特斯拉的交流电已经打败了直流电。为什么现在要搞直流输电?

有一个问题在我们心中挥之不去很久了。我们日常生活中遇到的设备几乎都是用直流电,但为什么进家门的电线是交流电?这种交流电需要通过变压器降低到低压,然后经过整流、滤波、稳压后才能供给电子设备。一开始不能用直流电供电吗?

交流电和直流电哪个好?

DC电压和方向不会随时间变化,而交流电压会随时间变化,其电压和幅值会周期性变化!

其实最早发明电池的是DC,比如原电池,伏打电池,甚至还有可以储存DC的礼顿瓶。于是到了1832,Pixii制造的永磁手摇发电机也输出DC,然后产生DC的发电机和使用DC的设备和电机开始普及!

到1875,巴黎北站建成世界第一座电站(第一座电站有争议,可以忽略,不影响本文讨论),为附近地区的照明供电。当然,你不必怀疑它们都是DC发电机。到1913,全球发电量已经达到500亿千瓦时,实际上看起来很大,但也不过是个5000千瓦时。

1875年,法国巴黎北站附近建成第一座燃煤电站。

特斯拉出现后,AC和DC之间出现了第一次争端。当时,世界上最大的电气公司是通用汽车公司,它使用DC发电技术。当时DC发电技术如日中天,但十几岁的特斯拉向爱迪生建议转用交流电源(交流电源最早是法拉第发现的,特斯拉改进了交流发电技术)。当然,爱迪生没有听特斯拉的建议。

后来,特斯拉离开通用,自己创业。有人投资了他的交流发电技术。随后的交流-DC之争结果大家应该都知道,因为到目前为止,除了特殊的支流输电技术,没有大规模的DC电网,全部都是交流电网。为什么DC失去了力量?

DC和AC有什么区别?

直流电最大的优点是你可以使用发电机产生的任何电力。没有中间环节,但是可以有。我们以后再谈。当然这也是最大的缺点。为什么?电压转换非常困难,因为发电站离用户很远,所以发电站必须要提高电压。如果按照现代电流与截面积的比值计算,长距离传输需要1A一平方毫米(否则线损太大发热严重),甚至更高!

所以如果电站用220V,1000A输出220KW左右,那么就需要两根截面积为1000平方毫米的电缆。这有多厚?至少36 mm直径的线缆,加上外面的绝缘皮,超过50 mm,也就是说比小孩的胳膊还粗!

而且路程不能太远,中途还得用DC电机+DC发电机升压,然后一路升压。如果目的地还有另外一个电压,还需要DC电机+DC发电机来变压,费用高的离谱!

如果换成22000V的高压交流电,只要电缆10平方毫米,电缆直径3.4毫米左右,成本就会低很多。当然,为了增加架空线的强度,需要增加股数来提高其强度。

930KW升压变压器及其控制面板

虽然很多朋友都明白DC也可以高压,但是DC输变电需要DC电机+DC发电机升压降压,而交流电只需要一个结构简单的变压器,两者的成本都不到1/10,所以1893芝加哥“哥大世博会”选择了西屋交流电(创始人乔治·威斯汀豪斯买了特斯拉的交流电专利)。

三相交流电

但当时交流电还没有形成50-60HZ的规格,所以频率比较高,相数也和现在的三相交流电不一致。

从AC到DC

交流电非常方便输变电,而且损耗小,对电缆的要求也大大降低。交流电的优势非常明显。在早期,照明也是白炽灯,所以不管是DC还是交流电。只要有效电压相同,亮度就没有区别,所以交流电没有影响!

但是,随着无线电等电子技术的出现,交流电的弊端就显现出来了。交流电不能加在电子管上,也会给系统带来噪音。所以一般交流系统的末端,需要直流电的地方会有整流发电机,也就是交流电通过发电机(或者同步整流电机或者振动整流器,噪音大,效率低)转化成直流电。这些场合都没有广泛使用,所以交流电还是可以胜任的!

此后,随着氩真空管和汞弧整流管的出现,这些电子器件在很多场合被用来代替机械整流器,70年代还在大规模使用汞弧,性能良好,后来被大功率晶闸管取代。

后来电子管等电子器件逐渐被固态半导体取代,又专门发展了后来的功率半导体。电子器件逐渐从真空管这类器件中消失,然后出现了中高频开关电源。连降压变压器都换成了微小的铁氧体中频变压器,电源越来越小,用起来越来越方便。交流电和直流电之间的转换不再像以前那样麻烦了。

IGBT和IGCT的区别

从DC到AC

交流电优点满满,但是有一个致命的缺点,就是不能储存!因为没有电池可以储存交流电,在应急供电现场,除了发电机,其他都是电池输出,然后DC-AC转换成直流电。因为现代电力电子的发展,直流电和交流电的转换效率非常高,所以直流电正在慢慢复兴!

与三相交流输电相比,DC只需要两根导线,甚至DC可以把地球作为另一个回路,只需要一根导线。当然这是极端情况,DC的绝缘要求会相对降低(DC的工作电压是一般油浸电缆交流的三倍),导体的线损小,没有感抗容抗、趋肤效应和空间电荷效应!

八相交流、八相直流”和“八相交流、九相直流”(特)高压交直流输电骨干网

当然,这些都要归功于IGBT和IGCT以及碳化硅半导体元件的发展,它们是交流和DC之间的高效转换器件。在众多超高压大容量输电中,DC输电的比重在逐年增加,所以如果着眼于未来,真的不知道DC和AC谁会胜出!