电工学-第4章供电与用电

1、电工技术电工技术 下一章下一章 上一章上一章 返回主页返回主页 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系2 三相交流电的优点三相交流电的优点 三相交流发电机体积小、重量轻、成本低。三相交流发电机体积小、重量轻、成本低。 节省输电线金属的消耗量，输电成本较低。节省输电线金属的消耗量，输电成本较低。 应用广泛的三相异步电动机结构简单、价应用广泛的三相异步电动机结构简单、价 格低廉、性能良好和使用维护方便。格低廉、性能良好和使用维护方便。 三相交流电路三相交流电路 由三相交流电源供电的电路。由三相交流电源供电的电路。 电力系统目前普遍采用三相交流电源供电。电力系统目前普遍采用三相交流电源供电。

2、大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系34.1 三相电源三相电源 + e1L1 L1 + e2L2 L2 + e3L3 L3 L1 L1 L2 L2 L3 L3 L1 L1 三相交流发电机由三个对称的绕组组成，三相交流发电机由三个对称的绕组组成， 在空间上彼此相差在空间上彼此相差 120 ，它们的始端记为，它们的始端记为 L1 、L2 、L3 ，末端记为，末端记为L1 、L2 、L3 。（a）结构）结构（b）绕组）绕组（c）三相电动势）三相电动势大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系4 分类磁极放在转子分类磁极放在转子 上，转子由原动机上，转子由原动机 拖动作匀速转动。拖动作匀速转

3、动。 定子三相绕组切割定子三相绕组切割 转子磁场而感应出转子磁场而感应出 三相交流电动势。三相交流电动势。L1L2 L3 L2L3L1 幅值相等幅值相等 频率相同频率相同 相位差相位差 = 120 SN大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系5e2e3e1teO(a) 波形图波形图U1U3U2(b) 相量图相量图120o120o120oe1 = Em sin te2 = Em sin ( t - 120)= Em sin ( t + 120)e3 = Em sin ( t - 240)E1 = E 0o E2 = E -120o E2 = E 120o 大连理工大学电气工程系大连理工大学电

4、气工程系6二、三相电源的星形联结二、三相电源的星形联结 发电机三相绕组通常将三个末端接在一起。发电机三相绕组通常将三个末端接在一起。 三个绕组末端的连接点称为三个绕组末端的连接点称为中性点中性点 ( N )。 三个首端三个首端L1 、L2、 L3称为称为端点端点。 由中性点由中性点N引出的供电线称为引出的供电线称为中性线中性线或或零线零线。 由三个首端引出的供电线称为由三个首端引出的供电线称为相线相线或或火线火线。L1 L3 L2 L1 L3 + e1+ e2L2 + e3星形联结星形联结L1L2 L3L1L2L3 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系7 I1 I3 I2中性线中性线

5、(零线零线) 线电流线电流相电压相电压相线相线 (火线火线) 线电压线电压相电流相电流三相四线制三相四线制 I1 IL1 = I2 IL2 = I3 IL3 = U12 U1U23 U2U31 U3L1L2L3N IL2 IL3 IL1 IN1.线电流与相电流的有效值关系线电流与相电流的有效值关系2.线电压与相电压的有效值关系线电压与相电压的有效值关系IL= IPU12+ U23+U31+U1+U2+U3+大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系8 30U23U2U31U3U2U12U1 =3 U12U130o =3 U23U230o =3 U31U330o 大连理工大学电气工程系大连理工

6、大学电气工程系9三、三相电源的三角形联结三、三相电源的三角形联结 将三相电源中每相绕组的首端依次与另一相将三相电源中每相绕组的首端依次与另一相 绕组的末端连接在一起，形成闭合回路。绕组的末端连接在一起，形成闭合回路。三角形联结三角形联结L1 L1 L2 L3 L2L3L1 L3 L2 L1 L3 + e1+ e2L2 + e3大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系10三相三线制三相三线制 I1 I2 I3线电流线电流相电压相电压相线（火线）相线（火线）线电压线电压相电流相电流U12U1 = U23U2 = U31U3= 1.线电压与相电压的有效值关系线电压与相电压的有效值关系UL= UP

7、 I1 IL1= - I3 I2 IL2= - I1 I3 IL3= - I22.线电流与相电流的有效值关系线电流与相电流的有效值关系L1L2L3 IL1 IL3 IL2( U1 )U12+U23 ( U2 )+U31( U3 )+大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系11 I1 I1 30 IL1 I2 I3 IL2 IL2I3I2 =3 IL1 I1 30o =3 IL2 I2 30o =3 IL3 I3 30o 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系124.2 三相负载三相负载 三相对称负载三相对称负载: 三相阻抗相等的三相负载。三相阻抗相等的三相负载。 三相不对称负载三相不

8、对称负载: 使用时平均分配到三个相上。使用时平均分配到三个相上。L1L2L3NM 3 三相负载三相负载: 由三相电源供电的负载。由三相电源供电的负载。Z2Z1Z3大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系13星形联结星形联结 三角形联结三角形联结 三相负载也有两种接法三相负载也有两种接法: 具体采用何种接法，应根据电源电压和负载具体采用何种接法，应根据电源电压和负载 额定电压的大小来决定。额定电压的大小来决定。 原则上应使负载的实际电压等于其额定相电原则上应使负载的实际电压等于其额定相电 压。压。ZZZL1L2L3ZZZL1L2L3N大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系14一、三相负

9、载的星形联结一、三相负载的星形联结 三相负载的三个末端连接在一起，接到电源三相负载的三个末端连接在一起，接到电源 的中性线上。的中性线上。 三相负载的三个首端分别接到电源的三根相三相负载的三个首端分别接到电源的三根相 线上。线上。 IN IL3 I2 I1 IL1 I3 L2L3L1NZ1 Z2 Z3 + + + U3 IL2U1 U2 Z1 Z2 Z3L1L2L3N IL3 IL1+ + U3 U1 U2 IL1 IL2+大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系15I1 =U1Z1U2U31U3U12U1 U2 U1 U3 I1 I2 I3U23I1 =U1Z1I1 =U1Z1 IN I

10、L3 I2 I1 IL1 I3 L2L3L1NZ1 Z2 Z3 + + + U3 IL2U1 U2 如果负载对称，阻抗如果负载对称，阻抗 Z1 = Z2 = Z3 。则为。则为对称三相电路。对称三相电路。 IN = I1 + I2 + I3 = IL1 + IL2 + IL3 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系16I1 =U1Z1I1 =U1Z1I1 =U1Z1如果负载对称，阻抗如果负载对称，阻抗 Z1 = Z2 = Z3 。则为。则为对对称三相电路。称三相电路。 IN = I1 + I2 + I3= IL1 + IL2 + IL3 U2U31U3U12U1 U2 U1 U3 I1

11、I2 I3U23 IN IL3 I2 I1 IL1 I3 L2L3L1NZ1 Z2 Z3 + + + U3 IL2U1 U2 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系17三相负载不对称而又没三相负载不对称而又没有中性线时，三相负载有中性线时，三相负载的相电压不会对称，导的相电压不会对称，导致有的相电压超过负载致有的相电压超过负载的额定相电压，有的低的额定相电压，有的低于额定相电压，致使负于额定相电压，致使负载不能正常工作，甚至载不能正常工作，甚至损坏。损坏。因此，在三相四相制电路中，中性线不允许断因此，在三相四相制电路中，中性线不允许断开，也不允许安装熔断器等短路或过电流保护开，也不允许安

12、装熔断器等短路或过电流保护装置。装置。R2 R3 L1 L2 L3 R1 N S 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系18 每相负载的首端都依次与另一相负载的末端每相负载的首端都依次与另一相负载的末端 连在一起，形成闭合回路。连在一起，形成闭合回路。 将三个连接点分别接到三个电源的三根相线将三个连接点分别接到三个电源的三根相线 上。上。二、三相负载的三角形联结二、三相负载的三角形联结U2 I3 I2 I1 L2 L3 L1 + + + Z1Z2 Z3 U1 IL1 IL2 IL3 U3 三相负载的三角形联结只能是三相三线制。三相负载的三角形联结只能是三相三线制。ZZZL1L2L3大连理

13、工大学电气工程系大连理工大学电气工程系19 =3 IL1 I1 - 30o =3 IL2 I2 - 30o =3 IL3 I3 - 30o =3 IL IPZ1 = Z2 = Z3 = Z 对于三相对称负载对于三相对称负载: I1 IL1 I2 I3 IL2 IL2 U1U2U3 I3 I2 I1大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系20 例例4.2.1 有一电源为星形联结，而负载为三角形联有一电源为星形联结，而负载为三角形联结的对称三相电路，已知电源相电压结的对称三相电路，已知电源相电压UPS= 220 V，负载，负载每相阻抗每相阻抗| Z | = 10 。试求负载的相电流和线电流以及

14、。试求负载的相电流和线电流以及电源的线电流和相电流的有效值。电源的线电流和相电流的有效值。 解解 由于电源为星形联结，故电源线电压由于电源为星形联结，故电源线电压忽略供电线路的阻抗，则负载线电压忽略供电线路的阻抗，则负载线电压ULL = ULS = 380V负载为三角形联结，则负载相电压负载为三角形联结，则负载相电压UPL = ULL = 380V负载相电流负载相电流IPL = UPL| Z |=38010A = 38 A负载为三角形联结，故负载线电流负载为三角形联结，故负载线电流ULS = 3UPS = 1.73220V = 380VILL = 3IPL = 1.7338 A = 66 A大

15、连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系21电源只向一组三相负载供电，故电源线电流电源只向一组三相负载供电，故电源线电流电源为星形联结，故电源相电流电源为星形联结，故电源相电流ILS = ILL = 66 AIPS = ILS = 66 A大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系224.3 三相功率三相功率三相总有功功率三相总有功功率 P = P1 + P2+ P3三相总视在功率三相总视在功率 S = P 2 + Q 2 P = 3 UP IPcos Q = 3 UP IPsin S = 3 UP IP 三相对称负载功率表达式三相对称负载功率表达式相电压、相电流：相电压、相电流： 线电压

16、、线电流：线电压、线电流：一、三相功率的计算一、三相功率的计算Q =3 UL IL sin S =3 UL IL P = 3 UL IL cos 三相总无功功率三相总无功功率 Q = Q1 + Q2 + Q3大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系23 例例4.3.1 电路中有两个负载，其中负载电路中有两个负载，其中负载 2 为为 感性感性 ， 负载负载 1：UN = 380 V，P1 = 75 kW， cos 1 = 1， Y 形联结。形联结。负载负载 2：UN = 380 V ，P2 = 36 kW， cos 2 = 0.8，形联形联结。求结。求: 电源提供的电流？电源提供的电流？解解

17、P = P1 + P2 = 111 kWQ = Q1 + Q2 = P1 tan 1 + P2 tan 2 = 27 kvar S = P2 + Q2 Il = = 173 AS3 Ul = 114 kVARRRL2L3L1ZZZ IL1 IL12 IL11 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系24水力发电厂水力发电厂用电设备用电设备 变电所变电所输电线输电线配电设备配电设备火力发电厂火力发电厂原子能发电厂原子能发电厂用电设备用电设备 太阳能发电厂太阳能发电厂地热发电厂地热发电厂潮汐发电厂潮汐发电厂生物质发电厂生物质发电厂大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系25380 V220

18、 V6 kV10 kV110kV 、220kV 、500 kV电能电能负荷负荷升升压压变变压压器器降降压压变变压压器器10 kV 输电方式输电方式交流输电：交流输电：输电距离越远，输送功率越大，要输电距离越远，输送功率越大，要 求的输电电压就越高。求的输电电压就越高。直流输电：直流输电：输电线路的功率损耗小，电压降小，输电线路的功率损耗小，电压降小， 适用于大功率、长距离输电。适用于大功率、长距离输电。大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系26 低压供电系统的接线方式低压供电系统的接线方式放射式：放射式：供电可靠性高，导线用量大，费用高。供电可靠性高，导线用量大，费用高。树干式：树干式：

19、适用于用电比较分散，每个节电的用适用于用电比较分散，每个节电的用电量较大，变电所又居于各用电点的中央时。电量较大，变电所又居于各用电点的中央时。变电所变电所配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱变电所变电所配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系27一、电流对人体的危害一、电流对人体的危害电流对人体组织的危害作用主要有以下几方面：电流对人体组织的危害作用主要有以下几方面：1. 生物性质的作用生物性质的作用引起神经功能和肌肉功能紊乱引起神经功能和肌肉功能紊乱2. 化学性质的作用化学性质的作用电解而破坏人体细胞电解而破坏人体细胞3. 热性质的作用热

20、性质的作用灼伤、产生电烙印及皮肤金属化等灼伤、产生电烙印及皮肤金属化等4. 机械性质的作用机械性质的作用骨折、组织受伤骨折、组织受伤等等大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系28按人体所受伤害方式的不同可分为按人体所受伤害方式的不同可分为1. 电伤电伤人体人体的局部损伤的局部损伤对人体对人体的伤害的伤害2.电击电击二、电击对人体的伤害程度与以下因素有关：二、电击对人体的伤害程度与以下因素有关：1. 通过人体电流的大小通过人体电流的大小2. 电流通过人体的途径电流通过人体的途径3. 触电时间的长短触电时间的长短 通过心脏的电流达到通过心脏的电流达到50 mA/s 即致人死地即致人死地 4.

21、 电流的频率电流的频率工频电流对人体的危害最大工频电流对人体的危害最大手手手、手手、手脚最为危险脚最为危险大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系29三、三、 触电事故触电事故单线触电事故单线触电事故两线触电事故两线触电事故1. 直接触电直接触电Id Id 单线触电事故单线触电事故两线触电事故两线触电事故2. 间接接触触电间接接触触电人体接触到正常情况下人体接触到正常情况下不带电、仅在事故情况不带电、仅在事故情况下才会带电的部分而发下才会带电的部分而发生的触电事故。生的触电事故。间接接触触电间接接触触电大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系30 常规环境：交流常规环境：交流 50 V

22、、直流、直流 120 V 潮湿环境：交流潮湿环境：交流 25 V、直流、直流 60 V 一、安全电压一、安全电压2. GB规定的安全电压额定值为：规定的安全电压额定值为：1. 通用接触电压极限：通用接触电压极限： 42 V、36 V、24 V、12 V、6 V 要求：独立的电源供电。要求：独立的电源供电。大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系31二、保护接地和保护接零二、保护接地和保护接零1. IT 系统系统 保护接地保护接地 适用于适用于供电系统。供电系统。 将用电设备的金属外壳通过接地装置接地。将用电设备的金属外壳通过接地装置接地。 IT 系统也称为保护接地。系统也称为保护接地。 接

23、地装置的接地电阻一般不超过接地装置的接地电阻一般不超过 4 。 Rd大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系32PEL1L2L3N TN系统系统TN-C (PE 和和 N 共用共用)TN-S (PE 和和 N 完全分开共用完全分开共用)TN-C-S (PE 和和 N 部分共用部分共用) 三相五线制三相五线制系统分为系统分为:2. 保护接零（保护接零（TN系统）系统） 适用于适用于制制供电系统中供电系统中 的电气设备。的电气设备。大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系333. TT 系统系统 电源的中性点接地，而用电设备采用保护接电源的中性点接地，而用电设备采用保护接 地的系统。地的系

24、统。 采用采用TT系统供电的用电设备应采用漏电电系统供电的用电设备应采用漏电电 流动作保护装置（漏电开关）流动作保护装置（漏电开关） 同一供电系统中，同一供电系统中，TN 和和 TT 两种系统不宜同两种系统不宜同 时采用。时采用。 RoRd工作接地工作接地 保护接地保护接地 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系34三、漏电开关三、漏电开关1. 作用作用： 主要用于主要用于供电系统，当被保护的设备出供电系统，当被保护的设备出现故障时，故障电流作用于保护开关，若该现故障时，故障电流作用于保护开关，若该电流超过预定值，则使开关自动断开，以切电流超过预定值，则使开关自动断开，以切断供电电路。断供电