發(fā)電廠是交流電，還是直流電輸送？

時間：2020-10-12 11:44:15

關(guān)鍵字：發(fā)電機(jī) 電力系統(tǒng)

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[導(dǎo)讀]可能很多人都有一個疑問，我們的高壓電是交流電傳輸，還是直流電傳輸？答案是：交直流都有，但目前主要是交流電。

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可能很多人都有一個疑問，我們的高壓電是交流電傳輸，還是直流電傳輸？

答案是：交直流都有，但目前主要是交流電。

以下整理來自知乎的文章。來源鏈接：

https://www.zhihu.com/question/40077151

一、前言

發(fā)電機(jī)輸出交流電是從整個電力系統(tǒng)方面考慮的，而非僅僅考慮到發(fā)電機(jī)成本問題。

當(dāng)然，交直之爭放到現(xiàn)在，也不是僅僅以交流電勝出而終止。就現(xiàn)在的電力系統(tǒng)而言，高壓輸電是交直并存、相輔相成的狀況。甚至，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流輸電也有可能會再次強(qiáng)勢回歸主導(dǎo)地位。總而言之，交直流的發(fā)展過程是：

直流（1882）——交直相爭——交流勝出（1893）——直流回歸，交直并存（1954至今）

二、直流輸電和交流輸電的發(fā)展過程

1.直流王朝的開辟

電的商業(yè)化應(yīng)用始于19世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時電弧燈已經(jīng)用于燈塔和街道的照明。

第一個完整的電力系統(tǒng)（由發(fā)電機(jī)、電纜。熔絲、電表和負(fù)荷組成）是托馬斯愛迪生在紐約城歷史上有名的皮埃爾大街站（Pearl Street station）建成并于1882年9月投入運(yùn)行。這是一個直流電力系統(tǒng)，由一臺蒸汽機(jī)拖動直流發(fā)電機(jī)給半徑為1.5km面積內(nèi)的59個用戶。負(fù)荷全部由白熾燈組成，通過110V地下電纜供電，在此后幾年內(nèi)，類似的電力系統(tǒng)已經(jīng)在世界上大多數(shù)城市投入運(yùn)行，隨著1884年福蘭克斯普萊克（Frank Sprague）對發(fā)電機(jī)的開發(fā)，電動機(jī)負(fù)荷也加入到這樣的系統(tǒng)中。這是電力系統(tǒng)發(fā)展成為世界最大工業(yè)之一的開端。

2.交直相爭，“交流”一戰(zhàn)成名

盡管初期直流系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，但后來它幾乎完全被交流系統(tǒng)替代。到1886年，直流系統(tǒng)的局限性明顯露出來，因?yàn)樗荒茉诤芏痰木嚯x內(nèi)從發(fā)電機(jī)向外送電。為了將輸電損耗（RI2）和電壓降落限制到可以接受的水平（例如低壓直流輸電采用110V，那么到最末端的時的電壓可能只有80V了），長距離輸電系統(tǒng)必須采用高電壓。而這樣高的電壓是發(fā)電機(jī)和用戶都不能接受的，因此必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行電壓變換。

?L.高拉德（L.Gaulard）和法國巴黎的J.D.吉布（J.D.Gibbs）開發(fā)了變壓器和交流輸電技術(shù)，由此產(chǎn)生了交流電力系統(tǒng)。喬治西屋（George Westinghouse）獲得了這些新設(shè)備在美國的應(yīng)用權(quán)利。1886年，西屋的助手威廉斯坦利（William Stanley）開發(fā)和實(shí)驗(yàn)了商業(yè)實(shí)用的變壓器和在馬薩諸塞州大白靈頓的由150個電燈組成的交流配電系統(tǒng)。1889年，北美洲第一個交流輸電線在俄勒岡州威拉姆特州瀑布和波特蘭之間建立并投入運(yùn)行，這是一條單相的線路，輸電電壓4000V，輸送距離21km。

?隨著尼古拉特斯拉（Nikola Tesla）的多相系統(tǒng)的開發(fā)，交流系統(tǒng)變得越來越具有吸引力。1888年，特斯拉持有關(guān)于交流發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)。變壓器和輸電系統(tǒng)的若干專利?；垩圩R珠的西屋購買了這些早期發(fā)明專利，這些發(fā)明奠定了當(dāng)今交流電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

在19世紀(jì)90年代，曾有過關(guān)于電力系統(tǒng)采用直流還是交流作為標(biāo)準(zhǔn)的相當(dāng)大的爭論。在主張直流的愛迪生和偏好交流的西屋之間發(fā)生了激烈的辯論（愛迪生還允許助手通過使用交流電電死大象、試驗(yàn)電椅等的試驗(yàn)來證明交流電的危害）。

在世紀(jì)之交，交流系統(tǒng)對直流系統(tǒng)取得了勝利，其主要原因是：

a.交流系統(tǒng)的電壓水平更容易地轉(zhuǎn)換，因此提供了使用不同電壓的發(fā)電、輸電和用電的靈活性。

b.交流發(fā)電機(jī)比直流發(fā)電機(jī)更簡單。

c.交流電動機(jī)比直流電動機(jī)更簡單、更便宜。

1893年，南加州一條12km長的2300V電力線路投入使用。它是北美洲第一條三相電力線路。大約在同一時期尼亞加瀑布也選擇了交流送電，因?yàn)椴捎弥绷鞑豢赡軐㈦娏λ碗娝屯?0km以外的布法羅。這一結(jié)果結(jié)束了交直之爭并奠定了交流系統(tǒng)獲勝的基礎(chǔ)。

日益增長的向更遠(yuǎn)距離輸送大量電力的需求是推動逐漸采用更高電壓水平的動因。早期交流系統(tǒng)采用了12.44kV和60kV。于1922年采用了165kV，1923年提高為220kV，1935年提高為287kV，1953年提高為330kV，1965年提高到500kV?？笨穗娏值牡谝粭l735kV線路于1966年送電，美國765kV線路則于1969年投入運(yùn)行。

3.“直流”回歸，是百日王朝還是東山再起？

隨著汞弧閥于20世紀(jì)50年代的發(fā)展，高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)在某些情況下變得更經(jīng)濟(jì)。高壓直流輸電對于大容量遠(yuǎn)距離輸電更有吸引力。與交流電相比直流輸電方案變得更具有競爭力的輸電距離交叉點(diǎn)對架空線路大約是800km。當(dāng)電力系統(tǒng)間由于系統(tǒng)穩(wěn)定的考慮而不適合聯(lián)網(wǎng)或者系統(tǒng)的額定頻率不同時，高壓直流還提供非同步聯(lián)網(wǎng)（背靠背）。第一個現(xiàn)代商用的高壓直流輸電于1954年在瑞典建成，它通過96km的海底電纜將瑞典本土與哥特蘭島互聯(lián)起來。隨著晶閘管閥的發(fā)展，高壓直流輸電變得更具有吸引力。第一個采用晶閘管閥的高壓直流系統(tǒng)是1972年在伊爾河的背靠背工程。它提供了魁北克和新不倫瑞克之間的非同步電網(wǎng)互聯(lián)。伴隨著交流設(shè)備價格的降低、尺寸的縮小和可靠性的提高，高壓直流輸電的應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大。20世紀(jì)90年代以后，一種新型氧化物半導(dǎo)體器件－絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在工業(yè)驅(qū)動裝置上得到廣泛應(yīng)用，并引入了直流輸電領(lǐng)域。1997年，第一個采用IGBT閥組成的電壓源換流器的直流輸電工業(yè)性試驗(yàn)工程（3 MW、10kV、10km）在瑞典投運(yùn)。更是為直流輸電的發(fā)展帶來了嶄新的面貌。若從對系統(tǒng)的穩(wěn)定性角度來看，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備的成本下降，那么直流輸電的優(yōu)越性會更大程度地提高，而直流輸電回歸霸主的地位就完全是有可能的。

我國高壓直流輸電工程起步雖然比較晚，但是發(fā)展卻非常迅速，步入世界先進(jìn)行列。我國第一個HVDC工程是浙江舟山HVDC工程(為工業(yè)試驗(yàn)性工程),葛滬HVDC工程是我國第一個遠(yuǎn)距離大容量HVDC工程,三常HVDC工程是我國第一個輸送容量最大(3000MW)的HVDC工程,靈寶(河南省靈寶縣)背靠背HVDC工程是我國第一個背靠背HVDC工程。

我國現(xiàn)有直流輸電線路：

三、交流電在十九世紀(jì)的勝出——經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)越

從十九世紀(jì)的技術(shù)上看，首先：

1、導(dǎo)致直流電被淘汰的最主要原因是線損問題（即線路上的電能損耗）。

利用這種低壓（110V）輸電，想要長距離輸送電能需要付出很多代價，首先是隨著輸送距離的增加，那么線路的等效電阻R就隨之增大，線路損耗也就增大，線損甚至能達(dá)到50%以上，也就是說，如果發(fā)電廠發(fā)出1000W的電，那么用戶可能就只得到了500W的電能，有500W的電能損耗在了輸電線路上。這樣的損耗，是任何一家發(fā)電廠都不愿意接受的。

2、電壓（電能質(zhì)量、電壓降落）問題

就如前面提到的，如果采用低壓直流輸電（110V），靠近發(fā)電廠附近的用戶能保證自己獲得的電壓接近110V，而遠(yuǎn)離發(fā)電廠的用戶可能獲得的電壓卻只有80V了，這將嚴(yán)重影響了電器的使用和壽命了。

那么有人會問？為什么不把發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓升高一點(diǎn)呢？

提升可以，可是到底還是要對用戶負(fù)責(zé)啊，假如把電壓提升到了140V，在發(fā)電廠末端的用戶將可能獲得了110V的電壓，而靠近發(fā)電廠的用戶就要承擔(dān)140V的電壓，這個電壓就超出了電器的額定電壓了，同樣會損壞電器、降低其使用壽命。

3、從繼電保護(hù)上來比較

如果使用高壓輸電，我們想要在故障時快速切斷故障電流，這時往往會出現(xiàn)很大的電弧，如果不及時把這個電弧切斷會嚴(yán)重破壞電力系統(tǒng)。

交流相比直流，交流過零點(diǎn)，電弧會短暫熄滅，而直流電不存在，就斷路器的制造方面來說，交流斷路器是更容易實(shí)現(xiàn)的。

即使放到現(xiàn)在，交流斷路器已經(jīng)更新?lián)Q代了數(shù)次，技術(shù)可謂相當(dāng)成熟了，而高壓直流斷路器依然是一個較難實(shí)現(xiàn)的東西，現(xiàn)有的高壓直流斷路器也是差強(qiáng)人意。

4、還有其他的就如前面提到的發(fā)電機(jī)、電動機(jī)成本等等的問題。

四、直流電的回歸——科技帶來曙光

交流電的優(yōu)越性貌似多不勝數(shù)。

但，那只是一個相對性的問題，隨著時間推移、科技的發(fā)展，優(yōu)越性甚至?xí)蔀槠涠贪濉?/span>

交流電力系統(tǒng)也存在著其固有的弊端——系統(tǒng)穩(wěn)定性。

交流電力系統(tǒng)之間，因?yàn)榇嬖谥瞧胶?，這就涉及到兩個系統(tǒng)間的功角穩(wěn)定性問題，一旦兩個系統(tǒng)失去同步，很可能導(dǎo)致兩個系統(tǒng)都發(fā)生崩潰而停電。

而直流電不存在著功角問題，用來聯(lián)絡(luò)兩個交流系統(tǒng)不會出現(xiàn)上述問題。

20世紀(jì)50年代后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，整流器（將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?、逆變器（將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡┫嗬^而生。換流閥的控制技術(shù)也進(jìn)入了一個相當(dāng)明朗的地步，切斷直流電的速度并不亞于交流斷路器。

高壓直流輸電的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、輸送相同功率時，線路造價低：

對于架空線路，交流輸電通常采用3根導(dǎo)線，而直流單極只需1根，雙極只需2根。對于電纜線路，其投資費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)都更為經(jīng)濟(jì)，這也是越來越多的大城市采用地下直流電纜的原因。

2、線路有功損耗?。?/span>

直流線路沒有感抗和容抗，也就沒有無功損耗。其電暈損耗和無線電干擾均比交流架空線路要小。

3、沒有系統(tǒng)的穩(wěn)定問題：

交流系統(tǒng)有一定的電抗，輸送的功率有一定的極限，如果超過這極限，送端的發(fā)電機(jī)和受端的發(fā)電機(jī)可能失去同步而造成系統(tǒng)的解列。

4、能限制系統(tǒng)的短路電流；

5、調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行可靠。

這些優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn)幾乎都有賴于電力電子技術(shù)的從無到有，從開始到高速發(fā)展。

而目前最限制直流輸電發(fā)展的是換流站昂貴的造價，所以目前來看并不顯現(xiàn)出其卓越的優(yōu)越性，但相信，隨著這方面技術(shù)的發(fā)展，降低換流站的造價是指日可待的事，而是否由高壓直流輸電一統(tǒng)天下還是讓我們拭目以待吧！

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