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关于三相四线制、三相五线制 电源的产生,线路概念


企业、车间及居民区等地的机电设备常用到三相四线制供电、三相五线制供电,其意义 是什么?发电、变电、配电和输电的意义是什么?工业一次供电、二次供电是什么?线路的 标识符号如何?本文理实一体化讲解清楚。

二.任务论述
(一)发电厂分类 发电厂是把其他形式的能量转换成电能的企业,有常规电能和绿色电能企业两类: 1. 比较常规的电能 比较常规的发电厂,主要有如下 4 种:
(1)火力发电厂 是指利用煤、石油、天然气或其他燃料的化学能来生产电能的发电厂,其发电过程是: 化学能→热能→机械能→电能。 (2)水力发电厂 是指利用水流的动能和势能来生产电能的发电厂,水流量的大小和水头的高低,决定了 水流能量的大小。水力发电厂发电其过程为:水能→机械能→电能。 (3)原子能发电厂 是指利用核能来生产电能的发电厂,又称核电厂(核电站),原子核各个核子(中子与 质子)之间具有强大的结合力,重核分裂和轻核聚合时,都会放出巨大的能量,称为核能。 目前技术比较成熟,形成规模投入运营的只是重核裂变释放出的核能生产电能的原子能发电 厂。从能量转换的观点分析,是由重核裂变核能→热能→机械能→电能的转换过程。 (4)垃圾发电厂 垃圾发电是把各种垃圾收集后,进行分类处理,其中:一是对燃烧值较高的进行高温焚 烧产生热能转化为高温蒸气,推动涡轮机转动发出电能。二是对不能燃烧的有机物进行发酵、 厌氧处理、最后干燥脱硫产生沼气。再经燃烧,把热能转化为蒸气推动涡轮机转动发出电能。

2. 绿色电能企业
绿色电能是指用特定的发电设备发电,在发电过程中不排放或很少排放对环境有害的废 气、废水和废物,具有环保性质的能源,主要有以下 4 种: (1)地热发电厂 地热能是指贮存在地球内部的可再生热能 (2)风能发电厂 是指利用风能来生产电能的发电厂 (3)太阳能发电厂 太阳能是指太阳光的辐射能量 (4)海洋能发电厂 海洋能是海水流动动能、海洋热能、潮汐能和波浪能等能源的总称。 (5)生物质能发电 生物质能就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能 量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,
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取之不尽、用之不竭,是一种可再生能源,这些燃料可以用于发电。
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图 1 发电厂发出的电力升高电压 后经铁塔上的导线等设备远距离输电

图 2 企业变电站(所)用降压变压器把 高电压降压到 380V 和 220V 供用户使用 1-降压变压器 2-三根高电压线接入变压器 3-变压 器中性线 4、5、6-三根 380V 母线 7-输入电缆

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图 3 某机械制造公司三相四线制线路经过总开关柜、多个低压开关柜向各个 车间、重要设备和办公大楼等用电场所分配电力即配电 1-来自降压变压器的三相四线制母线 2-三相四线制低压总开关柜 3-150T 行车配电柜 4-焊接车间配电柜 5-喷漆车间和加工二车间配电柜 6-冲压车间和加工一车间配电柜 7-精加工二车间和机修车间配电柜 8-办公大楼配电柜 9-预留备用电源配电柜
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(二)企业供电电力系统变电、配电和输电简述
由于发电厂的建设地点距离用户比较远,如果采用低压输电则势必造成输电功率巨大浪 费和电能质量下降, 所以发电厂发出大电流低电压的电力首先要用变压器升高电压后向远处的 用户输电,国家电力部门规定通常升高到 10 千伏、11 千伏、22 千伏、50 千伏等几种规格的 电压;而企业及其机电设备常用 380V 或 220V 电压,所以输电到用户再用变压器降低电压至 380V 或 220V 供用户使用。升压和降压通称为变电,把电力经过低压开关柜分配给各个用

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图 4 三相四线制电力经各个低压开关柜分配电力输送到用电场所 1-三相四线制低压配电柜 2-输出电缆地下通道盖板 3-输出电缆 地下通道 4-槽式电缆桥架 5-电缆 6-电缆桥架垂直上弯通

电场所叫配电,把电力从一个场所输送到另一个场所叫输电。 通常发电厂发出电力用变压器升高电压及向远处的用户区输电属于国家电网的业务范 围,输电到用户再经变电站(所)用降压变压器降压后向用户供电,图 1 所示为在野外常见 的发电厂发出的电力经过变压器升压后向用户输电。

(三)企业供电及三相四线制、三相五线制电源的概念 1. 企业供电设计及三相四线制供电的概念及其实现
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如图 1 所示为发电厂发出的电力经升压变压器升高电压后输送到用户区用的铁塔架和高 电压线,高电压线路到达电力用户区要用降压变压器降压后再给电力用户供电。今以某大型 机械制造公司供电为例理实一体化论述变电、配电和输电过程及其有关概念。 图 2 所示为公司变电站中的一台降压变压器, 1 所示的高电压线路到达公司变电所后首先 由图 2 所示的三根粗导线 2 组成的输入电缆 7 接入变压器输入端,降压变压器输出 3、4、5、 6 这 4 根横截面为矩型的比较粗的铜导线,其中导线 3 与变压器外壳连接,并与大地相接称为 保护接地,这根导线通常叫零线(也叫 0 线) ,用 N 表示;另外 3 根矩型铜导线任意两根之间 的交流电压为 380V,各用 A、B、C 表示通常叫火线但正规名称叫母线,也用 L1、L2、L3 表示; A、B、C 中任意一根与 0 线 N 之间的交流电压为 220V,导线 N、A、B、C 可以再经过图 3 所示 的多个低压开关柜把三相四线制电力输送到相应生产车间、办公楼等用电场所,低压动力配 电柜是连接电源与用电设备的中间装置,除了能分配电能外,还具有对用电设备进行控制、 测量、指示及保护等功能,由低压配电柜再给车间设备或楼层输电。 图 4 为多个低压开关柜后面有输出电缆地下通道 3, 电缆经过地下通道 3 又经过电缆桥架 4、电缆桥架垂直上弯通 6 把三相四线制电力输送到相应生产车间、办公楼等用电场所。

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图5

经过图 4 电缆桥架垂直上弯通 6 的三相四线制电缆进入车间桥架

1-车间空中水平安装的槽式直通桥架 2-上边垂直三通 3-车间树直安装的槽 式直通桥架 4-三相四线制电缆 5-建设车间施工的垂直支撑槽钢结构

图 5 为经过图 4 电缆桥架垂直上弯通 6 的三相四线制电缆进入车间内桥架图,三相四线 制电缆进入车间内的桥架 1, 再经过上边垂直三通 2 把电缆引入车间树直安装的槽式直通桥架 3 引到地面上,再接入图 6 所示机电设备动力配电柜。 可以根据不同场所实际需要只输送 380V,或只输送 220V,这就是三相四线制供电电路的

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图 6 三相五线制电力的概念及其相关设备动力柜 1-立式低压配电柜 2-电压表 3-相电压测量转换开关 4-测量 A、B、C 相两两之间的 电流表 5-手拉式隔离开关 6-配电柜引出的电缆经地沟至机电设备 7-钢管,电缆穿 过内孔到控制柜底下 8-配电柜外壳接线接到插入大地的角钢上 9-三相四线制电缆

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图 7 三相五线制供电的概念及立式动力配电柜及其相关配电设备 1-熔断器保护电流电压表 2-手拉式隔离开关 3-空气断路器 4-与动力配电 柜外壳和大地相连的地线 5-三相五线制电缆自地沟引到机电设备接线位置
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概念及其实现。 注意, 图 3 所示三相四线制各个低压开关柜对应的用电场所负载功率要大致相 等,即要考虑三相配电平衡问题,如凡用到 380V 的用电场所,要适当分配 A 与 B、B 与 C、C 与 A 都用到,并使其负载的功率大致相等,使得三相电用电安全可靠。 凡是用到 220V 的用电场所,要适当分配 A 与 N、B 与 N、C 与 N 都用到,并使其负载的功 率大致相等,使得三相电用电安全可靠。 如办公大楼为 6 层,如果各层用电功率大致相等且都用 220V 交流电,则配电方案选 A 与 N 分配给 1、2 层;B 与 N 分配给 3、4 层;C 与 N 分配给 5、6 层;即使得三相配电平衡,用电 安全可靠。当这样配电不能使得三相配电平衡时,就不能按楼层配电,而要考虑按楼层上的 设备配电,整个楼的某些设备按 A 与 N 配电,另一些设备按 B 与 N 配电,其他设备按 C 与 N 配电,也力求达到三相配电平衡。

2. 立式低压动力配电柜供电的三相五线制电源的概念及其实现
低压动力配电柜是按照机电设备的数量及接线要求将开关设备、测量仪表、保护电器和 辅助设备组装在封闭或半封闭金属柜中构成的低压配电装置,当车间内设备较多并且设备之 间的距离不太大时,往往用图 6 所示的立式低压动力配电柜。来自图 4 所示电缆桥架垂直上 弯通 6 的三相四线制电缆引入到图 5 所示车间空中槽式直通桥架 1 中,三相四线制电缆经过 上边垂直三通 2、树直槽式直通桥架 3 进入车间地面的立式低压动力配电柜中。 如图 6 所示为车间地面立式低压动力配电柜等设备位置关系图,三相四线制电缆 9 穿过 钢管 7 引入到低压动力配电柜 1 的底下,如图 7 所示,三相四线制电缆进入立式低压动力配 电柜后变化如下:

(1) 三相四线制电源线路的变化
如图 7 所示三相四线制电缆进入立式低压动力配电柜后,经过手拉式隔离开关 2 作 为总电源开关,把电源线分配给图 8 所示的 6 个塑料壳式空气断路器,每个断路器控制 A、B、 C、N 四根导线,每个塑料壳式空气断路器控制一台机电设备,也可以根据设备数量需要设置 几个塑料壳式空气断路器。

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图 8 塑料壳式空气断路器
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(2) 在立式电压动力配电柜外壳引出地线,形成三相五线制电源线路
如图 6 所示,在立式电气控制柜的侧面外壳上拧紧一螺栓,把导线 8 的一端连接到控制 柜外壳上,另一端连接到槽式直通桥架近处的一根不短于 2.5 米的 50×50 角钢的一端,在建 设车间时就把该角钢垂直埋入地面以下,这样动力配电柜 1 的外壳就实实在在和大地联在一 起了,并且如图 7 所示螺栓把导线 4 也经过控制柜外壳与大地联接在一起了,导线 4 就叫地 线,用 PE 表示,机电设备的外壳都与 PE 相接,就把机电设备的外壳与大地联接在一起了, 使机电设备外壳接地。如果因导线老化等原因 A、B、C 与机电设备外壳相接,则外壳的电荷 就经 PE 流入大地,不致对人体触电了。 PE N A B C

PE N U V W

PE N U V W

PE N U V W

PE N U V W

PE N U V W

PE N U V W

图 1-2-9 图 1-2-7 立式低压动力配电柜总电气原理示意图

如图 9 所示的三相五线制电源,根据机电设备供电需要可以接 PE、N、A、B、C 五根导线; 也可以接 PE、A、B、C 四根导线;也可以接 PE、N、A(或 B、C)三根导线形成 220V 交流电 源,完全取决于机电设备需要。其中 PE 接在机电设备外壳上,注意机电设备上往往有变压器、 电机、驱动器等等独立的电器部件,这些部件上的接地线也与 PE 接在一起。 对安装在车间一层楼并且位置比较固定的机电设备,通常如图 7 所示把出自立式低压动 力配电柜的导线穿过塑料管(或铁管、或电线蛇皮保护管)放入地面的沟槽中,如图 15、图 16 所示 PE、L1、L2、L3 四根导线接到 CK6140 数控车床电气控制柜接线端子上,其中 PE 接在 电气控制柜外壳。

3. 小型动力配电箱供电的三相五线制电源的概念及其实现
当车间内机电设备之间距离较大,或机电设备在二楼及其以上的楼层时,往往用图 10 等 形式的安装在墙壁或车间立柱上的小型动力配电箱,配电箱应安装在干燥、明亮、不易受震 动、便于操作和维护的场所。为了操作维修方便,配电箱的安装高度通常为 1.4 米。

(1) 三相四线制及三相五线制电源线路的形成
如图 5 所示三相四线制电缆 A、B、C、N 进入图 10 所示的小型动力配电箱,另
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一根地线 PE 的意义同前一样,在小型动力配电箱近处打入地下一根不短于 2.5 米的 50×50
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图 10 三相五线制供电挂式动力配电箱 1-三相五线制电源线 2、3、4-对应三相 A、B、C 电源线 5-零线 N 6-地线 PE 7-两根方形的 PVC 槽管根据需要连接至图 1-2-11,也可以至地面后如图 3-1-14 所 示经埋入地沟中的钢管引到机电设备近处 8-小型空气断路器 9-总的空气断路器

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图 11 三相五线制小型动力配电箱接出的供电插头 1、2、3-分别接 A、B、C 三根母线 4-接零线 N 5-接地线 PE 6-接母线

A、B、C 任意一根 7-接 0 线 N 8-接 A、B、C 任意一根 9-接零线 N

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图 12 带漏电保护器的三相五线制小型动力配电箱

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图 13 带漏电保护器的三相五线制小型动力配电箱接线 1-三相漏电保护器 2-漏电保护器试验按钮 3-单相漏电保护器 4-三相四线制插座 5-漏电保护按钮

的角钢,一端接在配电箱外壳上,这样 A、B、C 经过总的空气断路器 9 分配给四个断路器 8, A、B、C、N、PE 五根导线经过两根 PVC 塑料槽管 7 分配给图 1-2-11 所示的插座上,用户即可
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以用 380V 和 220V 交流电源。

(2) 电源插座电源线路的形成
如图 11 所示三相五线制电缆 A、B、C、N、PE 经过两根 PVC 塑料槽管接入 5 个插座 上,用户根据需要插入相应的插头即可用上 380V 和 220V 电源。 4. 带漏电保护器的小型动力配电箱三相五线制供电 如图 12 和图 13 为带漏电保护器的小型三相五线制配电箱及其接线图,当用电设备正常 运行时,漏电保护器线路中电流呈平衡状态,互感器中电流矢量之和为零,一次线 圈中没有剩余电流,所以不会感应二次线圈,漏电保护器的开关装置处于闭合状态运行。当设 备外壳发生漏电并有人体触及外壳时,则在故障点产生分流,此漏电电流经人体—大地—工 作接地,返回变压器中性点(并未经电流互感器),致使互感器电流入、流出的电流出现了 不平衡(电流矢量之和不为零),一次线圈申产生剩余电流,便会感应二次线圈,当这个电 流值达到该漏电保护器限定的动作电流值时,自动开关脱扣,切断电源,避免发生触电事故。

(四)三相四线制、三相五线制电源测试 1. 三相四线制电源测试
用数字电表测试图 11 所示插孔之间的交流电压,若 1、2、3 插孔任意两孔接线之间的电 压为 380V、而这三个插孔与 4 孔接线的电压均为 220V,则接线正确。否则就不正确,需要重 新检查配电柜与接线插座连线,直到测试电压正确为止。图 13 所示的三相四线制插座接线的 测试方法相同。

2. 三相五线制电源测试
用数字电表测试图 11 所示三相五线制插孔之间的交流电压,若 5、6 插孔之间的电压为 220V,6、7 插孔之间的电压也为 220V,而 7、5 插孔之间的电压为 0V 则接线正确;否则需要 检查修改接线线路,直到满足该测试结果为止。 测试 8、9 插孔之间的电压也为 220V。

三.任务要点归纳总结
本任务从电能产生的企业即发电厂开始到三相四线制和三相五线制电力的形成整个环节 进行了理实一体化论述,从供电的角度分:
发电厂 及升高 电压站 变电站(所)产 生三相四线制 (低压开关柜) 车间动力配电柜(箱) 产生三相五线制 机电设备电气控制柜,三 相四线或三相五线制用电

一次供电

二次供电

图 14

电力系统一次供电、二次供电的概念和设备名称

一次供电:从发电厂发电到用升压变压器升高电压输送到企业(用户) ,企业(用户)再 用降压变压器降压形成三相四线制电源这一环节叫一次供电。 二次供电:从三相四线制的形成,经过立式动力配电柜或小型动力配电箱进一步形成三 相四线制和三相五线制电力给机电设备分配电力,到设备供电安装、运行这一环节叫二次供

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电。图 3 所示的变电站(所)内的电气柜一般称作低压开关柜,图 6 所示的连接电源与用电 设备的中间过渡电气柜一般称作低压动力配电柜,而图 10 和图 12 所示的一般称作低压动力 配电箱,而图 3-1-14 所示的直接控制机电设备的电气柜一般称作机电设备电气控制柜。一次 供电、二次供电的划分及其有关设备的概念如图 14 所示。 从电力管理部门的角度分: 国家电网或能源公司的业务范围:从发电厂发电到用升压变压器升压输送到变电站(所) 或高压变电室这一环节通常是国家电网或能源公司的业务范围,通常把大于等于 10 千伏的高 压电降压到三相四线制的场所叫变电站(所) ,而把小于 10 千伏的高压电降压到三相四线制 的场所高压变电室,本文为论述方便统称变电站(所)了。 企业(用户)的业务范围:而企业(用户)经变电站(所)或高压变电室用降压变压器 降压后形成三相四线制,进而经过动力配电柜形成三相四线制和三相五线制电源接线,直到 设备用电这一环节属于企业(用户)的业务范围。 这两部分业务范围虽然归口管理部门不同,但有一套统一的管理业务规范,都要认真执 行,国家电网或能源公司有职责对一次供电进行管理、监督。 在二次供电中,只是论述了图 6、图 10 和图 12 三种形式的动力配电柜和动力配电箱,动 力配电还有其他多种形式,如图 7 图 10 和图 13 都是带总开关的,还有不带总开关的;还有 带电度表的和不带电度表的;还有带电流电压表的和不带电流电压表的等等,其目的都是连 接电源与用电设备的中间过渡装置,具有分配电能、对用电设备进行控制、测量、指示及保 护等作用。

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图 15

来自电气控制柜的动力电路接入数控车床电气控制柜

1-CK6140 数控车床电气控制柜 2-接入电气控制柜 L1、L2、L3、PE 四根导线 3-来自图 1-2-7 配电柜输出的导线 5 插入钢管放在水泥地面的沟槽中

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从动力配电柜(箱)引出的电源线用 A、B、C、N、PE 表示,或用 L1、L2、L3、N、PE 表示, 当这些电源线经过控制电器引入到机电设备上的电动机等电器时,则用 U、V、W、N、PE 表示, 不同设备辅以 1、2、3 等下标数字区分,主要设备下标数字小,次要设备下标数字大。如图 17 三个电动机由主到次的程度依次为主电机 M1、进给电机 M2 和冷却电机 M3,下标数字由小到 大 U11、V11、W11,U21、V21、W21 ,U31、V31、W31。

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图 16

CK6140 数控车床电气接线安装图

1-数控车床电气控制柜 2-三相电 L1、L2、L3 接入接线端子 3-地线 PE 接到控制柜外壳

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图 17

X6132 普通卧式铣床电气控制原理图

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