三相交流负载的星形连接介绍

图5-13所示为常见的照明电路和动力电路，包括大量的单相负载（如照明灯具）构成的三相负载和对称的三相负载（如三相异步电动机）。这些单相负载被接在每条相线与中性线之间，组成的这种负载连接方式称为星形连接。

三相交流负载连接

技能三相负载星型连接

1.电路结构

三相负载的星形（Y）连接的电路原理如图5-14所示。图中ZA、ZB和ZC分别表示A、B、C三相的负载。三相负载的首端分别接到电源的3根相线上，其末端连接在一起，接到电源的中性线上，就形成了三相负载的星形（Y）连接。

图5-14　三相负载的星形连接电路原理

像这样把各相负载分别接在每条相线与中性线之间的供电形式称为三相四线制，目前我国低压配电系统普遍采用三相四线制，线电压是380 V，相电压为220 V。平时所接触的负载，如电灯、电视机、电冰箱、电风扇等家用电器，它们工作时都是用两根导线接到电路中，采用的就是三相四线制。

2.电压、电流的基本关系

1）电压关系

如图5-14所示，三相负载星形（Y）连接时，由于各相负载是分别接在每条相线与中性线之间的，若略去输电线上的电压降，则各相负载两端的电压就等于电源的相电压，也就是倍电源的线电压。由于电源的相电压是对称的，所以3个负载的电压也是对称的，即它们的振幅相等、频率相同，相位依次互差120°。

2）电流关系

在三相电路中，流过端线的电流，称为线电流，其有效值通用符号为IL。流过每相负载的电流称为相电流，其有效值通用符号为IP。从图5-14可以看出，星形连接的负载，其线电流等于相电流，即IL=IP。根据欧姆定律，各相电流相量为

三相负载星形连接时，相电压和相电流的相量图如图5-15所示。

图5-15　三相负载星形连接的相电压、相电流相量图

（a）负载对称（ZA= ZB= ZC）；（b）负载不对称（ZA≠ZB≠ZC）

由于对称三相电源，，则各相电流有效值为

流过中线的电流定义为中线电流，三相四线制的中线电流为

若三相负载的复阻抗相等，即ZA=ZB=ZC=Z，称三相负载对称。在三相负载对称的电路中，由于三相负载的电压对称，因此负载上流过的相电流也对称，如图5-15（a）所示，即它们的振幅相等、频率相同，相位依次互差120°，则有

如三相异步电动机及三相电炉等对称负载，当采用星形连接时，就不需接中性线。再比如：在高压输电时，由于三相负载都是对称的三相变压器，所以也都采用三相三线制供电。

三相对称负载作星形连接时，中性线电流为零。此时中性线可以省去，如图5-16所示，并不影响三相负载的正常工作，各相负载的相电压仍为对称的电源相电压，这样三相四线制就变成了三相三线制。例如，三相电动机的三相绕组的首端分别接在相线上，而末端接在一起，这时三相电动机的每相负载承受的是电源相电压，这种供电方式的特点是3根导线就可以完成三相负载的供电连接，这就是典型的三相三线制。

图5-16　三相三线制电路

但实际上多个单相负载接到三相电路中构成的三相负载不可能完全对称。当三相负载不对称时，各相负载相电流的大小就不相等，相位差也不一定是120°，如图5-15（b）所示。因此，中性线电流不一定为零。

即三相负载不对称，相电流不对称，得中线电流为

此时中性线绝不可断开。因为当有中性线存在时，它能使作星形连接的各相负载即使在不对称的情况下，也均有对称的电源相电压，从而保证了各相负载能正常工作；如果中性线断开，各相负载的电压就不再等于电源的相电压，这时，阻抗较小的负载的相电压可能低于其额定电压；阻抗较大的负载的相电压可能高于其额定电压，使负载不能正常工作，甚至会造成严重事故。所以，在三相四线制电路中不但不能去掉中线，还要保证中线可靠连接，有时中性线还采用钢芯导线来加强其机械强度，以免断开；接头处应连接牢固，并且在中线上不允许安装开关或熔断器。另外，在连接三相负载时，应尽量使其平衡，以减少中性线的电流。如实际供电的住宅小区由于各楼层负载不尽相同，也不可能在同一时间内使用，所以这是一个典型的不对称负载，应尽量均衡地分别接到三相电路中去，而不应把它们集中在三相电路中的某一相电路里。

3.三相负载星形（Y）连接电路分析

三相电路分析

1）负载对称

在三相四线制中，如果三相负载对称，则每相负载中的相电流也对称，这样在电路计算时，就可以只对一相电路进行计算，另两相电流可根据对称性直接写出，该方法称为单相法。

例5.2　某对称三相电路，负载为Y形连接，每相的电阻R=3Ω，感抗XL=4Ω。电源电压对称，其中忽略输电线路阻抗。求负载的相电流、线电流和中性线电流。

解　因负载对称，采用单相法分析电路。

负载为Y形连接，据式（5-8）得　

Y形连接下，线电流等于相电流，所以线电流与相应的相电流为

根据对称性，得

所以，得

因三相电路对称，中线电流为

2）负载不对称(www.xing528.com)

在三相四线制中，当三相负载星形连接负载不对称时，可将各相分别看作单相电路进行计算分析。

例5.3　如图5-17所示的三相电路，电源电压对称。设电源线电压。负载为电灯组，若RA=5Ω、RB=10Ω、RC=20Ω，求线电流及中性线电流。

图5-17　例5.3用图

解　已知：

例5.4　照明系统故障分析，电路如图5-18所示，UL=380V。

（1）A相短路：中性线未断时，求各相负载电压，中性线断开时，求各相负载电压。

（2）A相断路：中性线未断时，求各相负载电压；中性线断开时，求各相负载电压。

解　（1）A相短路。

① 中性线未断，如图5-19所示。此时A相短路电流很大，将A相熔断丝熔断，但B相和C相未受影响，其相电压仍为220 V，能正常工作。

图5-18　照明系统示意图

　图5-19　照明系统A相短路示意图

② 中性线断开时，如图5-20所示，此时负载中性点N即为A，因此负载各相电压为

此种情况下，B相和C相的电灯组由于承受电压都是线电压380 V，超过额定电压（220 V），这是不允许的。

（2）A相断路。

① 中性线未断，如图5-21所示，此种情况下，B相和C相的电灯组仍承受220 V电压，能正常工作。

图5-20　照明系统A相短路且中性线断开示意图

图5-21　照明系统A相断路示意图

② 中性线断开，如图5-22所示。此时三相电路变为单相电路，如图5-23所示。由图可求得

图5-22　照明系统A相断路且中线断开示意图

图5-23　照明系统A相断路且中性线断开等效电路

当RB＜RC时，UB＜220V，UC＞220V。

从计算结果看，B相负载因为所加电压低于220 V额定电压，不能正常工作；C相负载则因为所加电压高于220 V额定电压，将会造成过压损坏。

通过对照明系统故障的分析，可知以下几点。

（1）不对称三相负载作星形连接且无中性线时，由于负载阻抗的不对称，三相负载的相电压不对称，且负载电阻越大，负载承受的电压越高。也就是说，有的相电压可能超过负载的额定电压，负载可能被损坏（灯泡过亮烧毁）；有的相电压可能低些，负载不能正常工作（灯泡暗淡无光）。

（2）中性线的作用：保证星形连接时三相不对称负载的相电压对称不变。

（3）对于不对称的三相负载，如照明系统，必须采用三相四线制供电方式，中线不能去掉，且中性线上不允许接熔断器或刀闸开关。

（4）有时为了增加中性线的强度以防拉断，还要采用带有钢芯的导线作中性线。

【特别提示】

负载星形连接三相电路的分析和计算要点如下。

① 各负载的电压=电源相电压（线路的阻抗忽略不计）。

② 各线电流=相应负载的相电流。

③ 中线电流。

④ 如果电路对称，只需计算其中一相，另两相根据对称性直接写出（大小相等、频率相同、相位依次互差120°）。

⑤ 如果电路不对称，可看作单相电路逐相进行计算。