1.8 三相交流电路的应用

现代电力工程上几乎都采用三相四线制。三相交流供电系统在发电、输电和配电方面较单相供电具有很多不可比拟的优点，使三相供电在生产和生活中得到了极其广泛的应用。

1.三相电源的连接方法

用来产生对称三相电动势的电源称为对称三相电源。三相电源具有结构上对称的三相绕组A-X、B-Y、C-Z，分别称为A相、B相和C相。A、B、C称为三相绕组的首端，X、Y、Z称为三相绕组的末端，每相绕组电动势的正方向由末端指向首端。

（1）对称三相交流电的特点

对称三相交流电的最大值相等，频率相同，相位互差120°，如图1-21所示。

（2）三相电源的星形（Y）连接方法

三相电源的星形连接方式是把三相绕组的末端连接在一起形成一个节点，称为电源的中点或零点。从中点引出的线称为中线或零线，用字母N表示。从三相绕组首端引出的三根导线称为端线或相线，习惯上称为火线，用黄、绿、红三色表示相序中的A、B、C三相火线。相线与中线间电压称相电压，用UA、UB、UC表示；正方向从首端指向末端。每相绕组首端与首端间电压，即火线（相线）与火线间电压称为线电压，用UAB、UBC、UCA表示三相线电压。星形连接的三相电源，端线与零线之间的电压UA、UB、UC称为相电压瞬时值，相电压有效值用UP表示。三相电源的星形连接如图1-22所示。

由图可知，三相电源星形连接时的三个相电压显然是对称的。其线、相电压之间的关系如图1-23所示。

电源的中性点总是接地的，因此相电压在数值上等于各相绕组首端电位。则线电压和相电压之间的关系为：

由图可知：

也就是说，数量上，线电压UAB是相电压UA的1.732倍；相位上，线电压超前其相对应的相电压30°。可得出电源星形连接时的三个线电压也是对称的。

由此可知，三相电源绕组为星形连接时，可以向负载提供两种电压。此种供电系统称为三相四线制。

（3）三相电源的三角形（△）连接方法

三角形（△）连接方法是三相电源的另一种连接方法。三角形连接是将三相绕组的首、末端依次相连，从3个连接点引出3条火线，接成一个闭合回路（注：发电机三相绕组接成三角形连接法时，不允许首尾端接反，否则将在三角形环路中引起大电流而致使电源过热烧损）。三相电源的三角形连接方法如图1-24所示。

由图可知，三相电源接成三角形连接法时，线电压等于发电机绕组的三相感应电压。即：

U线=U相

显然发电机绕组接成三角形连接法时只能向负载提供一种电压。此种供电系统称为三相三线制。

在实际的生产生活中，电源绕组的连接方法通常为星形连接法。

2.三相负载的连接方法

负载有单相负载与三相负载之分。对于单相负载，应根据其额定电压接入电路，单相负载的连接如图1-25所示。若负载所需的电压是电源的相电压，应将负载接到端线与零线之间，如图1-25（a）所示；若负载所需的电压是电源的线电压，应将负载接到端线与端线之间。如图1-25（b）所示。

三相负载有两种情况：一种是将三个（或三组）单相负载分别接到三相电源的每一相上，组成三相负载。另一种是负载本身就是要求三相电源供电的三相负载。例如三相交流电动机等。

按照电源与负载连接方式不同，三相电源与负载有四种接法，即：Y-Y、Y-△、△-Y、△-△。但对用户来讲，电源绕组如何连接并不重要。只讨论三相负载本身的连接，是星形（Y）连接还是三角形（△）连接。

在电路中采用哪种接法要根据每相负载额定电压与电源线电压之间的关系来定的，当每相负载额定电压等于电源线电压的时，负载应连接成星形；当每相负载额定电压等于电源线电压时，负载应连接成三角形。

三相负载ZA、ZB、ZC的末端连成一点N'，称为负载中点，接在电源零线上。首端分别与三相火线相连。流过各相负载的电流称为相电流（Ia、Ib、Ic），正方向与对应相电压正方向相同。流过火线的电流称为线电流（IA，IB，IC），正方向从电源指向负载。

（1）三相负载星形（Y）连接法

① 三相负载对称星形连接法。负载对称是指三相负载电抗相等（Xa=Xb=Xc=X），三相负载电阻相等（Ra=Rb=Rc=R），并且性质相同（同为感抗或容抗）。

图1-26所示为三相负载的星形连接方法，它的特点是负载两端的电压是电源的相电压。

三相负载对称星形连接中，通过的电流满足：

由此可得：

IN=IA+IB+IC=0

即：对称负载星形连接时，零线电流为零，零线不起作用，可以去掉。

② 三相负载不对称星形连接法。当ZA≠ZB≠ZC时，称之为不对称三相负载。求解不对称三相负载电路时，只要电路中有零线，就可把各相按照单相电路的分析方法分别计算，注意此时零线电流不等于零。

（2）三相负载三角形（△）连接法

将三相负载首尾相接构成一个闭合的环，由三个连结点分别向外引出端线。就构成了负载三角形连接的三相三线制电路。三相负载的三角形连接方法如图1-27所示。

三相负载三角形连接方式中，由于各相负载都直接接在电源的线电压上，所以负载的相电压与电源的线电压相等。

① 三相负载对称时：ZAB=ZBC=ZCA=Z

三角形连接时，由于各相负载都直接接在电源的线电压上，所以负载的相电压与电源的线电压相等。由于三个线电压对称，因此三个相电流对称。其电流的向量关系如图1-28所示。

由向量图可得：

即：线、相电流的数量关系为：

② 三相负载不对称时：

线、相电流之间不再有 倍的关系。

IA=IAB-ICA

IB=IBC-IAB

IC=ICA-IBC

3.常用的基本供电系统

常用的基本供电系统有三相三线制、三相四线制和三相五线制。

（1）三相五线制

在前面所述的三相四线制供电系统中，把零线的两个作用分开，即一根线用做工作零线（N），另一根线用做保护零线（PE），这样的供电接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。三相五线制的接线示意图如图1-29所示。

该接线的特点是：工作零线N与保护零线PE除在变压器中性点共同接地外，两线不再与任何的电器连接。由于该种接线能用于单相负载，没有中性点引出的三相负载和有中性点引出的三相负载，因而得到广泛的应用。在三相负载不完全平衡的运行情况下，工作零线N是有电流通过且是带电的，而保护零线PE不带电，因而该供电方式的接地系统完全具备安全和可靠的基准电位。

（2）基本供电系统简介

常用的基本供电系统有三相三线制（380V）和三相四线制（380/220V）等，但这些名词术语内涵不是十分严格。国际电工委员会（IEC）对此作了统一规定，称为TT系统、TN系统、IT系统。其中TN系统又分为TN-C系统、TN-S系统。

TT式供电系统是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统，称为保护接地系统，也称TT系统。第一个符号T表示电力系统中性点直接接地；第二个符号T表示负载设备金属外壳和正常不带电的金属部分与大地直接连接，而与系统如何接地无关。在TT系统中负载的所有接地均称为保护接地。

TN方式供电系统是将电气设备的金属外壳和正常不带电的金属部分与工作零线相接的保护系统，称为接零保护系统，用TN表示。TN-C方式供电系统是用工作零线兼作接零保护线，可以称为保护中性线，可用NPE表示，即常用的三相四线制供电方式。TN-S式供电系统是把工作零线N和专用保护线PE严格分开的供电系统，即常用的三相五线制供电方式。

IT方式供电系统，其中I表示电源侧没有工作接地，或经过高阻抗接地。第二个字母T表示负载侧电气设备进行接地保护。IT方式供电系统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，或者是要求严格的连续供电的地方，例如连续生产装置、大医院的手术室、地下矿井等处。

（3）三相四线制（TN-C）与三相五线制（TN-S）系统的比较

在三相四线制供电方式中，由于三相负载不平衡时和低压电网的零线过长且阻抗过大时，零线将有零序电流通过，过长的零线会由于环境恶化、导线老化、受潮等因素，使导线的漏电电流通过零线形成闭合回路，致使零线也带一定的电位，这对安全运行十分不利。在零线断线的特殊情况下，断线以后的单相设备和所有保护接零的设备会产生危险的电压，这是不允许的。

采用三相五线制供电方式中，用电设备上所连接的工作零线N和保护零线PE是分别敷设的，工作零线上的电位不能传递到用电设备的外壳上，这样就能有效隔离三相四线制供电方式所造成的危险电压，使用电设备外壳上电位始终处在“地”电位，从而能消除设备产生危险电压的隐患。

发电机中，三组感应线圈的公共端作为供电系统的参考零点，引出线称为中线（在单相供电中称为零线）；另一端与中线之间有额定的电压差，称为相线（单相供电中称为火线）。一般情况下，中线是以大地作为导体，故其对地电压应为零，称为零线。因此相线对地必然形成一定的电压差，可以形成电流回路，称其为火线。正常供电回路由相线（火线）和中线（零线）形成。地线是仪器设备的外壳或屏蔽系统就近与大地连接的导线，其对地电阻小于4Ω；它不参与供电回路，主要是用于保护操作人员人身安全。在有的情况下，中线和大地的连接问题会导致用电端中线对地电压大于零，因此三相五线制中将中线和地线分开对消除安全隐患具有重要意义。

在三相四线制供电方式中，主要采用TN-C供电系统，对于单相回路存在较大的安全缺陷。单相二线制供电方式的最大缺陷是在发生电气设备外壳碰触相线时，直接将220V相电压施加给此时正巧触摸到的人，从而发生触电事故。但如果把接外壳的保护线PE 和中性线N并联合用一根，实际上这也是极不安全的。建筑物的配电线路由于接头松脱、导线断线等故障，很可能造成图1-30所示的TN-C系统单相回路断零示意图中的A点处开路，此时当其中一台设备开关接通后，在A点后面所有中性线上，将出现相电压，这个高电压又被设备接地引至所有插入插座的用电设备外壳上，而且其后的设备即使并未开启，外壳上也有220V电压，这是十分危险的。

如果采用三相五线制的TN-S供电系统，则不会出现这种情况。TN-S系统单相回路示意图如图1-31所示，它只是在当保护线断开，而且又有一台设备发生相线碰触外壳，两故障同时出现时，才会出现与前述二线制中类似情况的事故。从而也极大地降低了事故出现的可能性。

（4）三相五线制在民用建筑中电源电路设计中的应用

民用建筑中电源电路的设计中采用单相三线制和三相五线制配电。就是在过去“单相二线制”和“三相四线制”配电基础上，另增加一根专用保护线直接与接地网相连，即根据国际电工委员会（IEC）标准和国家标准而定的TN-S系统，从而保障了电气设备使用的安全。

①单相三线制是三相五线制的一部分，在配电中出现了N线和PE线；N线是工作接地线，这是构成电气回路的需要，其中有工作电流流过，在单相二线制中，工作接地N线严禁装设熔断器等可断开点，但单相三线制中则应同相线一样装设保护元器件。PE线是保护接地线，要求直接与接地网相连接，保护线PE与中性线N从某点分开后，就不得有任何联系，目的有两个：其一是为了使漏电电流动作保护器能正常动作；其二是为了使保护线上没有电流流过，以利安全。

②每个建筑物进户线将零线重复接地，接地电阻≤10Ω。

③从引入处开始，接至建筑物内各个插座，中性线N和保护线PE完全分开（严禁零地混接）。至于保护线PE的导线应采用与工作回路相同等级的绝缘导线，且与中性线N截面相同，敷设方式和路径也同工作回路，为便于识别，最好能采用三种颜色分开，依据规范，相线为：L1黄色、L2绿色、L3红色，中性线N为淡蓝色或黑色，保护线PE为黄绿双色。

④插座的接线应遵循左零（N）右相（L）上接地的原则。插座线路示意图如图1-32所示。