2.3　三相交流电路及应用

2.3.1　三相交流电简介

（1）三相交流电的产生

三相交流电是由三相交流发电机产生的。如图2-21所示为三相交流发电机结构示意图，它主要由定子和转子组成。在定子铁芯槽中，分别对称嵌放了三组几何尺寸、线径和匝数相同的绕组，这三组绕组分别称为A相、B相和C相，其首端分别标为U1、V1、W1，尾端分别标为U2、V2、W2，各相绕组所产生的感应电动势方向由绕组的尾端指向首端。这里所说的对称嵌放绕组，是指三组绕组在圆周上的排列相互构成了120°。

当转子在其他动力机（如水力发电站的水轮机、火力发电站的蒸汽轮机等）的拖动下，以角频率ω做顺时针匀速转动时，在三相绕组中产生感应电动势e1、e2、e3。这三相电动势的振幅、频率相同，它们之间的相位彼此相差120°电角度。

如果以A相绕组的电动势e1为准，则这三相感应电动势的瞬时值表达式为

e1=Emsinωt

根据上面的表达式可画出这三相电动势的波形图，如图2-22所示。

（2）三相交流电的优点

和单相交流电比较，三相交流电具有以下优点。

①三相发电机比尺寸相同的单相发电机输出的功率要大。

②三相发电机的结构和制造不比单相发电机复杂多少，且使用、维护都较方便，运转时比单相发电机的振动要小。

③在同样条件下输送同样大的功率时，特别是在远距离输电时，三相输电线比单相输电线可节约25％的材料。

（3）三相交流电的相序

在工程技术上，一般以三相电动势最大值到达时间的先后顺序称为相序。多以e1—e2—e3的顺序为正相序；反之，为反相序。

相序是一个非常重要的概念，为使电力系统能够安全可靠地运行，统一规定：用黄色表示e1相（U相），用绿色表示e2相（V相），用红色表示e3相（W相）。

低压配电柜三相电源的相序颜色如下：

①水平布置：从前向后为U（黄）、V（绿）、W（红）；

②上下布置：从上向下为U（黄）、V（绿）、W（红）；

③垂直布置：从左向右为U（黄）、V（绿）、W（红）。

在电力工程上，相序排列是否正确，可用相序器来测量，如图2-23所示。

2.3.2　三相负载电路

（1）三相电源的星形连接

三相交流发电机的三相绕组有6个端头，其中有3个首端，3个尾端，如果用三相六线制来输电就需要6根线，很不经济，也没有实用价值。

把三个尾端连接在一起，成为一个公共点（称为中性点），从中性点引出的导线称为中性线，简称中线（又称为零线），用N表示；把三个绕组引出的输电线A、B、C叫做相线，俗称火线。这种连接方式所构成的供电系统称为三相四线制电源，用符号“Y”表示，如图2-24所示。

在三相四线制对称负载中，中性线电流为零。所以在工程技术上为了节省原材料，对这样的用电网络，可以省去中性线，将三相四线制变为三相三线制供电。例如，三相电动机、三相电炉就可以采用三相三线制供电。

（2）三相电源的三角形连接

三相交流电源的三角形接法是将各相电源或负载依次首尾相连，并将每个相连的点引出，作为三相电的三条相线。三角形接法没有中性点，也不可引出中性线，因此只有三相三线制（添加地线后，成为三相四线制）。

（3）相电压和线电压

三相四线制供电线路采用星形（Y）接法，其突出优点是能够输出两种电压，且可以同时用两种电压向不同用电设备供电，如图2-25所示。

①相电压　每相绕组首端与中性点之间的电压称为相电压，相电压为220V，用于供单相设备和照明器具使用。

②线电压　相线与相线之间的电压称为线电压，线电压为380V，用于供三相动力设备使用。

（4）中性线的重要作用

在实际的供用电网络中，由于单相用电的普遍存在，包括家庭的照明和家用电器的用电，导致供电系统大量存在三相不对称负载。在三相不对称负载电路中，如果没有中性线，各相电压因为负载大小的不同将严重偏离正常值，造成有的相供电电压不足，不能正常工作；而有的相供电电压太高，会造成用电器群坏事故（如灯泡、电视机等全部烧坏），有时甚至会危及人的安全。

中性线的重要作用是：在三相不对称负载电路中，保证三相负载上的电压对称，防止事故的发生。

在三相四线制供电系统中规定，中性线上不允许安装保险丝和开关，以保证用电安全。

（5）三相五线制供电

在三相四线制供电系统中，把零线的两个作用分开，即一根线做工作零线（N），另外用一根线专做保护零线（PE），这样的供电结线方式称为三相五线制供电方式。三相五线制包括三根相线、一根工作零线、一根保护零线。

2.3.3　电力系统简介

（1）电力系统的组成

电力系统是由发电厂、输电和配电网和用户组成的一个完整系统，如图2-26所示。

①发电　电能的生产即发电，生产电能的工厂称为发电厂。发电厂是把其他形式的能量转变成电能的场所。所有的发电都是靠动力产生磁场，至于动力来源有很多种。因此，发电厂的种类很多，一般根据它所利用能源的不同分为：火力发电厂、水力发电厂和原子能发电厂等。此外，还有风力发电厂、潮汐发电厂、太阳能发电厂、地热发电厂和等离子发电厂等。科学家还在研究秸秆发电、牛粪发电、下雨发电、高层建筑发电、行走发电、食品残渣发电、垃圾发电等环保发电技术。

②输电　电能的输送简称输电。为了提高输电效率和减少输电线路上的损失，通常采用升压变压器将电压升高后再进行远距离输电。输电的距离越长，输送容量越大，则要求输电的电压越高。一般情况下，输电距离在50km以下，采用35kV电压；输电距离在100km左右，采用110kV电压；输电距离在2000km以上，采用220kV或更高的电压。

随着电力电子技术的发展，超高压远距离输电已开始采用直流输电方式，与交流输电相比，具有更高的输电质量和效率。其方法是将三相交流电整流为直流，远距离输送至终端后，再用电力电子器件将直流电逆变为三相交流电，供用户使用。例如，我国葛洲坝水电站的电力就是通过直流输电方式送到华东地区使用的。

③配电　高压电输送到用电区域后，通过电力变压器将交流电的高压降低为380V/220V低压（称为区域变电），再供给各用电点（如住宅楼、工厂车间），如图2-27所示。

在工厂，对车间动力用电和照明用电一般是采用分别配电的方式，即把各个动力配电线路与照明配电线路分开配电，这样可避免因局部故障而影响整个车间的正常生产。

（2）低压供电系统接地方式

我国低压配电系统的接地方式主要有TT方式（三相四线制，电源有一点与地直接连接，负荷侧电气装置外露可导电部分连接的接地极与电源接地极无电气联系）、TN方式、和IT（三相三线制）方式，其中TN方式又可分成TN-S（三相五线制）、TN-C（三相四线制）、TN-C-S（由三相四线制改为三相五线制）三种形式，见表2-1。

我国厂矿企业通常采用TT系统，即“三相四线制”供电，当供电线路与用电设备距离不是很远时，也常采用TN-S系统，即“三相五线制”。