电学与电气施工

发布时间：2020-10-16 02:14:36 丨 文章来源：海湾电气火灾 | 作者：http://dq.gstxf.com/丨 浏览次数：331

电学与电气施工

3.1 三相交流电及典型电路

3.1.1 三相正弦交流电的数学表达式和相量表示

（1）交流电的三要素
交流电是大小和方向均随时间有规律变化的电压和电流，正弦交流电按正弦规律作周期变化，其数学表达式如下：

其波形如图3-1所示，

图3-1交流电波形图

式中  — 振幅值，即在一个周期内该交流电振幅达到的最大值；
       — 角频率，单位时间正弦电流相角的变化；
       — 初相角，t为0时，正弦波相角的初始值，决定正弦交流电的初始幅值。
 ，为频率，即单位时间内正弦电重复变化的周期数，单位是周/秒或赫兹（Hz）；T为周期，单位是秒（s）；我国交流电的频率为50Hz，T为0.02秒。
（2）正弦交流电的有效值
交流电的有效值是指交流电在一个周期内的热效应与某一直流电所产生的热效应相同，则此直流电(电压或电流)就是这一交流电的有效值。正弦交流电的有效值等于将正弦交流电的瞬时值平方后取一个周期的平均值再开方，所以又称为均方根值。

交流电气设备中给出的电压、电流均指的是有效值，如厂用10.5kV、400V，发电机出口电压22kV等，电工仪表所测得的电压、电流也是有效值。
（3）三相交流电
因三相交流发电机A、B、C三相绕组是在空间上相间120^o的完全相同的线圈，当转子磁场等速旋转依次切割定子三相电枢时，在定子A、B、C三相绕组都会产生按正弦规律变化的感应电动势，这三个正弦感应电动势有如下特点：
1）三相绕组的感应电动势振幅完全相等，即E_am= E_bm= E_cm= E_m；
2）转子磁场是按等速旋转的，所以三相绕组的感应电动势的角频率相同，均为ω；
3）相绕组在空间上相间120^o，所以三相绕组的感应电动势的相位差为120^o。
实际工作中，习惯用A-B-C（或U-V-W）表示三相电动势的相序。相序就是指相位的顺序，即A相比B相超前120^o，B相比C相超前120^o，C相比A相超前120^o。以e_A为参考正弦相，对称三相正弦量表示如下：



其波形图如图3-2所示：

图3-2 三相交流电波形图

可见，三相对称电动势在任一瞬间的代数和等于0。
即。
用相量表示同频率的正弦交流电，可以大大的简化同频率正弦交流电的计算。

3.1.2 三相典型电路

三相制供电与单相制供电相比，具有如下优点：
在发电方面：三相交流发电机比相同尺寸的单相交流发电机容量大；
在输电方面：如果以同样电压将同样大小的功率输送到同样距离，三相输电线比单相输电线节省材料；
在用电设备方面：三相交流电动机比单相电动机结构简单、体积小、运行特性好。
因而三相制是目前世界各国的主要供电方式。
三相电路的典型接线方式为星形接线方式（Y形）和角形接线方式（Δ形）两种。
（1）电源的星形接线
将三个绕组的末端X、Y、Z连在一起，由三个始端A、B、C引连接线的接线方式称为星形接线，如图3-4所示：

图3-4 电源的星形接线
三个末端连在一起的点称为中点或零点，用符号“N”表示。由中点引出的连接线称为中性线，简称为中线，俗称为零线；由始端引出的三根线叫端线或相线，俗称为火线。三根相线及中性线的文字符号分别为L1、L2、L3（或U、V、W）和N，并分别用黄、绿、红色标识三根相线，中性线用淡蓝色来标识。
由三根相线和一根中性线构成的供电系统称为三相四线制系统，该星形接线中可以得到两种电压，一种是相电压，就是绕组始端至末端的电压，也就是端线与中线之间的电压，相电压的有效值用U_A、U_B、U_C，或用一般U_P表示；另一种是线电压，即是两绕组始端与始端之间的电压，也就是两端线之间的电压，线电压的有效值用U_AB、U_BC、U_CA，或用一般U_L表示。
星形连接时，相电压与线电压是不相等的，相电压与线电压之间的关系可以概括为：

即线电压是相电压的倍，且线电压比相应相电压超前30^o。
目前，我国供电系统线电压为380V，相电压为220V。
（2）电源的三角形接线
三角形接线就是把一个绕组的末端与另一个绕组的始端顺次序相连接，形成一个闭合回路，再从三个接点引出三根导线向外供电的接线方式，如图3-5所示。
从图3-5可以看出，三角形连接时相电压与线电压相等，即U_L=U_P。在三角形回路中由于三相电动势的瞬时值的代数和、有效值的向量和均为0，故回路中不会产生环流。
 
 

图3-5 电源的三角形接线
（3）负载的星形接线
交流电路中的用电设备，大体可以分为两类：一类是需要接在三相电源上才能正常工作的叫做三相负载，如果每相负载的阻抗值和阻抗角完全相等，则为对称负载，如三相电动机；另一类是只需接单相电源的负载，可以根据需要接在三相电源的任意一相相电压或线电压上，对于电源来说它们也组成三相负载，但各相的复阻抗一般不相等，所以不是三相对称负载，如照明灯。
根据不同要求，三相负载既可作星形接线又可作角形接线。
如图3-6所示，假设三相负载均为阻抗，用Z_A、Z_B、Z_C表示，用四根导线将电源和负载连接起来的三相电路称为三相负载的星形接线。

图3-6 负载的星形接线
三相电路中，流经各线端线的电流称为线电流，而流过各相负载的电流称为相电流。各负载相等并接成星形时，线电流等于相电流，线电压是每相负载相电压的倍。
在星形连接的三相电路中，如果三相负载对称，则中线电流为零，故可中性线除去，而成为三相三线制系统。但是如果三相负载不对称，则中线就有电流流过，此时中性线是不能被除去的，否则会造成负载上三相电压严重不对称，使用电设备不能正常工作。故中性线在三相电路中既能为用户提供两种不同的电压，同时又为星形联接的不对称负载提供对称的220V相电压。因此，为了保证负载的相电压对称，在中线的干线上是不准接入熔断器和开关的，而且要用具有足够机械强度的导线做中线。
（4）负载的三角形接线
如图3-7所示，即为负载的三角形接线。三角形连接负载的相电压等于线电压，若某一相负载断开，并不影响其他两相的工作。 而线电流是流过各相负载相电流的倍。

图3-7 负载的三角形接线
三相负载采用何种联接方式接入三相电路中由负载的额定电压决定。当负载额定电压等于电源线电压时采用三角形联接；当负载额定电压等于电源相电压时采用星形联接。

3.2 变压器的作用

3.2.1变压器的基本原理和结构

变压器由铁心和绕组两个基本部分组成, 如图3-8所示, 在一个闭合的铁心上套有两个绕组, 绕组与绕组之间以及绕组与铁心之间都是绝缘的。
 
 
 
 
 
 
图3-8 变压器的组成和符号表示
变压器的铁心由0.35～0.5mm厚的硅钢片交错叠装而成，绕组一般采用绝缘铜线或铝线绕制，其中与电源相连的绕组称为原绕组（或称为原边）；与负载相连的绕组称为副绕组（或称为副边）。
变压器的工作原理是电磁感应。当原线圈中加交变电压时，原线圈就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要产生感应电动势。如果副线圈电路是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它也在铁芯中产生交变的磁通量，这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中同样要引起感应电动势。

3.2.2 变压器的作用

 
 
 
 
 
 


图3-9 变压器的空载运行和电压变换
根据右手螺旋定则和法拉第电磁感应定律，在忽略漏磁通的影响并且不考虑绕组上电阻的压降时，可得：
       
即变压器空载运行时，原、副绕组上电压的比值等于两者的匝数之比，Ｋ称为变压器的变比。若改变变压器原、副绕组的匝数，就能够把某一数值的交流电压变为同频率的另一数值的交流电压。
（2）负载运行和电流变换
如图 3-10所示，变压器的原绕组接交流电压u₁，副绕组接上负载Ｚ_L，这种运行状态称为负载运行。这时副边的电流为i₂，原边电流由i₁₀增大为i₁，且u₂略有下降，这是因为有了负载后，i₁、i₂会增大，原、副绕组本身的内部压降也要比空载时增大，使副绕组电压U₂比E₂一些。因为变压器内部压降一般小于额定电压的10%，因此变压器有无负载对电压比的影响不大，可以认为负载运行时变压器原、副绕组的电压比仍然基本上等于原、副绕组匝数之比。
 
 
 
 
 
 
 
 


图3-10 变压器的负载运行和电流变换
变压器负载运行时，当电源电压和频率不变时，铁芯中的磁通最大值应保持基本不变，故磁动势也应保持不变，且由于变压器空载电流很小，一般只有额定电流的百分之几，因此当变压器额定运行时，可以忽略。因此，变压器原、副边电流有效值的关系为

可见，当变压器额定运行时，原、副边的电流之比近似等于其匝数之比的倒数。若改变原、副绕组的匝数，就能够改变原、副绕组电流的比值，这就是变压器的电流变换作用。不难看出，变压器的电压比与电流比互为倒数，因此匝数多的绕组电压高，电流小；匝数少的绕组电压低，电流大。

3.3 旋转电机的工作特性

3.3.1 三相交流异步电动机的基本结构

3.3.2 三相异步电动机的工作原理

如图3-12所示，电机定子上有三相对称的交流绕组，三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场，转子绕组的导体处于旋转磁场中，转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向，转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。根据右手定则判定转子上半部导体中的感生电流方向是“⊙”，下半部导体中的感生电流方向是“”。感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力将产生与旋转磁场方向相同的电磁转矩，转子在电磁转矩的作用下，以n转速克服阻力转动起来，转动方向与旋转磁场的旋转方向相同。如果转子转速一旦等于旋转磁场的转速，则二者之间就没有相对运动了，当然也就不可能产生电磁力和电磁转矩。因而转子的转速必然要小于旋转磁场的转速，即二者的转速之间有差异，所以这种类型的电动机称为“异步”电动机。又因为其转子导体的电流是由于电磁感应作用产生的，所以又称为“感应”电动机。

图3-12 鼠笼异步电动机的转动原理
旋转磁场转速n₁与转子转速n之差与同步转速n₁之比称为异步电动机的转差率s，即

转差率是异步电动机的一个基本参数，对分析和计算异步电动机的运行状态及其机械特性有着重要的意义。电动机启动瞬时n=0，则s=1；当转子转速n=n₁时，s=0；可知异步电动机处于电动状态时，转差率的变化范围总在0和1之间，即0＜s＜1。一般情况下，额定运行时=1%～5%。

3.3.3 电动机的铭牌数据

3.3.4 三相电动机的启动方式

3.4 供配电系统中电气设备

3.4.1 电气设备的分类

3.4.2 互感器

互感器是电流互感器和电压互感器的统称，又称仪用变压器或测量互感器。其主要作用是根据变压器的变压、变流原理将一次电量（电压、电流）转变为同类型的二次电量，该二次电量可作为二次回路中测量仪表、保护继电器等设备的电源或信号源。互感器的主要功能包括：变换功能（将一次回路的大电压和大电流变换成适合仪表、继电器工作的小电压和小电流）；隔离和保护功能（作为一、二次电路之间的中间元件，不仅使仪表、继电器等二次设备与一次主电路隔离，提高了电路工作的安全性和可靠性，而且有利于人身安全）；扩大仪表、继电器等二次设备的应用范围。
（1）电流互感器
1）组成：一次绕组、铁心、二次绕组
2）电流互感器的变流比：
式中，I_1N — 一次侧额定电流值；I_2N — 二次侧额定电流值；N₁— 一次绕组匝数；N₂— 二次绕组匝数；变流比K_i一般表示成如100／5A的形式。
（2）电压互感器
1）组成：一次绕组、铁心、二次绕组
2）电压互感器的变压比：
式中，U_1N — 电压互感器一次绕组额定电压；U_2N — 电压互感器二次绕组额定电压；N₁ — 一次绕组的匝数；N₂ — 二次绕组的匝数；变压比K_u通常表示成如10／0.1kV的形式。

3.4.3 熔断器

3.4.4 高压开关设备

3.4.5 低压开关设备

3.5 输配电线路架设与电力电缆敷设

3.5.1 架空配电线路敷设

3.6 成套配电装置的安装要求

3.6.1高压成套配电装置（高压开关柜）

3.6.2 低压成套配电装置

3.7 动力设备安装工程施工技术

3.7.1配电箱的分类

3.7.3灯具、开关插座安装