三相電

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三相交流電的波形
这个三相电变压器加拿大一个郊区卖场的唯一输电点。四根进线是208Y/120的(即星形接法,相电压120V,线电压208V),一根中性线,其它三根为A相、B相和C相。

三相电是三組幅值相等、频率相等、相位互相差120°的交流电,由有三个绕组三相发电机產生,是工業上常用的電源,可提供超過數千瓦或以上功率的電力。

形成[编辑]

三相電的電流流動

为保证发电机的稳定运行,发电机至少需要三个绕组,理论上发电的相数可以更高,但三相最经济,因此世界各国普遍使用三相发电、供电。

接線[编辑]

上:星形接法
下:三角形接法

三相三線制[编辑]

30kV三相電纜

三相三线制即包括三相电的三个相线(A、B、C线)。由于没有中性线(N线)和地线(PE线),这种供电方式只能用于三相平衡负载,且没有外壳接地保护。一般三相供电均采取三相三线制,用户必须使用三相负载平衡的电器,而工厂车间则往往采用内部负载补偿的方法来达到总体三相负载平衡,地线则通过水管避雷针连接至大地;而一般用电设备很少使用三相三线供电的方式,因为即便电器可以保证三相负载平衡,没有外壳接地保护也将对设备的安全使用造成巨大威胁。

中国大陆三相三线制标准导线颜色为A线黄色,B线绿色,C线红色,中性线蓝色,零线黑色;而在加拿大美国英国香港则为A线红色,B线黑色,C线蓝色。

三相四線制[编辑]

3P+E插頭,沒有中線

三相四线制一般包括提供三个相电压的三个相线(A、B、C线,U、V、W线或L1、L2、L3)和中性线(零线)(N线),不单独设地线(PE线),而是中性线(零线)和地线共用一条线路。在一些平衡负载(如大功率空调等电器)中也指由三个相线和地线构成的系统,由于负载平衡不需要中性线。

中国规定,民用供电线路相线之间的电压(即线电压)为380V,相线和地线或中性线之间的电压(即相电压)均为220V。进户线一般采用单相三线制,包括三个相线中的一个,另外两条线路实质上同为中性线和地线共用的一条线路。

三相四线制标准导线颜色为:A/U线黄色,B/V线蓝色,C/W线红色,N线/PE线黄绿色或黑色。

三相五線制[编辑]

符合IP44異物防護等級的室內用插頭,用於戶外的插頭則必須達到IP67

三相五线制包括三相电的三个相线(A、B、C线)、中性线(N线)以及地线(PE线)。地线在供电变压器侧和中性线接到一起,但进入用户侧后不能当作零线使用,否则发生混乱后就与三相四线制无异了。

中华人民共和国规定,民用供电线路相线之间的电压(即线电压)为380V,相线和地线或中性线之间的电压(即相电压)均为220V。进户线一般采用单相三线制,即三个相线中的一个和中性线(作零线)、地线。

中华人民共和国三相五线制标准导线颜色为:A线黄色,B线绿色,C线红色,N线蓝色,PE线黄绿色。

在香港,由2007年7月1日起,固定電力裝置的導體改用新的識別顏色。三相電的導體必須採用:L1棕色,L2黑色,L3灰色,N藍色,保護導體黃綠相間。單相電的相線必須採用棕色,而非舊制下L1/L2/L3中任何一種顏色。[1]採用新的識別顏色後,黑色由不帶電的中線變成帶電的L2。

特性[编辑]

三相电在电源端和负载端均有星形三角形两种接法。二種接法都會有三條三相的輸電線及三個電源(或負載),但電源(或負載)的連接方式不同。

日常用电系统中的三相四线制中电压为380/220V,即线电压为380V,相電壓則隨接線方式而異;若使用星形接法,相电压为220V,三角形接法的相电压則和线电压都是380V。

平衡电路[编辑]

在完美平衡的情况下,所有三线分担相等的负载。检查电路我们可以推导星形和三角形连接的负载的线电压和电流,及负载电压和电流之间的关系。

在平衡系统中,每条线都会产生相同幅值的电压并彼此间隔相同的相位角。以 V1 为参考,则 V3 滞后于 V2 滞后于 V1,使用角度符号,我们有:[2]

V_1 = V_\text{LN}\angle 0^\circ,
V_2 = V_\text{LN}\angle{-120}^\circ,
V_3 = V_\text{LN}\angle{+120}^\circ.

这些电压送入星形或三角形连接的负载。

星形接法[编辑]

三相交流发电机接成星形电源连接星形负载

三相电的星形接法是将各相电源或负载的一端都接在一点上,而它们的另一端作为引出线,分别为三相电的三个相线。可以将中点(称为中性点)引出作为中性线,形成三相四线制。也可不引出,形成三相三线制。当然,无论是否有中性线,都可以添加地线,分别成为三相五线制或三相四线制。

所有负载只接受它们各自的相电压,于是:[2]

 I_1 = \frac{V_1}{|Z_\text{total}|}\angle (-\theta),
 I_2 = \frac{V_2}{|Z_\text{total}|}\angle (-120^\circ - \theta),
 I_3 = \frac{V_3}{|Z_\text{total}|}\angle (120^\circ - \theta),

其中 Ztotal 为线阻抗和负载阻抗之和(Ztotal = ZLN + ZY),而 θ 是总阻抗(Ztotal)的相位。

各相的电压和电流之间的相位角之差不一定是 0 且是依赖于负载阻抗 Zy 的类型。感性和容性负载将导致电流滞后或超前于电压。然而,每对线之间的相对相位角(1 与 2、2 与 3, 及 3 与 1) 仍会是 −120°。

对中性点列KCL方程,三相电流加起来就是中性线上的电流。在平衡的情况:

 I_1 + I_2 + I_3 = I_\text{N} = 0.

三角形接法[编辑]

三相交流发电机接成星形电源连接三角形负载

三角形接法是在三相电系統中,一種連接電源或負載的方式,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,作为三相电的三个相线。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。

负载跨线连接,加在负载上的是线电压:[2]

\begin{align}
V_{12} &= V_1 - V_2 = (V_\text{LN}\angle 0^\circ) - (V_\text{LN}\angle {-120}^\circ) \\
       &= \sqrt{3}V_\text{LN}\angle 30^\circ = \sqrt{3}V_{1}\angle (\phi_{V_1} + 30^\circ), \\

V_{23} &= V_2 - V_3 = (V_\text{LN}\angle {-120}^\circ) - (V_\text{LN}\angle 120^\circ) \\
       &= \sqrt{3}V_\text{LN}\angle {-90}^\circ = \sqrt{3}V_{2}\angle (\phi_{V_2} + 30^\circ), \\

V_{31} &= V_3 - V_1 = (V_\text{LN}\angle 120^\circ) - (V_\text{LN}\angle 0^\circ) \\
       &= \sqrt{3}V_\text{LN}\angle 150^\circ = \sqrt{3}V_{3}\angle (\phi_{V_3} + 30^\circ). \\
\end{align}

进一步:

 I_{12} = \frac{V_{12}}{|Z_\Delta|} \angle (30^\circ - \theta),
 I_{23} = \frac{V_{23}}{|Z_\Delta|} \angle (-90^\circ - \theta),
 I_{31} = \frac{V_{31}}{|Z_\Delta|} \angle (150^\circ - \theta),

其中 θ 是三角形负载的相位(ZΔ)。

相关角度保持不变,所以 I31 滞后 I23 滞后 I12 的角度均为 120°。对三角形各结点运用KCL计算线电流得到:

\begin{align}
I_1 &= I_{12} - I_{31} = I_{12} - I_{12}\angle 120^\circ \\
    &= \sqrt{3}I_{12} \angle (\phi_{I_{12}} - 30^\circ) = \sqrt{3}I_{12} \angle (-\theta)
\end{align}

同样对于其它每条线路:

 I_2 = \sqrt{3}I_{23} \angle (\phi_{I_{23}}-30^\circ) = \sqrt{3}I_{23} \angle (-120^\circ - \theta),
 I_3 = \sqrt{3}I_{31} \angle (\phi_{I_{31}}-30^\circ) = \sqrt{3}I_{31} \angle (120^\circ - \theta),

其中 θ 为三角形阻抗(ZΔ)的相位。

電壓和電流[编辑]

三相电的系統,有二種不同的方式描述電壓及電流,一種是由輸電線的觀點,另一種則是由電源或负载的觀點。

  • 三相電的輸電線為三條相線,線上流過的電流稱為線電流,而二條相線之間的電壓則為線電壓。
  • 若考慮三相電源或负载,流過任一相電源或負載的電流稱為相電流,任一相電源或負載二端的電壓則為相電壓。

二種電壓及電流的數學關係,則依其使用三角形或星形接法而有所不同,若三相的電源或負載平衡時:

  • 星形接法的三相电,线电压是相电压的\sqrt{3}倍,而线电流等于相电流。
  • 三角形接法的三相电,线电压等于相电压,而线电流等于相电流的\sqrt{3}倍。

單相負載[编辑]

單相負載有兩個方法接到三相供電系統,相線及中線,或兩條相線。如果相線及中線間的電壓是220V,使用兩條相線連接獲得的電壓是380V。

V_\text{L-L} = \sqrt{3} V_\text{L-N}
V_\text{L-L} = \sqrt{3} \times 220V = 381V =380V

使用[编辑]

中国民用供电使用三相电作为楼层或小区进线,多用星形接法,线电压为380V(近似值),需要中性线,一般也都有地线,即为三相四线制。而进户线为单相线,即三相中的一相,对地或对中性线电压均为220V(近似值)。一些大功率空调家用电器也使用三相四线制接法,此时进户线必须是三相线。

工业用电多使用6kV以上高压三相电进入厂区,经总降压变电所总配电所车间变电所变压成为较低电压后以三相或单相的形式深入各个车间供电。

各国规定的三相电导线颜色[编辑]

A相 B相 C相 零线 地线
美国
(大部分)
黑色 红色 蓝色 白色灰色 绿色黄绿色条纹,或裸露的铜线
美国
(其它地區)
棕色 橙色 黄色 灰色白色 绿色
加拿大(强制性)[3] 红色 黑色 蓝色 白色 绿色(或裸露的铜线)
加拿大(孤立的三相电设施)[4] 橙色 棕色 黄色 白色 绿色
欧洲和其它许多国家,包括英国IEC 60446)及香港[5] 棕色 黑色 灰色 蓝色 黄绿色条纹
欧洲过去(IEC 60446,各个国家不同) 棕色黑色 黑色棕色 黑色棕色 蓝色 黄绿色条纹
南非马来西亚 红色 黄色 蓝色 黑色 黄绿色条纹(1970年前的设施上为绿色
印度 红色 黄色 蓝色 黑色 绿色
澳大利亚新西兰[6]香港過去 红色 白色(过去黄色 蓝色 黑色 黄绿色条纹(很旧的设施上为绿色
中国 黄色 绿色 红色 蓝色 黄绿色条纹
  • 火線(A相、B相、C相),又稱相線或活線。
  • 零线,又稱中線或中性線,在台灣又稱水線。
  • 接地線在香港稱為水線,因為以往的接地線是直接連到水管

引用[编辑]

  1. ^ 香港機電工程署 EMSD. 新電線顏色代碼. 新電線顏色代碼. 2008 機電工程署. [2014-09-02]. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 J. Duncan Glover; Mulukutla S. Sarma; Thomas J. Overbye. Power System Analysis & Design. Cengage Learning. April 2011: 60–68. ISBN 978-1-111-42579-1. 
  3. ^ Rick Gilmour et. al, editor, Canadian Electrical Code Part I, Nineteenth Edition, C22.1-02 Safety Standard for Electrical Installations, Canadian Standards Association, Toronto, Ontario Canada (2002) ISBN 1-553246-00-X, rule 4-036 (3)
  4. ^ Canadian Electrical Code 19th edition, rule 24-208(c)
  5. ^ 機電工程署-新電線顏色代碼
  6. ^ 根据AS/NZS 3000:2000 3.8.1

參見[编辑]