正序 负序 零序详解

张彤 2021年11月02日 345次浏览

在解释这三个概念前,需要补课。

前置的基础概念

电流的相位

WIKI解释

  • 相位(英文:phase)又称位相、相、相角,是描述讯号波形变化的度量,或物体周期运动的阶段[1],通常以度(角度)为单位;当讯号波形以周期的方式变化,波形循环一周即为360º。常应用在科学领域,如数学、物理学、电学等。

方程

当描述简谐运动:

$x(t)=A\cdot\cos(2\pi ft + \varphi)$
$y(t)=A\cdot\sin(2\pi ft + \varphi)=A\cdot\cos(2\pi ft + \varphi - \frac{\pi}2)$

  • A 为振幅(纵轴)
  • $\omega = 2\pi f= \frac{2\pi}T=\frac{d\theta}$ 为角频率(单位为弧度每秒)
  • t 为时间(横轴)
  • $\varphi$为初相角,或简称相角
  • $\omega t+\varphi$叫做在时刻t振动的相或相位

相位差

  • 两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差,或者叫做相差
  • 相位差为${\displaystyle 2n\pi }{\displaystyle 2n\pi }$(其中n为整数)的两个波称为同相波,产生的干涉是相长干涉。
  • 相位差为${\displaystyle 2n\pi +\pi }{\displaystyle 2n\pi +\pi }$(其中n为整数)的两个波称为反相波,产生的干涉是相消干涉。
  • 这两个频率相同的交流电,
    1. 可以是两个交流电流,
    2. 可以是两个交流电压,
    3. 可以是两个交流电动势,
    4. 也可以是这三种量中的任何两个
  • 例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差:
    1. 如果电路是纯电阻,那么交流电压和交流电流的相位差等于零
    2. 也就是说交流电压等于零的时候,交流电流也等于零,交流电压变到最大值的时候,交流电流也变到最大值。这种情况叫做同相位,或者叫做同相
    3. 如果电路含有电感和电容,交流电压和交流电流的相位差一般是不等于零的,也就是说一般是不同相的,或者电压超前于电流,或者电流超前于电压。
    4. 加在晶体管放大器基极上的交流电压和从集电极输出的交流电压,这两者的相位差正好等于180°。这种情况叫做反相位,或者叫做反相

三相电

  • 三相电 Three-phase electrical power是三组幅值相等、频率相等、相位互相差120°的交流电,由有三个绕组的三相发电机产生,是工业上常用的电源,可提供超过数千瓦或以上功率的电力。

形成

  • 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。

  • 三相电波形
    3phase_AC_wave.gif

  • 三相电的流动
    3phase_flow.gif

接线

三相三线
  • 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。
  • 一般三相供电采取三相三线制
    1. 用户必须使用能平衡三相负载的电器
    2. 而工厂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,地线则通过水管或避雷针连接至大地;
    3. 而一般用电设备很少使用三相三线供电的方式,因为即使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。
三相四线
接地系统
  • 在供电系统中,接地系统决定了电极对地球表面的电势。
    对接地系统的选择直接影响安全和电源的电磁兼容性,不同国家的标准和管理规定可以相差很大。
    大部分的接地系统都会将其中一个电源电极与大地直接相接,
    如果一个电器设备发生故障,使得火线(未接地的电源电极)接触到设备裸露的导电表面,那么任何一个与大地在电气上相连的人(比如站在地球表面或触碰接地池)触碰该设备表面将形成一个回路,电流返回到那个已接地的电源电极,造成触电

  • 为了避免可能产生压降的压降,正常情况下,该极是不允许有电流流过的,但故障电流通常可以熔断保险丝或触发空气开关动作,从而保护电路

  • 不足以触发过流保护的高阻抗的“相-地”故障还是有可能触发剩余电流(零序电流,漏电电流)装置(如果有的话)设备接地极(equipment grounding conductor)

  • 相反,功能性的接地目的不是为了防止触电,而且可能通常会有电流通过。使用功能性接地的设备包括浪涌电流抑制器电磁干扰滤波器,某些天线和测量仪器,但功能性接地的最重要的例子还是供电系统的中性点,该带电流的电极被接地,为了防止地电流,通常(但不尽然)是单点接地。在NEC中称之为接地的电源极(GroundED supply conductor),以此来区分设备接地极(equipment grounding conductor)

中性导体
  • 三相电的星形接法将各相电源或负载的一端都接在一点上,这一点叫做中性点,可以将中性点引出作为中性线或中线(Neutral Conductor),简写N。

  • 三相电的三角形接法则是没有中性点,也不可引出中性线。虽然单相电没有中性点,但变压器二次侧接地的导体同样被称作中性线。

  • 在中国大陆,中性线也被称作零线,表示该线的电压为零。

  • 共用中线通常在三相四线制(星形接法)中使用,三条相线共用同一条中线。若是三相平衡,则中线电流会等于零。

  • 若第三谐波电流的总谐波失真(THDi)超过15%,中线的载流量需要加入校正因数。因为谐波电流不会互相抵消,而是会在中线叠加。

三相五线
  • 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并在一起,但进入用户侧后必须分开,否则发生混乱后就与三相四线制无异。
特性
  • 三相电在电源端和负载端均有星形和三角形两种接法。二种接法都会有三条三相的输电线及三个负载
  • 日常用电系统中的三相四线制的星形接法中,线电压通常是相电压的 1.732 (即 ${\displaystyle {\sqrt {3}}}$) 倍;
    三角形接法的相电压则与线电压相等。
    例如在电压 220V 的系统中,星形接法的线电压为 380V;
    而在电压 110V 的系统中,星形接法的线电压为 190V。

平衡电路

  • 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:

$$V_{1}=V_{{\text}}\angle 0{\circ }$$
$${\displaystyle V_{2}=V_{\text
}\angle {-120}
{\circ }}$$
$${\displaystyle V_{3}=V_{\text
}\angle {+120}^{\circ }}$$

  • 两种接法的示意图,上图是星形接法,下图是三角形接法
    440pxThe_basic_3phase_configurations.svg.png
星形接法
  • 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

三角形接法
  • 三角形接法是在三相电系统中,一种连接电源或负载的方式,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。

电压和电流

  • 三相电的系统,有二种不同的方式描述电压及电流,一种是由输电线的观点,另一种则是由电源或负载的观点。

  • 三相电的输电线为三条相线,线上流过的电流称为线电流,而二条相线之间的电压则为线电压。

  • 若考虑三相电源或负载,流过任一相电源或负载的电流称为相电流,任一相电源或负载二端的电压则为相电压。

  • 若考虑三相电源或负载,流过任一相电源或负载的电流称为相电流,任一相电源或负载二端的电压则为相电压。

    1. 星形接法的三相电,线电压是相电压的${\displaystyle {\sqrt {3}}}$倍,而线电流等于相电流。
    2. 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${\displaystyle {\sqrt {3}}}$倍。

正序,负序,零序

介绍完基础概念,开始本文的主题

概念

分量.png

  • 正序:A相领先B相120度,B相领先C相120度,C相领先A相120度。

  • 负序:A相落后B相120度,B相落后C相120度,C相落后A相120度。

  • 零序:ABC三相相位相同,哪一相也不领先,也不落后。

系统表现

  • 三相短路故障和正常运行时,系统里面是正序。

  • 单相接地故障时候,系统有正序负序和零序分量。

  • 两相短路故障时候,系统有正序和负序分量。

  • 两相短路接地故障时,系统有正序负序和零序分量。