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为什么我们要采用交流电?这个问题你未必明白!

国际能源网能源资讯频道  来源:机械工业出版社E视界  日期:2017-02-22

稍微懂些电工基础的朋友都知道,我国使用的是交流电,一般频率是50Hz。我们常见的电灯、电动机等使用的都是交流电。

说起为什么要采用交流电?大家的回答无非是:在以往的技术条件下,交流电比直流电更有效率。但真的只有这么简单吗?其实,交流电与直流电一直在PK,这还真不是一两句就能解释的!

一项发明,在历史长河中是否具有生命力,取决于它的实用价值。例如拉链,被誉为最伟大的发明,其道理也基于此。

我们知道,电能包括发电、输送电、配电和用电四大过程。

1.发电和输送电的升压和降压

在发电和输送电的过程中,有一个关键的设备,就是变压器。为何要用变压器来改变电压?

我们知道,电能的传输导线是具有电阻的,传输导线所消耗的电能功率Pline为:

Pline=I²R。

这里的I就是流过导线的电流。

可见,为了减小线路损耗,就要减小电流。事实上,输送电消耗掉的电能,占总发电电能的比例不可小觑。减小输送电的线路损耗,有很大的意义。

要减小电流,最方便的就是利用变压器。如果我们忽略掉变压器的各种损耗,例如铁损、铜损等等,则变压器两侧的功率基本相等。把变压器某侧的电压升高,该侧的电流自然就减小了。

不过,变压器只能工作在交流电路中,不能工作在直流状态下。

我们来看变压器的工作原理:

忽略变压器的损耗,则有:

U1I1=U2I2

K=U1/U2=I2/I1

在这里,U1和I1是变压器一次侧的电压和电流,U2和I2是变压器二次侧的电压和电流,K是变比。

我们看到,只要把U2提高,则I2自然就小了,于是在输配电线路的起始端,我们把电压给升高,在输配电线路的末端,我们再把电压给降下来。这样就减小了线路损耗。交流传输线上的高压电和超高压电其用途就在于此。

我们看到,利用变压器,交流电压的高低变换何其方便。

但直流电可以升压吗?当然可以,但相对交流升压来说,要麻烦很多,且成本要高很多。除非是长距离输送电,否则不上算。

可见,在发电和输送电中,交流电比直流电要方便很多,成本也低廉很多。

不过,也不是说直流就没有优势。交流线路电阻与直流相比,还多了趋肤效应和邻近效应,因此同样的导线,交流线路电阻大于直流线路电阻。换句话说,交流的线路损耗大于直流的线路损耗。也因此,采用直流长距离输送电,也是人们追求的目标之一。

我国在这方面走在世界前列,我国的世界首条±800kV的直流输电线路正在平稳高效安全地运行中。

2.配电方面的问题

在输送电的末端,需要分配电能,这就需要使用配电电器。配电电器的主要元件是各类隔离开关和断路器。

对于开关电器来说,灭弧是个大问题。电弧会烧蚀触头,产生巨大的热冲击,严重影响到开关设备的稳定工作。

交流电和直流电相比,每个周波有两次过零,而过零时,电弧也自动熄灭,所以交流电器的灭弧能力强于直流电器。

有一个参数,它描述的是电弧熄灭后电弧介质气体的恢复过程和恢复强度,用Ujf来表达;另外一个参数,它描述的是电弧熄灭后,电压上升过程和强度,用Uhf来表达。

所谓介质气体的恢复,指的是气体从电弧的等离子状态恢复为正常气体状态,显然,它与时间有关,也与气体性质有关。

如果:Ujf>Uhf

也即,介质恢复强度大于电压恢复强度,则电弧将不会不重新燃烧。

1副本

上图中,在时刻0,交流电弧过零熄灭。但过零后,Ujf2小于Uhf,所以交流电弧重燃;Ujf1>Uhf,所以交流电弧不再重燃,并且彻底地熄灭。

不过,直流电弧可没这么好,它根本就不会过零。

我们看下图:

2副本

上图是GIS复合开关,一般用于高压配电网。GIS看起来象一只只的锅炉,大筒子里就是开关,开关周围充满了六氟化硫气体。六氟化硫气体的特点是分子量大,非常稳定,绝缘性能特别好,所以用来在高压电器中加强灭弧,提高Ujf。

不过,六氟化硫是温室气体。因此人们期望能找到一种气体替代它。真空就是一种好办法。

可见灭弧是多么重要的一件事。

在这方面,直流电比交流电要逊色多了。因此,同样的开关电器,用在直流就必须降容。

为了改善直流开关电器的灭弧能力,人们在电弧烧蚀的材料中镀上一层特种膜,在高温烧烤下,能释放出类似六氟化硫的气体,以此提高介质恢复强度。

3.用电电器方面

在用电电器方面,最典型的就是交流鼠笼式异步电动机了。相对直流电机,它价格低廉,工作可靠,性能稳定,也无须更换碳刷。

因此,直流电机完全比不上交流电机的方便、实用和可靠,直流电机的应用面也要小很多。不可否认的是,直流电机的调速性能良好,但自从有了变频器,交流电机的调速问题也解决了,直流电机的优点也被削弱了。

4.电源变换方面

交流电变成直流电,十分方便,采用整流电路就可以了。但直流电要变成交流电,需要配套逆变器,相对麻烦得多。

以上简单地说明了交流电的优点。

不过,直流电的稳定是不可否认的。因此在配电室里,6到10kV配电设备的工作电源都是用直流电来实现的。

至于居家配电,我们已经知晓,当然是以交流电为主了。

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