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高压电是以交流,还是直流方式输送?

编排 | labelerHuang

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我们的高压电是交流电还是直流电?我相信很多人心里都有这个问题

从整个电力系统中考虑发电机输出交流电,而不仅仅是发电机的成本。

当然,交直之争不仅仅是通过交流电的胜利来结束的。就目前的电力系统而言,高压输电是一种交直并存、互补的情况。

即使随着电力和电子技术的发展,直流输电也可能再次回归主导地位。总之,交直流的发展过程是:

电的商业化应用始于20世纪70年代末,当时电弧灯已经用于灯塔和街道的照明。

第一个完整的电力系统(由发电机和电缆组成)是托马斯爱迪生在纽约历史上著名的皮埃尔街站(Pearl Street station)1882年9月竣工投产。

这是一个由蒸汽机拖动的直流电力系统.5km59个用户。

所有负荷由白炽灯组成,通过110V在接下来的几年里,类似的电力系统已经在世界上大多数城市投入运行,1884年福兰克斯普莱克(Frank Sprague)对于发电机的开发,电机负载也被添加到这样的系统中。

这是电力系统发展成为世界上最大的工业之一的开始。

尽管直流系统在早期得到了广泛的应用,但它几乎被交流系统完全取代。到1886年,直流系统的局限性显而易见,因为它只能在很短的距离内从发电机送电。

输电损失(RI2)和电压降落限制在可接受的水平(如低压直流输电110V,最后的电压可能只有80V)长距离输电系统必须采用高压。

发电机和用户无法接受如此高的电压,因此必须采用适当的方法进行电压变换。

L.高拉德(L.Gaulard)法国巴黎J.D.吉布(J.D.Gibbs)由此产生了交流电力系统,开发了变压器和交流输电技术。乔治西屋(George Westinghouse)在美国获得这些新设备的应用权。

1886年,西屋助理威廉斯坦利(William Stanley)在马萨诸塞州大白灵顿,由150个电灯组成的商业实用变压器和交流配电系统得到了开发和实验。

1889年,俄勒冈州威拉姆特州瀑布俄勒冈州威拉姆特州瀑布和波特兰之间建立并投入运行。这是一条输电电压为4万的单相线路V,输送距离21km。

尼古拉特斯拉(Nikola Tesla)随着多相系统的发展,交流系统变得越来越有吸引力。1888年,特斯拉持有交流发电机和发电机。

变压器和输电系统的几项专利。西屋购买了这些早期发明专利,为今天的交流电力系统奠定了基础。

20世纪90年代,关于使用直流或交流作为电力系统的标准存在相当大的争论。爱迪生和西屋之间发生了激烈的争论(爱迪生还允许助手通过使用交流电死大象和测试电椅来证明交流电的危害)。

交流系统在世纪之交赢得直流系统的主要原因是:

a.交流系统的电压水平更容易转换,因此提供了发电、输电和用电的灵活性。

b.交流发电机比直流发电机简单。

c.交流电机比直流电机更简单、更便宜。

1893年,南加州一条12km长的2300V电力线路已投入使用。它是北美第一条三相电力线路。尼亚加瀑布在同一时期也选择了交流电源,因为直流不可能将电源送到30km布法罗以外。这一结果结束了交直之争,为交流系统的胜利奠定了基础。

日益增长的远距离输送大量电力的需求是逐渐采用更高电压水平的动力。早期交流系统采用12.44kV和60kV。于1922年采用了165kV,1923年提高为220kV,1935年提高为287kV,1953年提高为330kV,1965年提高到500kV。

魁北克电力局第一条735kV1966年,美国765kV线路于1969年投入运行。

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随着20世纪50年代汞弧阀的发展,高压直流(HVDC)在某些情况下,输电系统变得更加经济。高压直流输电对大容量远距离输电更具吸引力。与交流电相比,直流输电方案变得更具竞争力。对架空线路的输电距离交叉点约为800km。

高压直流还提供非同步联网(背靠背),当电力系统因系统稳定性而不适合联网或系统的额定频率不同时。

1954年在瑞典建成的第一个现代商用高压直流输电,通过96km海底电缆连接瑞典和哥特兰岛。随着晶闸管阀的发展,高压直流输电变得更具吸引力。1972年伊尔河首个采用晶闸管阀的高压直流系统。

它提供了魁北克和新不伦瑞克之间的非同步电网连接。随着交流设备价格、尺寸和可靠性的降低,高压直流输电的应用正在逐渐扩大。

20世纪90年代以后,一种新型氧化物半导体器件 - 绝缘栅双极晶体管(IGBT)广泛应用于工业驱动装置,并引入直流输电领域。

1997年首次使用IGBT由阀门组成的直流输电工业试验工程(3) MW、10kV、10km)在瑞典投运。

它也为DC输电的发展带来了新的面貌。从系统稳定性的角度来看,随着电力电子技术的发展和电力电子设备成本的降低,DC输电的优势将大大提高,DC输电完全有可能回到主导地位。

我国高压直流输电工程起步虽然比较晚,但是发展却非常迅速,步入世界先进行列。

我国第一个HVDC工程为浙江舟山HVDC葛沪工程(工业试验工程)HVDC中国第一个远距离大容量工程HVDC工程,三常HVDC该项目是中国第一个输送能力最大的项目(3000MW)的HVDC项目,灵宝(河南省灵宝县)背靠背HVDC项目是中国第一个背靠背的项目HVDC工程。

从19世纪的技术角度来看,首先:

使用这种低压(110)V)输电,长距离输送电能需要付出很多代价。首先,随着输送距离的增加,线路等效电阻R增加,线路损耗增加,线路损耗甚至可以达到50%以上。也就是说,如果发电厂发送1万W的电,那么用户可能就只得到了500W的电能,有500W输电线路上的电能损失。任何电厂都不愿意接受这样的损失。

正如前面提到的,如果采用低压直流输电(110V),靠近发电厂的用户可以确保他们的电压接近110V,远离电厂的用户可能只有80个电压V这将严重影响电器的使用和使用寿命。

所以有人会问?为什么不提高发电机发出的电压?

提升可以,但还是要对用户负责。如果电压提高到140,V,发电厂末端的用户可能会得到110V的电压,而靠近发电厂的用户就要承担140V该电压超过定电压的电压也会损坏电器,降低其使用寿命。

如果使用高压输电,我们想在故障时快速切断故障电流,通常会有大电弧,如果不及时切断电弧会严重损坏电力系统。

与直流相比,如果交流过零,电弧会短时间熄灭,直流电不存在。就断路器制造而言,交流断路器更容易实现。

即使现在,交流断路器已经更新了好几次,技术也相当成熟,高压直流断路器仍然很难实现,现有的高压直流断路器也不令人满意。

但,那只是一个相对性的问题,随着时间推移、科技的发展,优越性甚至会成为其短板。

交流电力系统也存在着其固有的弊端——系统稳定性。

交流电力系统之间,因为存在着功角平衡,这就涉及到两个系统间的功角稳定性问题,一旦两个系统失去同步,很可能导致两个系统都发生崩溃而停电。

而直流电不存在着功角问题,用来联络两个交流系统不会出现上述问题。

20世纪50年代后,随着电力电子技术的发展,整流器(将交流电转变为直流电)、逆变器(将直流电转变为交流电)相继而生。

换流阀的控制技术也进入了一个相当明朗的地步,切断直流电的速度并不亚于交流断路器。

对于架空线路,交流输电通常采用3根导线,而直流单极只需1根,双极只需2根。对于电缆线路,其投资费和运行费都更为经济,这也是越来越多的大城市采用地下直流电缆的原因。

直流线路没有感抗和容抗,也就没有无功损耗。其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路要小。

交流系统有一定的电抗,输送的功率有一定的极限,如果超过这极限,送端的发电机和受端的发电机可能失去同步而造成系统的解列。

这些优点的体现几乎都有赖于电力电子技术的从无到有,从开始到高速发展。

而目前最限制直流输电发展的是换流站昂贵的造价,所以目前来看并不显现出其卓越的优越性,但相信,随着这方面技术的发展,降低换流站的造价是指日可待的事,而是否由高压直流输电一统天下还是让我们拭目以待吧!

参考来源:

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

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