三相電

三相電是發(fā)電、輸電和配電中常用的一種交流電類型。三相電源中，每根線上電壓的相位相比于其它電線偏移了2π/3。

在電線對地電壓相同的情況下，三相電路通常比單相電路更加經(jīng)濟(jì)，它可以使用更少的導(dǎo)體材料來傳輸一定的電力。三相電源主要用于直接為大型感應(yīng)電動機(jī)或其它重負(fù)載供電。

歷史

三相電源是從電動機(jī)的發(fā)展中演變而來的。1885 年，伽利略·法拉利斯 （Galileo Ferraris） 研究了旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)試驗(yàn)了不同類型的異步電動機(jī)，發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)。1887年10月12日，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發(fā)明的三相電動機(jī)獲得了專利。特斯拉設(shè)想他的三相電機(jī)通過六根電線供電7。

米哈伊爾·多利沃-多布羅沃爾斯基（Михаи?л О?сипович Доли?во-Доброво?льский） 于1888 年發(fā)展了三相發(fā)電機(jī)和三相電動機(jī)，研究了星形和三角形連接。他的三相三線輸電系統(tǒng)于1891 年在德國的國際電工展覽會上展出。1891 年，他還開發(fā)了一種三相變壓器和短路（鼠籠式）感應(yīng)電動機(jī)8。他于 1891 年設(shè)計(jì)了世界上第一座三相水力發(fā)電廠。

1890年，喬納斯·溫斯特倫（Jonas Wenstrom）在Grangesberg礦區(qū)驗(yàn)證了從遠(yuǎn)處瀑布使用三相電力輸電的可能性，這是三相交流電的第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用9。

簡介

我國發(fā)電廠和電力網(wǎng)生產(chǎn)、輸送和分配的交流電都是三相交流電。這是因?yàn)槿嘟涣麟娋哂性S多優(yōu)點(diǎn)。在發(fā)電設(shè)備方面，三相交流發(fā)電機(jī)比同樣體積的單相交流發(fā)電機(jī)輸出功率大；在輸電方面，三相供電制也較單相供電制節(jié)省材料；從用電方面，生產(chǎn)中廣泛使用的三相交流電動機(jī)與直流電動機(jī)及其他類型的交流電動機(jī)相比，有性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)1。

以下是一個(gè)理想的三相交流電電動勢的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中，Em是電動勢最大值1。

原理

交流發(fā)電機(jī)的原理是：在發(fā)電機(jī)內(nèi)部有一個(gè)由發(fā)動機(jī)帶動的轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)磁場)。磁場外有一個(gè)定子繞組6，繞組有3組線圈(三相繞組)，三相繞組彼此相隔120°角。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場使固定的定子繞組切割磁力線（或者說使電動勢繞組中通過的磁通量發(fā)生變化）從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。線圈所能產(chǎn)生的電動勢的大小，和線圈通量的強(qiáng)弱、磁極的旋轉(zhuǎn)速度成正比2。

把3組線圈以間隔120°角進(jìn)行配置，就可以得到互差120°的相同電壓、相同頻率的三相交流電2。

特征

把三個(gè)大小相等、頻率相同、初相位相差120°的交流電合在一起就組成一個(gè)三相交流電。實(shí)際的三相交流電是由三相發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的，在發(fā)電機(jī)中有三個(gè)相同的繞組按空間相差120°均勻分布。這樣，發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)就可以產(chǎn)生滿足上述條件的三個(gè)單相交流電，由于初相位相差120°，在各條導(dǎo)線中流過的電流存在一個(gè)時(shí)間差，這樣就不需要六條導(dǎo)線供電，而只需在發(fā)電機(jī)內(nèi)部把三個(gè)繞組按一定方式聯(lián)接起來，用三條或四條導(dǎo)線供電。發(fā)電機(jī)每個(gè)繞組發(fā)出的一個(gè)交流電叫做三相交流電中的一相，就是常用的單相交流電3。

發(fā)電機(jī)三相繞組分別稱為A相繞組，B相繞組和C相繞組3。

三相電負(fù)載接法

三相電有兩種基本的接法：三角形（ ）接法和星形（ ）接法，如圖所示。在星形接法中，經(jīng)常會配置第四根線作為中性線，這根線通常接地。

有四種不同類型的三相變壓器繞組用于達(dá)到不同的輸電目的：

1. 星形-星形：用于小電流和高電壓

2. 三角形-三角形：用于大電流和低電壓

3. 三角形-星形：用于升壓變壓器，通常用于發(fā)電站

4. 星形-三角形：用于降壓變壓器，通常用于電力傳輸結(jié)束時(shí)

將各負(fù)載的尾端與中性線N相接，各負(fù)載頭端分別與相線相接就構(gòu)成星形連接。在電工技術(shù)中，我們將負(fù)載接成單相220V電壓的形式，比如220V的照明燈、單相電動機(jī)、單相電爐等。用電設(shè)備都以星形接法接入電路中，應(yīng)考慮將設(shè)備均勻分布于三相電源的相線上，保持三相負(fù)載平衡分布。若不這樣，斷路器可能會跳閘斷開，以示負(fù)載不平衡，初次操作的電工人員應(yīng)注意這點(diǎn)。

三相電的優(yōu)點(diǎn)

與使用中性線的單相交流電相比，三相交流電只需要使用1.5倍的電線即可傳輸三倍的功率。三相交流電具有高效率、節(jié)省材料、波形清晰等優(yōu)點(diǎn)。

三相電中相電流往往相互抵消，在線性平衡負(fù)載的情況下總和為零，這允許我們減少中性導(dǎo)體的尺寸。三相電向線性平衡負(fù)載的功率傳輸是恒定的，這有助于減少發(fā)電機(jī)中的振動。三相電還可以產(chǎn)生具有指定方向和恒定大小的旋轉(zhuǎn)磁場，這簡化了電動機(jī)的設(shè)計(jì)。

制造三相交流發(fā)電機(jī)、變壓器比單相的節(jié)省材料，而且構(gòu)造簡單、性能優(yōu)良；在同樣條件下輸送同樣大的功率時(shí)，三相輸電線比單相輸電線節(jié)省有色金屬25%，電能損耗也少；三相電動機(jī)比單相電動機(jī)性能優(yōu)良。

相關(guān)概念

零線（N）

零線亦稱“中性線”。三相電路中，零線是由星型連接的中性點(diǎn)引出的線路，零線上的電壓為零；不對稱三相電路中，由于接觸電阻的存在，零線上的電壓通常不為零4。

地線（PE）

地線是用來將電流引入大地的導(dǎo)線；電氣設(shè)備漏電或電壓過高時(shí)，電流通過地線進(jìn)入大地5。

1.供電地線

從變壓器中性點(diǎn)接地后引出主干線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)每間隔20~30m重復(fù)接地，在電路中起安全保護(hù)作用。在漏電的情況下，用電者和地線形成了一個(gè)并聯(lián)電路，由于地線的電阻比較小，電流會迅速流入大地，可使用電者避免因觸電而導(dǎo)致傷殘5。

2.電路地線

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，主要是防止干擾與提高無線電波的輻射效率。地線被廣泛作為電位的參考點(diǎn)，為整個(gè)電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電位。此時(shí)，地線未必與真正的大地相連，而往往與輸入電源線的一根相連(通常是零線)，其電位也與大地電位無關(guān)5。

三相四線制

在低壓配電網(wǎng)中，輸電線路一般采用三相四線制，其中三條線路分別代表A，B，C三相，另一條是中性線N（區(qū)別于零線，在進(jìn)入用戶的單相輸電線路中，有兩條線，一條我們稱為火線，另一條我們稱為零線，零線正常情況下要通過電流以構(gòu)成單相線路中電流的回路，而三相系統(tǒng)中，三相自成回路，正常情況下中性線是無電流的），故稱三相四線制。

在三相四線制的供電系統(tǒng)中，如果零線接地不好或者接地端斷了，其后果是在三相負(fù)載不平衡時(shí)使零線的電位不等于0，也就是說中性點(diǎn)發(fā)生偏移。具體零線電位多少與三相負(fù)載不平衡度有關(guān)，越不平衡，中性點(diǎn)偏移就越大，零線的電位就越高。零線電位偏移后三相的相電壓一般就不是220V了。有的相可能超過220V，有的相則可能低于220V。 當(dāng)中性點(diǎn)偏移量太大，三相的相電壓增加的相就可能使其用電電器燒毀，三相的相電壓減少的相就可能使其用電電器不能工作。零線的電位升高后，達(dá)到一定的值時(shí)觸地線將會造成觸電事故危險(xiǎn)。

有的場合也可以用來進(jìn)行零序電流檢測，以便進(jìn)行三相供電平衡的監(jiān)控。

三相五線制

三相五線制是指A、B、C、N和PE線，其中，PE線是保護(hù)地線，也叫安全線，是專門用于接到諸如設(shè)備外殼等保證用電安全之用的。PE線在供電變壓器側(cè)和N線接到一起，但進(jìn)入用戶側(cè)后絕不能當(dāng)作零線使用，否則，發(fā)生混亂后就與三相四線制無異了。但是，由于這種混亂容易讓人喪失警惕，可能在實(shí)際中更加容易發(fā)生觸電事故。