三相电力系统：基础与优势

什么是分相电力？

分相系统通过将总电压分为较低电平，提高导体效率同时降低安全风险。每个负载在降低电压下工作，电流仍保持全电压系统典型水平。

“相位”严格属交流概念，同一原理适用于直流。通常称为三线系统而非分相。

因失相交流电压不直接相加，可利用此特性创建导体效率更高、触电危害更低的电力系统，优于分相。

示例

两相位差 120° 电压源

考虑两交流电压源串联如分相系统，但每源相位差 120°：

 

相位差 120° 的 120 Vac 源对，类似分相。

 

每源供 120 V，每负载电阻直接并联其源。故每负载电压 120 V，负载电流 83.33 A，每负载耗散 10 kW。

两“火线”间电压非 240 V（120° – 180°），因相位差 120°。线间电压为：

 

 

标称火线间电压 208 V（约），系统称为 120/208。

计算中性线电流发现即使负载平衡也不为零。基尔霍夫电流定律要求进出两负载间节点电流抵消：

 

 

中性线承载满 83.33 A，同每火线。

 

发现与结论

虽中性线仍承载与火线相同电流，总功率仍 20 kW（每负载 10 kW）。因火线间电压仅 208 V——比分相 240 V 低 32 V——安全性提升且无需更换导体规格，因需同规格铜线。

三相位差 120° 电压源

中性线电流提示可将其作为额外火线。增加第三 120 V 源、相位 240°，允许第四负载共享同三导体：

 

第三负载相位差 120°，电流同两负载情况。

 

三相系统 SPICE 计算

全网络分析用叠加定理，直观结果：三 120 V 源相位差 120° 向每平衡负载电阻提供 120 V。

SPICE 确认：

 

SPICE 电路：三 3-Φ 负载相位差 120°。

 

120/208 polyphase power system
v1 1 0 ac 120 0 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 240 sin
r1 1 4 1.44
r2 2 4 1.44
r3 3 4 1.44
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1)
.print ac i(v1) i(v2) i(v3)
.end

VOLTAGE ACROSS EACH LOAD
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4)
6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02
VOLTAGE BETWEEN “HOT” CONDUCTORS
freq v(1,2) v(2,3) v(3,1)
6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02
CURRENT THROUGH EACH VOLTAGE SOURCE
freq i(v1) i(v2) i(v3)
6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

结果显示每负载 120 V，任意两火线间约 208 V，每导体 83.33 A。每负载耗散 10 kW。

电路缺中性线电压稳定。若一负载开路，其余负载电压改变。加入中性线确保平衡负载稳定运行，仅负载故障或断开时承载电流。

 

标注仿真结果的 SPICE 电路：三 3-Φ 负载相位差 120°。

 

多相电路

我们考察的——具有不同相位角的三电压源——称为多相电路。“Poly”意为“多”，如“多神教”或“多边形”。电力系统中指多个相移电压波形。

具体而言，三相电路是最常见多相系统，驱动大规模配电网络。

三相系统与单相系统对比

单相系统

三相同负载在单相 120 V 系统总共汲取 250 A（83.33 A × 3）。需 3/0 AWG 铜线（≈510 lb/1,000 ft）。千英尺超半吨铜。

 

对比：三 10 kW 负载在 120 Vac 系统汲取 250 A。

 

分相系统

分相系统可减半电流。两 15 kW、120 V 负载在 240 V 线电压下汲取 125 A，允许 2 AWG 铜线（≈200 lb/1,000 ft）。但 240 V 引入更高触电风险。

 

分相系统在 240 Vac 下汲取 125 A，电流减半相比 120 Vac 系统。

 

三相系统

对比前两者，平衡三相系统每导体仅 83.33 A。4 AWG 铜线（≈125 lb/1,000 ft）足矣，降低材料成本同时最大电压 208 V——低于分相 240 V。

主要问题是如何产生三相位差 120° 的交流电压源。分相用中抽头，三相发电机将三组绕组按 120° 布置转子周围，直接在源头产生所需相移。

下图中，六极绕组形成三对；每对输出 120 V 交流波形，与其他相位差 120°。绕组通常“Y”（星形）连接，各绕组一端接公共中性节点。

 

(a) 单相发电机，(b) 三相发电机。

 

发电机 Y 接法。

 

回顾

• 单相系统有一个交流电压源。
• 分相系统用两 180° 失相源，减小导体电流同时保持负载电压低。
• 多相系统用多个不同相位角电压源，以更低电压、更小导体传输更多功率。
• 相移电压源由转子周围多组绕组发电机产生。

相关工作表

• 多相电力系统工作表