发电厂是交流电,还是直流电输送?

strongerHuang 2019-12-08 21:30
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编辑:黄工
公众号:strongerHuang

可能很多人都有一个疑问,我们的高压电是交流电传输,还是直流电传输?

答案是:交直流都有,但目前主要是交流电。

以下整理来自知乎的文章。来源链接:

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


一、前言

发电机输出交流电是从整个电力系统方面考虑的,而非仅仅考虑到发电机成本问题。


当然,交直之争放到现在,也不是仅仅以交流电胜出而终止。就现在的电力系统而言,高压输电是交直并存、相辅相成的状况。甚至,随着电力电子技术的发展,直流输电也有可能会再次强势回归主导地位。总而言之,交直流的发展过程是:


直流(1882)——交直相争——交流胜出(1893)——直流回归,交直并存(1954至今


二、直流输电和交流输电的发展过程

1.直流王朝的开辟

电的商业化应用始于19世纪70年代后期,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、电缆。熔丝、电表和负荷组成)是托马斯爱迪生在纽约城历史上有名的皮埃尔大街站(Pearl Street station)建成并于1882年9月投入运行。这是一个直流电力系统,由一台蒸汽机拖动直流发电机给半径为1.5km面积内的59个用户。负荷全部由白炽灯组成,通过110V地下电缆供电,在此后几年内,类似的电力系统已经在世界上大多数城市投入运行,随着1884年福兰克斯普莱克(Frank Sprague)对发电机的开发,电动机负荷也加入到这样的系统中。这是电力系统发展成为世界最大工业之一的开端。


2.交直相争,“交流”一战成名

尽管初期直流系统得到广泛应用,但后来它几乎完全被交流系统替代。到1886年,直流系统的局限性明显露出来,因为它只能在很短的距离内从发电机向外送电。为了将输电损耗(RI²)和电压降落限制到可以接受的水平(例如低压直流输电采用110V,那么到最末端的时的电压可能只有80V了),长距离输电系统必须采用高电压。而这样高的电压是发电机和用户都不能接受的,因此必须采用适当的方法进行电压变换。


 L.高拉德(L.Gaulard)和法国巴黎的J.D.吉布(J.D.Gibbs)开发了变压器和交流输电技术,由此产生了交流电力系统。乔治西屋(George Westinghouse)获得了这些新设备在美国的应用权利。1886年,西屋的助手威廉斯坦利(William Stanley)开发和实验了商业实用的变压器和在马萨诸塞州大白灵顿的由150个电灯组成的交流配电系统。1889年,北美洲第一个交流输电线在俄勒冈州威拉姆特州瀑布和波特兰之间建立并投入运行,这是一条单相的线路,输电电压4000V,输送距离21km。


 随着尼古拉特斯拉(Nikola Tesla)的多相系统的开发,交流系统变得越来越具有吸引力。1888年,特斯拉持有关于交流发电机、发电机。变压器和输电系统的若干专利。慧眼识珠的西屋购买了这些早期发明专利,这些发明奠定了当今交流电力系统的基础。


在19世纪90年代,曾有过关于电力系统采用直流还是交流作为标准的相当大的争论。在主张直流的爱迪生和偏好交流的西屋之间发生了激烈的辩论(爱迪生还允许助手通过使用交流电电死大象、试验电椅等的试验来证明交流电的危害)。


在世纪之交,交流系统对直流系统取得了胜利,其主要原因是:

a.交流系统的电压水平更容易地转换,因此提供了使用不同电压的发电、输电和用电的灵活性。

b.交流发电机比直流发电机更简单。

c.交流电动机比直流电动机更简单、更便宜。


1893年,南加州一条12km长的2300V电力线路投入使用。它是北美洲第一条三相电力线路。大约在同一时期尼亚加瀑布也选择了交流送电,因为采用直流不可能将电力送电送往30km以外的布法罗。这一结果结束了交直之争并奠定了交流系统获胜的基础。


日益增长的向更远距离输送大量电力的需求是推动逐渐采用更高电压水平的动因。早期交流系统采用了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。魁北克电力局的第一条735kV线路于1966年送电,美国765kV线路则于1969年投入运行。


3.“直流”回归,是百日王朝还是东山再起?

随着汞弧阀于20世纪50年代的发展,高压直流(HVDC)输电系统在某些情况下变得更经济。高压直流输电对于大容量远距离输电更有吸引力。与交流电相比直流输电方案变得更具有竞争力的输电距离交叉点对架空线路大约是800km。当电力系统间由于系统稳定的考虑而不适合联网或者系统的额定频率不同时,高压直流还提供非同步联网(背靠背)。第一个现代商用的高压直流输电于1954年在瑞典建成,它通过96km的海底电缆将瑞典本土与哥特兰岛互联起来。随着晶闸管阀的发展,高压直流输电变得更具有吸引力。第一个采用晶闸管阀的高压直流系统是1972年在伊尔河的背靠背工程。它提供了魁北克和新不伦瑞克之间的非同步电网互联。伴随着交流设备价格的降低、尺寸的缩小和可靠性的提高,高压直流输电的应用正在逐步扩大。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)在工业驱动装置上得到广泛应用,并引入了直流输电领域。1997年,第一个采用IGBT阀组成的电压源换流器的直流输电工业性试验工程(3 MW、10kV、10km)在瑞典投运。更是为直流输电的发展带来了崭新的面貌。若从对系统的稳定性角度来看,随着电力电子技术的发展,电力电子设备的成本下降,那么直流输电的优越性会更大程度地提高,而直流输电回归霸主的地位就完全是有可能的。


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工程是浙江舟山HVDC工程(为工业试验性工程),葛沪HVDC工程是我国第一个远距离大容量HVDC工程,三常HVDC工程是我国第一个输送容量最大(3000MW)的HVDC工程,灵宝(河南省灵宝县)背靠背HVDC工程是我国第一个背靠背HVDC工程。


我国现有直流输电线路:


三、交流电在十九世纪的胜出——经济性的优越

从十九世纪的技术上看,首先:

1、导致直流电被淘汰的最主要原因是线损问题(即线路上的电能损耗)。

利用这种低压(110V)输电,想要长距离输送电能需要付出很多代价,首先是随着输送距离的增加,那么线路的等效电阻R就随之增大,线路损耗也就增大,线损甚至能达到50%以上,也就是说,如果发电厂发出1000W的电,那么用户可能就只得到了500W的电能,有500W的电能损耗在了输电线路上。这样的损耗,是任何一家发电厂都不愿意接受的。


2、电压(电能质量、电压降落)问题

就如前面提到的,如果采用低压直流输电(110V),靠近发电厂附近的用户能保证自己获得的电压接近110V,而远离发电厂的用户可能获得的电压却只有80V了,这将严重影响了电器的使用和寿命了。


那么有人会问?为什么不把发电机发出的电压升高一点呢?

提升可以,可是到底还是要对用户负责啊,假如把电压提升到了140V,在发电厂末端的用户将可能获得了110V的电压,而靠近发电厂的用户就要承担140V的电压,这个电压就超出了电器的额定电压了,同样会损坏电器、降低其使用寿命。

3、从继电保护上来比较

如果使用高压输电,我们想要在故障时快速切断故障电流,这时往往会出现很大的电弧,如果不及时把这个电弧切断会严重破坏电力系统。


交流相比直流,交流过零点,电弧会短暂熄灭,而直流电不存在,就断路器的制造方面来说,交流断路器是更容易实现的。


即使放到现在,交流断路器已经更新换代了数次,技术可谓相当成熟了,而高压直流断路器依然是一个较难实现的东西,现有的高压直流断路器也是差强人意。


4、还有其他的就如前面提到的发电机、电动机成本等等的问题。


四、直流电的回归——科技带来曙光

交流电的优越性貌似多不胜数。


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。

高压直流输电的优点在于:

1、输送相同功率时,线路造价低:

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。


2、线路有功损耗小:

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。


3、没有系统的稳定问题:

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。


4、能限制系统的短路电流;


5、调节速度快,运行可靠。

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!


‧  END  
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