大家普遍知道,家庭用电的接入电压通常是220V,但也有一些情况下是380V。那么,220V和380V这两种电压的区别究竟体现在哪些方面呢?
或许有些读者会立刻回答:“这不就是相电压和线电压的区别啊!”,的确,220V是相电压,而380V是线电压,但这并非它们差异的核心原因。因为在三角形连接方式的三相电路中,相电压和线电压是相等的。
因此,若要深入理解220V和380V的不同之处,就必须先明确相电压和线电压的定义,并熟练掌握基本的三角函数计算方法。
对于接入电压为220V的用户,我们称之为单相用户,其入户线路包含两根,分别是火线和零线。所谓“单相”,实际上是指单根相线,这个相线就是我们常说的火线,因为它始终带有电压,所以存在一定的危险性,就像带火一样。而零线则是指中性线,它在正常情况下是直接接地的,因此电压能维持在0V,所以被称为零线。
显然,火线(即相线)与零线(即中性线)之间的电压被称为相电压,而火线与火线之间的电压则被称为线电压,但这都是在存在零线的情况下定义的。如果三相线路采用三角形连接方式,那么它将没有零线(中性线),在这种情况下的相电压和线电压应如何定义呢?
图1-1
无论是三角形连接还是星形连接,在三相电路中,三相电源和三相负载中每一相的电压都被称为相电压,而各输电线的线端之间的电压则被称为线电压,如下图1-1所示。显然,相电压是基于电源和负载的,而线电压则是基于输电线路的。
例如上文提到的单相用户,就可以看作是三相电路中的每相负载,如下图1-2所示。配电变压器低压侧引出四根线,即三相四线制的三根火线与一根零线,每个单相用户都会从这三根火线中选择一根进行分接,而零线则是从总零线分接,这样就可以形成单相回路,为单相负载提供电力。
接在同一根火线上的所有单相用户之间存在并联关系,它们的电压都是220V,如果将它们看作一个整体,那么这个整体就构成了该相的负载,如上图1-2所示的C相负载,这实际上是两个单相用户并联后的总负载。
在了解了相电压和线电压的定义之后,我们就可以进一步分析220V和380V之间的数值关系了。接下来,让我们一起探讨它们之间的具体差异。
根据图1-1所示的电路,我们可以发现,在三角形连接方式中,相电压的正负极实际上就是线电压的正负极,即相电压直接等于线电压,这并没有太多需要解释的地方。我们主要关注星形连接方式下的电压关系,而星形连接方式也是配电变压器低压绕组所采用的连接方式。
为了便于分析,我们可以使用相量来表示相电压和线电压。所谓“相量”,实际上就是用带有箭头的有向线段来表示电压,如果不理解的话,可以将其视为数学中的向量。其中,相量的方向表示电压的初相位,而相量的长度则表示电压的大小,如下图1-3所示的三个相电压,它们的相位依次相差120°,长度均相等,表示220V的电压大小。
图1-3
关于箭头的指向与初相位的关系,我们可以参考直角坐标轴,如图1-3所示,横轴正半轴对应的角度为0°,按逆时针方向旋转,角度会逐渐增大,例如纵轴正半轴对应90°角,按顺时针方向旋转,角度会逐渐减小,例如纵轴负半轴对应的角度为-90°。
图1-3中的三个相电压中,A相电压相量的初相角为0°,B相滞后A相120°,所以在图中表示为顺时针旋转120°,同理C相电压相量超前A相电压120°,所以逆时针旋转120°。此时,三个相电压是对称的。
图1-4
在星形连接方式中,线电压等于两个相电压的相量差,如图1-4所示,例如线电压UAB等于相电压UA减去UB。需要注意的是,这里的相减并不是简单的数值相减,而是相量的相减。至于为什么UAB等于相电压UA减去UB,可以这样理解,中性点N接地,电位为零,所以A相的电压实际上是端点A的电位,同理,端点B的电位为UB,端点AB之间的电压为这两点的电位差,这就是线电压UAB。
那么,相量的相减是如何计算的呢?在回答这个问题之前,我们先来看一个例子。如下图1-5所示,有甲、乙两个人,从起点(中性点)出发,分别沿UB、UA两个方向前进220米,UB、UA两个方向的夹角为120°,问最后甲和乙之间的距离是多少米。
图1-5
这个问题的计算相对简单,甲乙终点之间的距离可以用乙的位移减去甲的位移来计算。结合三角函数的知识,将甲、乙的起点与终点连在一起,可以发现这是一个等腰三角形,如下图1-6所示。等腰三角形的角平分线和高是同一条线,且与底边交点即为底边的中点。
图1-6
三角形的内角和为180°,顶角为120°,可以得出两个底角为(180°-120°)/2=30°。在直角三角形(绿红黑)中,红色边的长度就等于220×cos30°,如图1-6所示,最终就可以得出甲、乙终点之间的距离为220√3≈380米(红色边长的两倍)。
同理,相量UA和UB的相减实际上就是UA和UB尾端之间的长度,对比图1-3和图1-6,可以发现,甲乙终点之间的距离也就是线电压UAB的长度,而长度又表示电压的大小,所以在相电压为220V时,可以得出线电压为380V。
你,理解了吗?