向总是企图阻止电流的变化，结果电流相位滞后电压90电位角。如图2.9中（b）、（c）所示。(2)电流与电压的大小关系：用数学分析可知电压UL、电流I、电感L、角速度的关系为： 或 (2.17)图2.9纯电感电路 (a)电路图 (b)电流、电压、功率曲线图； （c）相量图上式表明，当电压一定时，电流I与L成反比，L对电流起着阻碍作用，称为感抗，用XL表示，单位。工频时： XL=L= 2L = 314L （2.18）式中：XL感抗，；L自感，H；角速度，rad/s。式（2.18）是纯电感电路的欧姆定律表示式，电流的大小与电压与正比，与感抗（或频率）成反比。当电压U和自感L一定时，频率越高则电流越小。如果把线圈接入直流电源，直流电频率为零，这时感抗为零，所以把线圈接入直流电源可视为短路。同样，电感L越大，产生自感电动势的能力越强。 Q = IUL=I2XL= （var） （2.19）3.3 纯电容负载负载参数只有电容C，其他参数都小到可以忽略的程度就可称为纯电容负载，如纯电容器组成的电路。纯电容电路主要特点是：（1） 电流与电压的相位关系：电容器通入交流电会产生充放电现象，电流总是导前电压90电角，如图2.10 所示。图2.10纯电容电路(a)电路图；(b)曲线图；(c)相量图；（2）电流与电压的大小关系：用数学分析可知电流I、电压U、角速度、电容C的关系为： I=UcC 或 I= （2.20）式中，XC称为容抗，它与电流成反比，单位也同电阻单位。式（2.20）即纯电容电路的欧姆定律。在工频时，容抗为：上式表明：电容C与容抗成反比。（1） 功率关系：1） 瞬时功率：瞬时功率p=iu，将各瞬时的电流和电压相乘而得瞬时功率，如图2.10（b）瞬时功率曲线可知：其功率有正负之分，正表明负载从电源吸取电能，并转换为电容器的电场能，负表明负载将电场能返还给电源。而且，各周期中正负相等，瞬时功率平均为零。2） 有功功率：即平均功率，用P表示，从瞬时功率曲线图或数学推导都可得知有功功率等于零。 P=0 (2.21)3） 无功功率：纯电容负载虽然消耗电源功率，但是却占用了电源功率进行“吞吐互换”，为了衡量吞吐能量的情况，引入了无功功率的概念，电流与电压有效值之各称为无功功率。用Q表示。单位为var，即乏，kvar为千乏。 (2.22)3.4 电阻、电感串联电路平常使用的许多负载，含有电阻和电感两种主要参数，其电路可等效为电阻、电感串联电路。其主要关系如下：(1)电流和电压的相位关系：如图2.11所示，用数学分析可知总电压U等于电压U1和电压UR的相量和。如果以总电压为参考相量画于水平位置，则电流I与电压UR同相，且滞后于电压U一个 角，如图2.11（c）所示。(a) (b) (c)图（2.11） R-L串联电路（a）电路图；（b）曲线图；（c）相量图(2)电流与电压的大小关系：用数学方法分析可知电压为=IZ (2.23)或 式中称为阻抗，单位。式中（2.23）是电阻、电感串联电路的欧姆定律表示式，电流的大小与电压成正比，与阻抗成反比。（3）功率关系：瞬时功率：瞬时功率p=iu，将各瞬时的电流和电压相乘而得瞬时功率，如图2.11（b）瞬时功率曲线可知：其功率有正之分，正表明负载电阻消耗电能及电感线图从电源吸取电能变为磁场能，负表明负载将磁场能返还给电源。而且，各周期中正负不相等，正大负小，瞬时功率平均不为零。有功功率：即平均功率，用P表示，数学推导可得知：有功功率等于电流有效值I在电压有效值U方向上的投影IR，与电压U的乘积。即： (2.24) 或由电压关系可知： 无功功率：电阻、电感串联负载即消耗电源功率，又占用了电源功率，无功功率Q即电源和电压的无功分量的乘积。 （2.25）视在功率：电阻、电感串联负载即消耗又占用电源功率，电流、电压有效值之乘积称为视在功率。用S表示。单位为VA，单位为kVA称为千伏安。 （VA） （2.26）在电气工程中，变压器的容量就是用视在功率（kVA）表示的。【例2.2】 一个电感线圈，L=25.5mH，电阻R=6，接于电压220V，求电路中的电流I、平均功率和视在功率，并画电压、电流相量图。 解：根据欧姆定律：平均功率 第4节 功率因数及其改善的方法在建筑工程用电设备中，感性负载非常多，如电动机、日光灯、变压器等。它们在运行中电流总是滞后电压一个角，这个相位角影响重大，简述如下。1功率因数1.1 功率因数的定义因为感性负载电流滞后电压角，所以计算功率时，需要把电流相量投影到电压相量方向上去（如果以电压相量作为参考相量），因此出现一个，这个相位差角的余弦称为功率因数。也可以定义为有功功率P和视在功率之比。 （2.28）1.2 功率因数的大小根据负载的性质决定功率因数的大小，当负载为纯电阻时，电流和电压的相位差角为0，所以=1；当负载为纯电感时，电流和电压的相位差角90，=0；当负载为纯电容时，电流和电压的相位差角也是90，=0；而感性负载（相当于电阻和电感串联负载），=01之间。感性负载三个电压相量（U、UL、UC）关系，可称为电压三角形。把电压三角形三个边缩小I（电流）倍，而得到阻抗Z、感抗XL、电阻R之间的关系，称为阻抗三角形。把电压三角形三个边扩大I（电流）倍，而得到现在功率S、有功功率P、无功功率Q之间的关系，称为功率三角形，见图2.12。从而得到功率因数大小的关系式： （2.29）不同性质负载的功率因数不同，也就是它们的电流与电压相位差角不同。如以电压为参考量画在水平坐标方向，有两个感性负载功率因数角分别 和，如图2.13所示。可见：在单相并联的许多负载，若功率因数不同，则它们的总电流不能直接用算术和相加，而是用相量加法相加。 图2.12 阻抗、电压、功率三角形 图2.13不同性质负载电流相加例如居民用电有白炽灯电流0.45A，日光灯的电流是0.35A，其电流之和不是0.8A，而比0.8A小。从功率关系中还可以看出，各种不同性质负载从电源取用的有功功率可以直接代数相加求和，但是多个不同性质负载的视在功率之和是不能直接用代数相加的。【2.3】 某教学楼一个照明支路有10只40W的日光灯（实用中包括镇流器，按50W计算），电压为220V，测得总电流为3.55A。求该支路的视在功率和功率因数是多少？解： 视在功率为S=IU=3.55220=781(VA)2改善功率因数的意义改善功率因数有重要的现实意义，功率因数高则有下述好处：（1） 可以充分利用电源的容量：由于发电机或变压器都有一定的额定电压和额定电流，当负载的功率和电压一定时，负载电流和功率因数成反比，即 （2.30） 【例2.4】 某单相变压器6.0kVA，负载功率因数为0.5，电压220V，问它能带多少kW负载？若负载功率因数为1，能带多少kW负载？可见，同一台电力变压器，负载功率因数越高，变压器带有的功功率越多。如果负载已确定，改善功率因数以后，报装变压器容量可以降低，大大节约投资。（2）线路功率损耗P小：当电压、线路电阻R1和负载功率一定时，功率因数越高，电流越小，线路功率损耗 P=I2R1越小。（3）线路电压损失U越小：同上面道理,U=IR1，I小则U小。（4）因为功率数高，线路电流小，所以导线截面、控制设备、保护设备等规格可以减小，降低设备成本。（5）功率因数高则节约电费。低压用户功率因数大于0.85则电力公司调低电费单价，功率因数小于0.85则调高电费单价。高压用户功率因数大于0.9则调低电费单价，功率因数小于0.9则调高电费单价。，高压用户功率因数高则电费起价降低。因此，改善功率因数可以节约电能，对国家有利；可以提高负载的电压等级，对本单位也有利。建的工厂，功率因数低于0.9时，则电力公司不予供电。3改善功率因数的方法改善功率因数的方法，主要有两种途径，都是设法使电源电压与线路电流的相位差角 减小。这两个方法分述如下：3.1 提高自然功率因数的方法（1） 选择电动机的容量要尽量使其满载：采用降低用电设备无功功率的措施，称为提高设备的自然功率因数。各工业企业所取用的无功功率中，异步电动机约占70%以上。因为异步电动机在空载时，功率因数很低，空载功率因数只有0.20.3，满载时功率因数很高，约为0.850.89。所以，要正确选择异步电动机的容量，容量不能过大（俗称“大马拉小车”），尽可能满载运行。为了避免电机轻载运行不合理的运行方式，现有电机又不能更换小容量的，可以改变电机定子绕组接线来降低电机运行电压，常用方法是Y-法。适用于定子绕组为三角形接线，并有六个接线端、平均负荷在40%以下的轻载电动机。（2） 电力变压器不宜长期轻载运行：同理，选择电力变压器容量也不宜太大，因为对高压电网来说，变压器是高压电网的负载，也有提高功率因数的问题。如果变压满载运行，变压器一次侧功率因数仅比二次侧降低3%5%左右，若变压器轻载运行，当负荷率小于0.6时，一次侧的功率因数就显著下降，可达11%18%。因此，电力变压器在负荷率为0.6以上时，运行才比较经济。通常在75%80%比较合适。如果变压器负荷率长时间小于30%时，宜更换较小的变压器。（3）合理安排工艺流程：在建筑工地，用电设备多，安排工作时，尽量使总的负荷电流曲线“消峰填谷”。尤其是应限制一些电器空载运行时间，如采用空载延时断电装置来限制电焊机和机床的空载运行。（4）异步电动机的同步化运行：如果负荷率不大于0.7及最大负荷不大于90%的绕线式电动机，必要时在绕线式电动机起动完毕后，向转子三相绕组中送入直流电励磁，即产生转矩把异步机牵入同步运行，运行中可向电网输送无功功率从而改善了供电线路的功率因数。3.2 补偿法提高功率因数就是在感性负载两端并联适当容量的电容器，由于电容器是储能元件，利用电容的无功功率来补偿用电设备的自感无功功率，故称为补偿法提高功率因数。其原因如图（2.14）所示。在图2.14中，高电压为参考相量，画在横坐标方向，负载电流IRL可分解为IR和IL两个分量。因为电容电流IC导前电压90所以与IL反相，可以抵消一部分自感无功电流分量IL，剩余无功电流分量为：图2.14感性负载与电容并联电路（a） 电路图；(b)相量图，结果线路电流I小于IRL，即如果并电容前的功率因数为并联电容以后的线路功率因数为因为I ，功率因数提高了。 注意：所谓提高功率因数是指供电线路的功率因数，并没有改变负载本身的性质或功率因数。对负载的电流、电压、功率因数都不变。计算并联电容器的电容值，可按以下步骤进行：（1） 先确定功率因数提高的标准。可根据供电部门规定的功率因数与电费挂勾标准（如低压用户功率因数大于0.85，则电费降低，功率因数低于0.85则提高电费。）权衡利弊，尽可能提高。（2） 计算电容C值。根据2.14相量图可推出电流、电容的关系为 当电容的单位用时， （2.31） 式中提高功率因数以前的IU相位差角；提高功率因数以后的IU相位差角。（3）计算电容器的容量：即计算电容器的无功率Qc。根据无功率的方程式可知 （KvA） （2.32）根据式（2.31）C值代入式（2.32）得 即 (2.33) 【例2.5】已知某单相负载1000W，220V，cos为0.6,接于电源220V，50H z，欲将功率因数提高到0.9，求并联电容。解： 第5节 三相交流电路 电能的产生、输送和分配大多数都采用三相交流电。三相负载如三相交流电动机性能优良，是建筑工业广泛使用的动力设备。1 三相交流电源三相电源就是三相交流发电机，也可以把三相电力电压变压器视为电源。1 1 三相电源的星形连接图2.15是三相交流发电机示意图，定子有三相绕组（U1、U2，V1、V2，W1、W2）在空间位置互差120 ，转子是铁芯上绕有励磁绕组，由外电路给直流电励磁。当原动机拖动转子旋转时，在定子绕组中产生感应电动势，其相位互差120 。如图2. 16所示。三相交流发电机绕组接线方法如图2.17所示,即把三相绕组尾端(U2、V2、W2)连接，称为星形（或Y形）接法。三个首端(U1、V1、W1)引出三根相线，三尾端连接点引出一根线，称为中性线，用N表示。12 线电压与相电压的关系图2.17中，三根相线与中性线N之间的电压称为相电压（UP），而三根相线与相线之间的电压称为线电压（U1）。用相量分析方法可知：三相电力变压器二次侧绕组的妆法用星形接法时，情况同上。线电压是相电压的 倍。而且线电压相位导前相电压300。这种有中性线的三相四线制（可用Y0表示）能提供两种电压，工程中常用的相电压220V、线电压为380V。三相供电系统中，有时还应用无中线的三相三线制。用Y表示。 图2.16三相电动势图2.15三相交流发电机示意图 (a)曲线图；（b）相量图2三相负载的组成与连接2.1 三相负载的组成三相负载可以由三组单相负载组成，也可以由单个的三相负载构成。如图2.18所示。 图2.17三相交流发电机绕组接线方法 图2.18三相负载的组成2.2 三相不平衡负载的星形连接图2.19为三相不平衡负载的星形连接示意图，负载ZU、ZV、ZW一般是由三组单相负载组成，如三相照明负载。所谓不平衡是指这三组负载的大小不相等，或它们的相位不相同。其特点是：（1）负载的三个相电压分别等于电源相电压，所以也是平衡的、互差1200（2）负载电流相量和不等于零，所以中性线上有电流，但是电流一般不大。所以在长距离供电时，中线截面可以细12号。（3）中性线的作用是保障三相负载电压和电源电压平衡，中性线不可断线，否则当三相负载不平衡时，三相电压失去平衡，负载大的那相电压小，负载小的那相电压大，使负载不能正常工作，甚至烧坏负载。因此，中性线上不得安装保险丝或开关。（4）中性线能保证负载各相电压分别与电源相电压相等，当某相断路时，不影响其他各相的单相负载正常工作。而三相负载（如三相电动机）则不能正常工作。（5）中性线电流IN的大小等于各相电流的相量和。即： （2.36）2 3 相平衡负载的星形连接所谓平衡负载，是指负载大小相等，而且性质相同，即： 因为中性线上的电流为0，所以可以省去中性线，成为星接三相三线制，一般用于高压输电或低压动力线路。在三相三线系统中，电流可借助各相线互为回路，不会影响三相电压及电流的平衡。2.4 三相负载的三角形连接三相负载有星形和三角形两种基本接法，当负载电压等于电源线电压时，负载应采用三角形接法，如图2.20所示。其特点是(1)当负载平衡时,各相电流相等,各线电流也相等,而且线电流是相电流的倍,即， I1=IP （2.37）当负载不平衡时，则上式不成立。（2）无论负载平衡或不平衡，各线电压恒等于各相电压，即 (2.38)3 三相电功率31 当三相负载不平衡时，当三相负载不平衡时，无论负载星形或三角形接法，计算各种功率时，都是先求出各相功率，然后再求和得三相总功率。(1)三相有功功率P (2.39)(2) 三相无功功率Q （2.40）(3)三相视在功率S (2.41)3.2 三相负载平衡时当三相负载平衡时,只要求出一相功率,再乘三倍就是三相功率。(1) 三相有功功率P(2) 三相无功功率Q(3) 三相视在功率S以面各式中的 角是电流和电压的相位差角，实用中，电气设备免牌一般都是标出线电压线电流，所以式（2.39）可改为下述形式：=三相无功功率Q=三相视在功率S【例2.6】 已知三相平衡负载，各相R=3，XL=4，负载额定电压220V，当电源线压为380时，问：（1）这三相负载采用何种接法？（2）相电流是多少？（3）三相总功率、无功功率、视在功率各是多少？（4）若三相线电压为220V时，应采用何种接法？（5）若负载本应星形接线，误为三角形接线，后果如何？解：(1)应采用星形接线(2)(3)图2.21 例2.6用图(4) 采用三角接线(5)负载本应星形接线，误为三角形接线，后果是相电压升为380V，超过额定电压倍，这时相电流为：(A)44 (A) 额定值，会因发热而烧毁。第6节 TT、TN-C 及TN-S供电系统在建筑工程中，通常所说的三相三线制、三相四线制和三相五线制等，这些名词术语内函不十分严密。国际电工委员会有统一的规定，称为TT系统、TN系统和IT系统等，其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-S-S系统。 TT方式供电系统 TNC 供电系统 TN方式供电系统 TNS TNCSIT方式供电系统 1、供电系统TT方式1.1 TT供电系统定义第一个字母T是表示电源中性点直接接地，第二个字母T表示设备外露不与带电体相连接的金属导电部分与大地直接连接，而与系统任何接地无关。即设备的金属外壳直接接地的保护系统，称为保护接地系统。如图2.22所示。图2.22 TT方式供电系统1.2 TT供电系统特点（1） 电气设备采用接地保护可以大大减少触电的危险性，因为人体电阻与保护接地电阻是并联关系，通过人体的电流远远小于通过接地电阻（4）的电流。（2） 如果相线触及用电设备金属外壳，自动断路器不一定跳闸，熔断器也不一定能熔断（相线碰壳电流红为220V/8=7.5A），故障设备的外壳对地电压高于安全电压，属于危险性电压。所以还需要漏电断路器作保护，因此TT系统难以推广。（3） TT系统的接地装置耗用的钢材多，而且难以回收，费工、费料。1.3 TT系统的应用现在有的地方是采用TT系统，施工单位借用其电源作临时用电时，应作一条公共保护地线，如图2.23，以便节约接地装置。图2.23 TT系统在实用中的接法图中虚线框内是施工用电总配电箱，把新增加的专用保护线PE线和中性线N分开，其特点是：共用接地线与中性线没有电的联系；政党运行时，中性线可以有电流，而专用保护线没有电流；TT系统适用于接地保护点很分散的地方。当用电设备比较集中时，可以共用同一接地保护装置，电气设备外壳均用保护线PE与这些共用的保护接地母线或配电箱总接地端子相连。接地装置的接地电阻Ra要满足单相接地故障时，在规定时间内切断供电的要求，或使接解电压限制在50V以下。2.TN-C供电系统方式2.1 TN供电系统是电源中性点接地，将电气设备的金属外壳与中性线相接的保护系统，称作接零保护系统，用TN表示。TN-C供电系统中性线兼作接零保护线，可以称作保护性中性线，用PEN表示。示意图如图2.24所示。图2.24 TNC方式供电系统2.2 TN-C供电系统的特点(1)一旦设备出现外壳带电，接零保护系统将漏电电源上升为短路电流，这个电流很大约为TT系统的5.3倍，实际就是单相对地短路故障，熔丝会熔断，断路器立即使脱扣器动作而跳闸，使故障设备断电。(2)在TN-C系统中的干线上无法安装漏电断路器，因为平时中性线上有电流，对地有电压，又必须作重复接地，所以漏电断路器因重复接地有漏电而合不上闸。(4) 通常中性线上有不平衡电流，所以对地有电压，保护线所连接的电器设备金属外壳一定的电位。如果供电中线断线，则保护接零的漏电设备外壳带电。(5) 如果电源的相线碰地，则设备的外壳电位升高，使中性线上的危险电位蔓延。(6) TN-C系统使用漏电断路器时，中性线不能作为设备的保护零线，因为保护零线在任何情况下不得断线。(7) 保护线上不应设置保护电器及隔离电器，但允许设备供测试用的只有用工具才能断开的触点。(8) 在TN系统中，为了保证保护线和与它相连接的外露可导电部分对地电压不超过约定接触电压极限值50V，还应满足下式要求： (2.46)式中RB所有接地彬的并联有效接地电阻，；U2额定相电压，V；RE不与保护线连接的装置外可导电部分的最小对地接触电阻（相线与地的适中故障可能通过它发生）。当RE值未知时，可假定此值为10。如不满足公式（2.46）要求，则应采用漏电电流保护或其他保护装置。3、TN-S供电系统方式3.1 TN-S供电系统的定义电源中性点接地，中性线N和专用保护接零线PE严格分开的供电系统，称作TN-S供电系统，即俗称作三相五线制。如图2.25所示。图2.25 TNS供电系统3.2 TN-S供电系统的特点（1） 接零保护可以把故障电流上升为短路电源，使断路器自动跳闸，安全性能好。（2） 供电干线上也可以安装漏电断路器。使用漏电断路器时，中性线N没有重复接地，而PE线有重复接地，PE线不经过漏电断路器，所以供电可靠性好。（3） 系统正常运行时，专用保护线上没有电流，而中性线上有不平衡电流。（4） 中性线只用作照明单相负载的回线。（5） 专用保护线PE不许断线，所以不生产五极断路器。4、TNC-S供电系统方式4.1TN-C-S供电系统的定义建筑供电中，如果变压器中性点接地了，但是变压器中性点没有接出PE线，是“三相四线制”供电，而到了后部分建筑物或施工现场必须采用专用保护线PE时，可在现场总配电箱中分出PE线，如图2.26、2.27所示。这种系统称为TN-C-S供电系统。图2.26中总配电箱N端子板与PE端子板必须连接，端子板分支线如图2.27所示。中线进入总箱后直接与接地装置焊连，尽量减少接地续点。 图2.26 TNC-S供电系统 图2.27 工地总配电 箱分出PE线4.2 TN-C-S系统的特点（1） 中性线N与专用保护线PE相连通，如图 2.26中ND这段中线不平衡电流比较大时，电气设备的接零保护受中性线电位的影响。D点至后面PE线上没有电流，即该段导线上没有电压降，因此TN-C-S系统可以降低电动机外壳对地的电压，然而又不能完全消除这个电压，这个电压的大小取决于ND线的负载不平衡的情况及ND这段线路的长度。如果负载越不平衡，ND线又很长时，则电机对地电压偏移就越大。所以要求负载不平衡电流不能太大，而且在PE线上应作重复接地。（2） PE线在任何情况下都不得进入漏电断路器，因为PE线是不许断线的。（3） 对PE线架设和N线必须严格分开，除了在总箱处以外，各分箱均不得把N线和PE线相连，PE线上绝对不允许安装断路器和熔断器，也不得用大地兼作PE线。（4） 采用TN-C-S系统时，当保护线与中性线从某点（一般为进户处）分开后就不能再合并，且中性线绝缘水平应与相线相同。通过上述分析，TN-C-S供电系统是在TNC的系统上临时的变通作法，当三相电力变压器工作接地情况良好、三相负载比较平衡时，用TN-C-S系统在施工用电实践中效果还可以。但是，在三相负载不平衡、建筑施工工地有专用的电力变压器时，必须采用TN-S供电系统。5、IT供电系统方式5.1定义IT供电系统的I表示电源侧没有工作接地，第二个字母T表示负载侧电气设备进行接地保护。如图2.28所示。图2.28 IT供电系统5.2IT方式供电系统的主要特点和施工要求（1）在供电距离不是很长时，供电的可靠性高，安全性好。一般用于不允许停电的场所，或者是要求严格地连续供电的地方，例如电力炼钢、大医院的手术室、地下矿井等处，若地地下矿井的供电条件比较差，有时电缆易受潮，由于电源中性点不接地，一旦漏电，单相对地漏电电流也很小，也不破坏电源电压的平衡，所以双电源中行点接地的系统还安全。但是，如果用在供电距离很长时，供电线路对大地的分布电容就不能忽视了。从图2