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東山再起的直流輸電系統(tǒng) 是否標(biāo)志著交流電要沒落了呢?

2020-11-20 14:10:58 來源:中國(guó)科普博覽

2005年,三峽工程輸變電線路的建設(shè),使中國(guó)一躍成為世界第一的高壓直流輸電國(guó)家。

看過上一篇的讀者一定還記得,因?yàn)殚L(zhǎng)途輸電中損耗過大,直流輸電在美國(guó)敗給了交流輸電。那么,既然交流輸電更有優(yōu)勢(shì),為什么當(dāng)今我們國(guó)家要大力發(fā)展特高壓直流輸電,還不小心成了世界第一?

還是那個(gè)老問題:輸電過程中的損耗。不過,這次卻成了交流電的劣勢(shì)。

東山再起的直流輸電系統(tǒng)

上一篇我們說到直流的損耗比交流大,因此才會(huì)被淘汰。但需要注意的是,前面比較的是低電壓的直流(例如110V)和高電壓的交流(例如4000V)在輸送相同功率時(shí)的損耗。但是,當(dāng)直流和交流(有效值)電壓相同時(shí),直流輸電系統(tǒng)的損耗會(huì)小于交流。這是為什么呢?

傳輸?shù)墓β拾藘蓚€(gè)部分——有功功率和無功功率

通過交流系統(tǒng)輸送電能時(shí),因?yàn)殡娙莺碗姼械拇嬖?,?huì)使電壓和電流的相位(可以理解為正弦波到達(dá)波峰時(shí)的時(shí)間)有一些差異,這就使。

其中有功功率可以用來做功,例如點(diǎn)亮燈泡、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但是,為了傳輸和直流系統(tǒng)一樣的有功功率,交流系統(tǒng)還需要額外傳輸一定比例的無功功率,這就造成了交流線路上的電流要比直流線路大。而交流線路因電阻發(fā)熱造成的損耗自然也就更多了。

系統(tǒng)擴(kuò)容的難度更低

其實(shí),直流的優(yōu)勢(shì)還不止這個(gè),還有等。電力系統(tǒng)是要不斷發(fā)展,如果想擴(kuò)大容量,就需要在系統(tǒng)中加入更多的發(fā)電機(jī),或者將幾個(gè)系統(tǒng)并聯(lián)起來。要做到這一點(diǎn),首先需要兩個(gè)系統(tǒng)的電壓是一樣的,下面,我們可以看看直流和交流系統(tǒng)分別需要滿足什么條件。

幅值

對(duì)于交流電,電壓至少滿足三個(gè)參數(shù),才能并聯(lián):——電壓的大小,——電壓的周期,——電壓是否在同一時(shí)刻達(dá)到最大值。

相序問題

這還只是單相交流電。我們目前使用的三相交流電系統(tǒng),還存在,就是各相電壓達(dá)到最大值的先后順序。再涉及到電壓與電流的相位關(guān)系,還有更復(fù)雜的問題,一個(gè)比一個(gè)令人頭大。這一系列限制條件一旦有一項(xiàng)不符合,就可能造成系統(tǒng)的波動(dòng),嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰——也就是停電。

這個(gè)參數(shù)相同,兩個(gè)系統(tǒng)就可以并列。

對(duì)于直流電,只有一個(gè)參數(shù):就是幅值,也就是電壓的數(shù)值。所以直流系統(tǒng)還可以充當(dāng)交流系統(tǒng)的粘合劑,把兩個(gè)由于系統(tǒng)穩(wěn)定性而不適合聯(lián)網(wǎng)或參數(shù)不同不能聯(lián)網(wǎng)的交流系統(tǒng),通過直流高壓來實(shí)現(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)(背靠背)。如果有一天,中國(guó)(頻率50Hz)和美國(guó)(頻率60Hz)電網(wǎng)連起來了,那一定是通過直流連接的。

更省成本

還有,直流輸電。輸送同樣的功率,我們用的三相交流系統(tǒng),需要三根導(dǎo)線,而直流只要兩根(正負(fù)極)。這就節(jié)約了大量的空間,也簡(jiǎn)化了桿塔結(jié)構(gòu)。要知道輸電走廊的寬度和桿塔成本,在電力線路成本上占了不小的比例。

集膚效應(yīng)

而且交流電還有個(gè)直流電沒有的臭脾氣——。一根導(dǎo)線上的交流電電流密度,總是表現(xiàn)為外圍大中間小,也就是說,導(dǎo)線中間部分是白白浪費(fèi)的。人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)問題,采用了的方法(分裂導(dǎo)線還有其他作用,例如減小電抗,降低電暈損耗,提高可靠性等),也增加了工藝的復(fù)雜程度。

限制系統(tǒng)的短路電流、調(diào)節(jié)速度快

另外,與交流輸電相比,直流輸電還有等優(yōu)點(diǎn)。

愛迪生被冤枉了嗎?

說了這么多好處,那前面愛迪生的直流系統(tǒng)被淘汰了,難道是被冤枉了?并不是。

我們說的這些優(yōu)勢(shì),都是建立在當(dāng)代高壓直流系統(tǒng)(例如特高壓直流≥±800kV)與同等級(jí)交流系統(tǒng)的比較上的。愛迪生那個(gè)時(shí)代,直流電僅僅只有110V,線路損耗上,根本不能跟當(dāng)時(shí)已經(jīng)達(dá)到4000V的交流輸電系統(tǒng)相提并論。

直流交流轉(zhuǎn)換

那現(xiàn)代的直流電又是怎么達(dá)到這么高的電壓呢?難道有了直流變壓器?當(dāng)然沒有這種變壓器,今天也沒人能給直流電升壓!但人們發(fā)明了的方法,先給交流電升壓,然后通過換流閥將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流)。如果要降壓,也先要把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?逆變)。

如果說交流電的普及離不開變壓器,直流電的普及就離不開完成整流逆變過程的換流閥。

這些器件的可靠性和價(jià)格是限制直流電力系統(tǒng)最主要的因素。

高壓時(shí)代,交流電就此沒落了嗎?

那么,直流電崛起,是否標(biāo)志著交流電要沒落了呢?

我想不會(huì)。

首先,畢竟直流電要改變電壓,還是要先轉(zhuǎn)換成交流電。而且前面所說的優(yōu)點(diǎn),都是直流系統(tǒng)在輸電過程中體現(xiàn)出來的。我們說過電力系統(tǒng)還包括發(fā)電和用電等部分,在這些地方交流還是有著不可取代的優(yōu)勢(shì)。

例如發(fā)電方面,現(xiàn)代電力系統(tǒng)常用的汽輪發(fā)電機(jī),其裝機(jī)容量一般在300MW-1000MW之間,輸出電流可達(dá)上萬安培,如果采用直流發(fā)電機(jī),電刷上是無法承受如此大電流的。且一旦發(fā)生故障,如此高的直流電流也很難切斷,但交流電則可以在電流過零時(shí)較輕松地將之切斷。

用電方面,交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)仍然是直流電機(jī)無法取代的,尤其是在大功率電機(jī)方面。

最后讓我們?cè)賮砘仡欉@一過程,最初直流電力系統(tǒng)的獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷,是因?yàn)榻涣麟娏υO(shè)備的落后造成。一旦技術(shù)條件成熟,交流電便因長(zhǎng)距離輸電優(yōu)勢(shì)而取代了直流電力系統(tǒng),而直流電則苦于無法升壓而被淘汰。

事實(shí)上,高壓直流系統(tǒng)比高壓交流系統(tǒng)在長(zhǎng)距離輸電上的成本更低,當(dāng)今,隨著電力電子技術(shù)的成熟,直流輸電再次崛起,與交流輸電共同構(gòu)成了高效經(jīng)濟(jì)的電網(wǎng)系統(tǒng)。

百年前,愛迪生和特斯拉為了不同的理念而爭(zhēng)斗,百年間,兩種電力系統(tǒng)相繼崛起。今天,這一爭(zhēng)斗早已畫上句號(hào),但并未以任意一方的勝利而告終。隨著技術(shù)的發(fā)展,交流直流已經(jīng)融為一體,共同為人類的電力事業(yè)服務(wù),不知二位泉下有知,作何感想。

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關(guān)鍵詞: 特高壓直流輸電

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