[工学]电工学 第4章 课后习题答案 课件

第 4 章 供电与用电,4.1 三相电源,4.2 三相负载,4.3 三相功率,4.4 电力系统,4.5 触电事故,4.6 触电防护,4.7 静电防护,4.8 电器防火与防爆,分析与思考,练习题,教学基本要求,返回主页,教学基本要求 1. 掌握三相电源和三相负载的联结方式; 2. 理解并掌握对称三相电路中的电压、电流和功率的计算; 3. 了解三相四线制供电系统中中性线的作用； 4. 了解电力系统的组成； 5. 了解触电的种类和安全用电的重要性； 6. 了解接地和接零保护的作用和使用条件； 7. 了解静电保护和电器防火防爆的常识。,返 回,4.1 三相电源,分两部分:1. 静止部分:定子 2. 转动部分:转子,三相交流电的产生(同步发电机):,返 回,下一节,下一页,上一页,图 4.1.1 三相同步发电机, 三相电源:产生对称 的三相电动势的电源。,9-1 同步发电机,表达式: e1 = Emsint e2 = Emsin(t 120o) e3 = Emsin(t 240o),(a) 波形图,返 回,下一节,下一页,上一页,(b) 相量图图 4.1.2 对称三相电动势,相量表示法:, 相序：三相电动势由超 前相到滞后相的顺序。,(一)三相电源的星形联结,三相四线制: L1 、L2 、L3 加 N,相电压: U1 、U2 、U3,线电压: U12 、U23 、 U31,返 回,下一节,下一页,上一页,图 4.1.3 三相电源的星形联结,1. 相电压与线电压的关系,根据 KVL 定律:,相量图:,返 回,下一节,下一页,上一页,(1) 相电压对称: Up = U1 = U2 = U3 线电压也对称: Ul = U12 = U23 = U31, 结论:,(大小关系),U12 超前 U1 30o (相位关系),返 回,下一节,下一页,上一页,2. 相电流与线电流的关系, 相电流和线电流都是对称的?（视负载而定） Ip = Il 并且相位相同。,返 回,下一节,下一页,上一页,(二)三相电源的三角形联结,注意：这种接法只有三相三线制。,返 回,下一节,下一页,上一页,图 4.1.3 三相电源的星形联结,1. 相电压与线电压的关系,结论:相电压对称和线电压都对称。Up = Ul 且相位相同。,L1,L2,L3,1,3,2,返 回,下一节,下一页,上一页,2. 相电流与线电流的关系,根据 KCL 定律:,相量图:,返 回,下一节,下一页,上一页, 结论：,返 回,下一节,下一页,上一页,4.2 三相负载,三相负载分为两种:,三相负载的连接方式有两种:,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,三相负载为三相四线制时星形联结。,(一)三相负载的星形联结,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,图 4.2.4 三相四线制星形联结,1. 线电压与相电压的关系,根据 KVL 定律:,若电源电压对称,负载的线电压和相电压是对称的。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,当负载对称时: Z1 = Z2 = Z3三相对称电源 + 三相对称负载 = 三相对称电路,结论:负载的线电压和相电压都对称。,相量图:,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,2. 相电流与线电流的关系,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页, 结论: 若负载对称,相电流和线电流就对称。,讨论:,一般中线可不要。,必须有中线。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,100, 中线的作用: 在负载不对称时,保持相电压对称。, Z1 = Z2 = Z3 = 100 Z1 = 50 Z2= Z3 = 100,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,L1,N,L3,L2,380V,50,100,例如：,图 4.2.5 中性线的作用,(二) 三相负载的三角形联结,这种连接方法只能是三相三线制。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,图 4.2.6 三相负载的三角形联结,1. 相电压与线电压的关系,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,2. 相电流与线电流的关系,根据 KCL 定律:,相量图:,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页, 若负载对称， 相电流和线电流对称。, 若负载不对称,由于电源电压对称,故负载的相电压对称,但相电流和线电流不对称。, 结论：,Il 滞后于与之对应的 Ip 30o。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页, 三相负载采取那种联结方式 取决于电源电压和负载的额定电压,原则上应使负载的实际工作相电压等于额定相电压。,如:某三相异步电动机,三相绕组的额定电压是 220 V,若电源电压分别为 380 V 和 220 V,应采取那种联结方式?,答:电源 380 V: Y 形联结 电源 220 V: 形联结, 说明：, 若为单相多台负载，应尽量均匀地分布在三相上。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,补充例1 一个对称星接负载,接于线电压为 380 V的三相四线制电源上, 问:当 M 点断开时,U1 =?当 M 和 N点都断开时, U1 =?,解：M 点断开时,U1 = 220VM和N 点都断开时, U1 = 190 V,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,4.3 三相电路的功率,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,补充例 2 有一个三相对称负载,每相负载 R = 29，X = 21.8，且每相负载的额定电压为 380 V。 求: 1. 有一个三相星接电源,电压为 380 V，负载应如何联结？ 2. 负载从电源取用的电流? 3. 负载所消耗的功率? 解,采取 形联结,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,= 36.1,= 9 800 W,3. P = 3Up Ip cos,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,*4.4 电力系统,电力传输过程：,电力网额定电压等级为: 3 kV、6 kV、10 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,低压供电系统的连接方式：,1. 放射式：,2. 树干式：,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,图 4.4.1 放射式供电线路,图 4.4.2 树干式供电线路,4.5 触电事故,触电：指人体接触带电体时，电流流经人体造成的伤害。触电事故又分为：直接接触触电和间接接触触电。 1. 直接触电,图 4.5.1 单线触电,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,图 4.5.2 两线触电,2. 间接触电,是指人体接触到正常情况下不带电,仅在事故下才带电的部分而发生的触电事故。, 电击: 电流通过人体内部,影响呼吸系统、心脏和神经系统，造成人体内部组织的破坏乃至死亡。, 电伤：电流的热效应、化学效应、机械效应等对人体表面或外部造成的局部伤害。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,4.6 触电防护,(一)安全电压 常规环境下:,交流电压为 50 V直流电压为 120 V,我国规定的工频安全电压额定值分别为: 42 V、36 V、24 V、12 V 和 6 V 。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,(二)保护接地和保护接零,一般要求接地电阻4。,1. 接地:,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,接地分为两种:, 工作接地:为保证电力设备和设备达到正常工作要求而 进行的接地。 如:电源中性点接地,防雷装置接地等。 保护接地:为保证人身安全,防止间接触电,而将设备的外 壳可导电金属部分接地。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,2. 保护接地和保护接零, IT系统,电源中性点不接地的三相三线制供电系统,电器设备的金属外壳接地。也称为保护接地。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,图 4.6.1 IT 系统, TN系统,电源中性点接地的三相四线制供电系统电器设备的金属外壳与零线相连。也称为保护接零。,系统分为:TN-C (PE 和 N 共用)TN-S (PE 和 N 完全分开共用)TN-C-S (PE 和 N 部分共用),三相五线制,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,图 4.6.2 TN 系统, TT系统,电源中性点接地的三相四线制供电系统电器设备的金属外壳与地线相连。也称为保护接地。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,图 4.6.3 TT 系统,例如: Up = 220 V, Rd = R0 = 4 Ip = 27.5 A,问:低压供电系统保护接零应用在下列那种系统中? 低压供电系统保护接地应用在下列那种系统中? 中点接地的三相四线制。 中点不接地的三相三线制。 三相四线制或三相三线制。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,保护接零,保护接地,TT系统,（三）漏电开关,1. 作用：主要用于低压供电系统，当被保护的设备出现故障 时，故障电流作用于保护开关，若该电流超过预定值， 变会使开关自动断开，切断供电电路。,2. 漏电开关的选择 ：,若用于保护人: 动作电流 30 mA 以下。 漏电动作时间 0.1 s 以下。,若用于保护线路: 动作电流 30100 mA 以下。 漏电动作时间 0.20.4 s 以下。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,图片,4.7 静电防护,（一）静电的形成,1. 摩擦起电;2. 破断起电;3. 感应起电。,(二)静电防护,方法: 1. 限制静电的产生; 2. 防止静电的积累;3. 控制危险的环境 。,上一节,返 回,下一节,下一页,上一页,图片,下一页,上一页,返 回,返回,4.8 电气防火和防爆,主要原因: 1. 电气设备使用不当 ; 2. 电气设备发生故障。,预防措施: 1. 合理选用电气设备防爆电器; 2. 保持电气设备正常运行; 3. 保持必要的安全距离; 4. 保持良好的通风; 5. 装备可靠的接地装置; 6. 采取完美的组织措施。,上一节,返 回,下一页,上一页,图片,下一页,上一页,返 回,返回,教学基本要求 1. 掌握三相电源和三相负载的联结方式; 2. 理解并掌握对称三相电路中的电压、电流和功率的计算; 3. 了解三相四线制供电系统中中性线的作用； 4. 了解电力系统的组成； 5. 了解触电的种类和安全用电的重要性； 6. 了解接地和接零保护的作用和使用条件； 7. 了解静电保护和电器防火防爆的常识。,返 回,4.1(2) 三角形联结的对称三相电源，空载运行时三相电动势会不会在三相绕组所构成的闭合回路中产生电流？,返 回,下一页,4.2(1) 三相负载对称是指下列三种情况中的哪一种？(a) |Z1| = |Z2| = |Z3 | (b) 1 = 2 = 3 (c) Z1 = Z2 = Z3,上一页,分析与思考,4.3(1) 一般情况下，S = S1 + S2 + S3 是否成立?,4.3(2) 同一三相负载采用三角形连结，接于线电压为 220 V 的三相电源上, 以及采用星形连结,接于线电压为 380 V 的三相电源上,试求这两种情况下, 三相负载的相电流、线电流和有功功率的比值。,4.3(3) 同一三相负载,采用三角形联结和星形联结,接于线电压相同的三相电源上,试问这两种情况下负载的相电流、线电流和有功功率的比值。,返 回,下一页,上一页,4.5(2) 照明灯开关是接到灯的相线端安全,还是接到工作零线端安全?为什么?,4.5(1) 单线触电和两线触电那个更危险？为什么？,4.6(1) 安全电压供电的系统就绝对安全吗？,4.6(2) IT、TN系统防止间接接触触电的基本思想是什么?,4.6(3) 有些人为了安全,将家用电器的外壳接到自来水管或暖气管上,这实际构成了 TT 系统,试问这样构成的 TT 系统能保证安全吗?为什么?,4.7(1) 为什么静电容易引起易燃易爆环境发生火灾或爆炸?,4.7(2) 防止静电危害的基本方法有哪些?,返 回,下一页,上一页,分析与思考解答,4.1(2) 三角形联结的对称三相电源，空载运行时，三相电动势会不会在三相绕组所构成的闭合回路中产生电流？,答 不会。因为对称三相电动势的大小相等，相位互差1200，所以它们的相量和恒等于零。故不会在回路中产生电流。,下一题,返 回,下一题,上一题,返 回,4.3(1) 一般情况下, S = S1 + S2 + S3 是否成立?,答不成立。,4.3(2) 同一三相负载采用三角形联结,接于线电压为 220 V 的三相电源上, 以及采用星形联结,接于线电压为 380 V 的三相电源上,试求这两种情况下,三相负载的相电流、线电流和有功功率的比值。,答,下一题,上一题,返 回,4.3(3) 同一三相负载,采用三角形联结和星形联结,接于线电压相同的三相电源上,试问这两种情况下负载的相电流、线电流和有功功率的比值。,答,下一题,上一题,返 回,4.5(2) 照明灯开关是接到灯的相线端安全,还是接到工作零线端安全?为什么?,4.5(1) 单线触电和两线触电那个更危险？为什么？,答两线触电时，作用于人体的电压为线电压，单线触电时,作用于人体的电压为相电压，因为线电压大于相电压，所以两线触点更危险。,答 开关接到相线端安全, 因为当开关断开时,可以使照明灯与相线断开, 保证灯体不带电。(如下图),下一题,上一题,返 回,4.6 (1) 安全电压供电的系统就绝对安全吗？,答 由于人体的阻抗值与工作环境和身体状况等因素有关,所以，安全电压并不是绝对安全的。,4.6 (2) IT、TN 系统防止间接接触触电的基本思想是什么?,答 IT 系统(保护接地)的基本思想是在用电设备出现漏电或一相碰壳时,使外壳的对地电压降低至接近零,以消除触电危险。 TN 系统(保护接零)的基本思想是在用电设备出现漏电或一相碰壳时,因该相电流很大,使得接于该相上的短路保护装置或过流保护装置动作,迅速切断电源,消除触电危险。,下一题,上一题,返 回,4.6(3) 有些人为了安全,将家用电器的外壳接到自来水管或暖气管上,这实际构成了TT 系统,试问这样构成的TT 系统能保证安全吗?为什么?,答 这样构成的 TT 系统,不能保证用电设备的接地电阻Rd远小于电源中性点的接地电阻 Ro,因而不能保证用电设备出现故障时,其外壳的对地电压在安全范围之内,又不能保证用电设备在出现故障时短路保护或过电流保护装置动作以切断电源,所以不能保证安全。,下一题,上一题,返 回,4.7(1) 为什么静电容易引起易燃易爆环境发生火灾或爆炸?,答 当静电积累到一定程度就会形成局部高电压,当电压高到一定程度就会发生放电并产生火花。如果此现象出现在易燃易爆环境中就很容易产生火灾或爆炸。,4.7(2) 防止静电危害的基本方法有哪些?,答 (a) 限制静电的产生; (b) 防止静电的积累; (c) 控制危险的环境。,上一题,返 回,4.2.1 有一电源和负载都是星形联结的对称三相电路,已知电源相电压为 220 V,负载每相阻抗模 | Z | 为 10，试求负的载相电流和线电流,电源的相电流和相电流。,4.2.2 有一电源和负载都是三角形联结的对称三相电路,已知 电源相电压为 220 V,负载每相阻抗模 | Z |为 10，试求负载的相电流和线电流,电源的相电流和相电流。,练 习 题,4.1.1 某三相同步发电机,三相绕组联结成星形时的线电压为 10.5 kV，若将它联结成三角形,则线电压是多少?若联结成星形时，L2 相绕组的首末端接反了,则三个线电压的有效值 U12 ，U23 和 U31 各是多少?,下一页,上一页,返 回,4.2.3 有一电源为三角形联结,而负载为星形联结的对称三相电路,已知电源相电压为 220 V，每相负载的阻抗模为 10，试求负载和电源的相电流和线电流。,4.2.4 有一三相四线制照明电路, 相电压为 220 V，已知三个相的照明灯组分别由 34、45、56 只白织灯并联组成，每只白织灯的功率都是 100 W,求三个线电流和中线电流的有效值。,4.2.5 在如图所示三相电路中, R = XC= XL = 25，接于线电压为 220V 的对称三相电源上,求各相线中的电流。,下一页,上一页,返 回,4.3.1. 有三个相同的电感性单相负载,额定电压为 380 V, 功率因素为 0.8，在此电压下消耗的有功功率为 1.5 kW。把它接到线电压为 380 V 的对称三相电源上，试问应采用什么样的联结方式？负载的 R 和 XL 是多少?,4.3.2 某三相负载,额定相电压为 220 V，每相负载的电阻为 4,感抗为 3，接于线电压为 380 V 的对称三相电源上，试问该负载应采用什么联结方式?负载的有功功率、无功功率和视在功率?,4.3.3 有一台三相电阻炉,每相电阻为 14，接于线电压为 380 V 的对称三线电源上,试求联结成星形和三角形两种情况下负载的线电流和有功功率。,下一页,上一页,返 回,4.3.4 试分析如图所示电路在下述两种情况下各线电流、相电流和有功功率的变化： 工作中在 M 处断线, 工作中在 N 处断线。,4.3.5 在如图所示三相电路中,已知 Za = (3+j4) , Zb = (8-j6) ,电源线电压为 380 V,求电路的总有功功率、无功功率和视在功率以及从电源取用的电流。,下一页,上一页,返 回,4.3.6 电路如图所示,在 220/380 V 的低压供电系统中 ,分别接有30只日光灯和一台三相电动机,已知每只日光灯的额定值为:UN = 380 V, PN = 40 W, N = cos = 0.5, 日光灯分三组均匀接入三相电源。电动机的额定电压为 380 V, 输入功率为3 kW,功率因素为 0.8, 三角形联结, 求电源供给的线电流。,下一页,上一页,返 回,4.3.7 有一星形联结的电感性对称负载, 额定值为UN = 380 V, N = 0.6, f = 50 Hz,负载消耗的有功功率 P = 3 kW。 若利用一 组星形联结的电容器与三相负载并联,使得每相电路的功率因素提高到 0.9, 试求每相的电容值及其耐压值; 若该为一组三角形联结的电容器, 试求每相的电容值及其耐压值;,4.5.1 如图所示是刀开关的三种联线图,试问哪一种接法正确?,下一页,上一页,返 回,4.6.1 如果供电方式是 TN-S 系统，试画出家用单相交流电器电源插座的接线图。,下一页,上一页,返 回,练 习 题 解 答,4.1.1 某三相同步发电机,三相绕组联结成星形时的线电压为10.5 kV, 若将它联结成三角形,则线电压是多少? 若联结成星形时, L2 相绕组的首末端接反了, 则三个线电压的有效值 U12 、U23 和 U31各是多少?,星形联结时 UlY = 10.5 kV,三角形联结时相电压不变, UlY = UpY = 6.06 kVL2 首末端接反的相量图如图所示:,U12 = 6.06 kV U23 = 6.06 kV U31= 10.5 kV,解,下一题,返 回,解,负载线电压 UlL = UlS = 380 V,负载线电流 IlL = IpL = 22 A,电源线电流 IlS = IlL = 22 A,电源相电流 IpS = IlS = 22 A,下一题,上一题,返 回,解,电源三角形联结, 线电压 UlS = UpS = 220 V,负载线电压 UlL = UlS = 220 V,负载相电压 UpL = UlL = 220 V,电源线电流 IlS = IlL = 38 A,4.2.2 有一电源和负载都是三角形联结的对称三相电路,已知 电源相电压为 220 V,负载每相阻抗模 Z 为 10,试求负载的 相电流和线电流,电源的相电流和相电流。,下一题,上一题,返 回,4.2.3 有一电源为三角形联结, 而负载为星形联结的对称三相 电路, 已知电源相电压为 220 V, 每相负载的阻抗模为 10 , 试求负载和电源的相电流和线电流。,解:,电源三角形联结, 线电压 UlS = UpS = 220 V,负载线电流 IlL = IpL = 12.7 A,负载线电压 UlL = UlS = 220 V,电源线电流 IlS = IlL = 12.7 A,下一题,上一题,返 回,4.2.4 有一三相四线制照明电路, 相电压为 220 V,已知三个相的照明灯组分别由 34、45、56 只白织灯并联组成，每只白织灯的功率都是 100 W, 求三个线电流和中线电流的有效值。,由于白织灯为电阻性负载，电压和电流的相位相同,解:,下一题,上一题,返 回,4.2.5 在如图所示三相电路中, R = XC = XL = 25,接于线电压为 220 V 的对称三相电源上,求各相线中的电流。,解: 负载为不对称三相负载,上一题,返 回,下一页,下一题,各线电流如下:,上一题,返 回,I3 = = =,上一页,下一题,4.3.1. 有三个相同的电感性单相负载,额定电压为 380 V,功率因素为 0.8, 在此电压下消耗的有功功率为 1.5 kW。把它接到线电压为 380 V 的对称三相电源上, 试问应采用什么样的联结方式? 负载的 R 和 XL 是多少?,解: 三角形联结,下一题,上一题,返 回,4.3.2 某三相负载,额定相电压为 220 V,每相负载的电阻为 4, 感抗为 3, 接于线电压为 380 V的对称三相电源上, 试问该负载应采用什么联结方式?负载的有功功率、无功功率和视在功率?,解: 星形联结,S = 3Up Ip = 3220 44 VA = 29 040 VA,Q = 3Up Ip sin = 3220 44 0.6 var = 1742 var,P = 3Up Ip cos = 3220 44 0.8 W = 23 232 W,下一题,上一题,返 回,4.3.3 有一台三相电阻炉, 每相电阻为14 , 接于线电压为 380 V 的对称三线电源上,试求联结成星形和三角形两种情况下负载的线电流和有功功率。,解: 星形联结,Il = Ip = 15.7 A,P = 3Up Ip =3220 15.7 1W = 10 362 W,三角形联结,Up = Ul = 380 V,P = 3Up Ip= 3380 21.7 1 W= 30 894 W,下一题,上一题,返 回,解: 未断线时相电流、线电流和有功功率分别为 Ip, ,4.3.4 试分析如图所示电路在下述两种情况下各线电流、相电流和有功功率的变化： 工作中在 M 处断线, 工作中在 N 处断线。,在N处断线,在M处断线,下一题,上一题,返 回,4.3.5 在如图所示三相电路中,已知 Za= (3+j4), Zb= (8-j6),电源线电压为 380 V,求电路的总有功功率、无功功率和视在功率以及从电源取用的电流。,解:三个Za组成 Y 形联结的对称三相负载,Pa = 3Upa I