直流供电与交流供电的比较

直流供电与交流供电的比较概述1、供电制式的发展历史关于电能的输送方式，是采用直流输电还是交流输电，在历史上曾引起 过很大的争论。美国发明家爱迪生、英国物理学家开尔文都极力主张采用直 流输电，而美国发明家威斯汀豪斯和英国物理学家费朗蒂则主张采用交流输 电。在早期，工程师们主要致力于研究直流电，发电站的供电范围也很有限， 而且主要用于照明，还未用作工业动力。例如，1882年爱迪生电气照明公司 （创建于1878年）在伦敦建立了第一座发电站，安装了三台110伏“巨汉” 号直流发电机，这是爱迪生于1880年研制的，这种发电机可以为1500个16 瓦的白炽灯供电。但是随着科学技术和工业生产发展的需要，社会对电力的需求也急剧增 大。由于用户的电压不能太高，因此要输送一定的功率，就要加大电流（P = IU）。而电流愈大，输电线路发热就愈厉害，损失的功率就愈多；而且电流大， 损失在输电导线上的电压也大，使用户得到的电压降低，离发电站愈远的用 户，得到的电压也就愈低。直流输电的弊端，限制了电力的应用，促使人们 探讨用交流输电的问题。爱迪生虽然是一个伟大的发明家，但是他没有受过 正规教育，缺乏理论知识，难以解决交流电涉及到的数学运算，阻碍了他对 交流电的理解，所以在交、直流输电的争论中，成了保守势力的代表。在他 的反对下，交流电遇到了很大的阻碍。但是为了减少输电线路中电能的损失，只能提高电压。在发电站将电压 升高，到用户地区再把电压降下来，这样就能在低损耗的情况下，达到远距 离送电的目的。而要改变电压，只有采用交流输电才行。1888年，由费朗蒂 设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电。他用钢皮铜心电缆将1万 伏的交流电送往相距10公里外的市区变电站，在这里降为2500伏，再分送 到各街区的二级变压器，降为100伏供用户照明。以后，俄国的多利沃一 多布罗沃斯基又于1889年最先制出了功率为100瓦的三相交流发电机，并被 德国、美国推广应用。事实成功地证实了高压交流输电的优越性。并在全世 界范围内迅速推广。20世纪50年代后，电力需求日益增长，远距离大容量输电线路不断增加， 电网扩大，交流输电受到同步运行稳定性的限制，在一定条件下的技术经济 比较结果表明，采用直流输电更为合理，且比交流输电有较好的经济效益和 优越的运行特性，因而直流输电重新被人们所重视。18世纪以来，奥斯物发现了电流的磁效应，法拉第发现了电磁感应原理。 这就为电动机和发电机的制造奠定了理论和实验基础。就在法拉第发现电磁 感应原理的第二年，受法拉第发现的启示，法国人皮克希应用电磁感应原理 制成了最初的发电机。法拉第向英国皇家学会报告了他的实验及其发现，从而使法拉第被公认 为电磁感应现象的发现者，他也顺理成章地成为变压器的发明人。但实际上 最早发明变压器的是美国著名科学家亨利。实际上，亨利这个实验是电磁感 应现象的非常直观的关键性实验，亨利这个实验装置也实际上是一台变压器 的雏形。但是，亨利做事谨慎，他没有急于发表他的实验成果，他还想再做 一些实验。然而假期已过，他只得将这件事搁置一旁。后来他又进行了多次 实验，直到1832年才将实验论文发表在美国科学和艺术杂志第7期上。 但是，在此以前，法拉第首先公布了他的电磁感应实验，介绍了他的实验装 置，因此电磁感应现象的发明权只能归法拉弟，变压器的发明权也非法拉弟 莫属了。亨利虽然非常遗憾地与电磁感应现象的发现权和变压器的发明权擦 肩而过，但他在电学上的贡献、对变压器发明的贡献则是有目共睹的。特别 值得一提的是，亨利实验装置比法拉弟感应线圈更接近于现代通用的变压器2、交流电与直流电传输比较直流电，是指大小和方向都不随时间而变化的电流。许多用电器，如收 音机，扬声器等许多不含电感元件的电器都用直流电驱动。交流电是指大小 和方向都随时间做周期性变化的电流，通常的交流是按正弦规律或余弦规律 变化的，电流先由零变到最大，再由最大变到零。然后反方向由零变到最大， 再由最大变为零，完成一个周期，以后是下一个周期，如此反复变化。交流 电有很有优点，除可用于一些特殊的用电器，如电动机等外，它对于电的传 输，特别是远距离传输有着特别的意义。交流电：电流的方向、大小会随时间改变。发电厂的发电机是利用动力 使发电机中的线圈运转，每转180发电机输出电流的方向就会变换一次，因 此电流的大小也会随时间做规律性的变化，此种电源就称为交流电源。简记 为ac直流电和交流电的区别？高压直流输电方式与高压交流输电方式相比，有明显的优越性.历史上 仅仅由于技术的原因，才使得交流输电代替了直流输电.下面先就交流电和 直流电的主要优缺点作出比较，从而说明它们各自在应用中的价值.交流电的优点主要表现在发电和配电方面：利用建立在电磁感应原理基 础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能（水流能、风能）、化学 能（石油、天然气）等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电 站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉；交流电可以方便 地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便.这是交流电与直 流电相比所具有的独特优势.直流电的优点主要在输电方面： 输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2 / 3l / 2直流输电采用两线制，以大地或海水作回线，与采用三线制三相交流输 电相比，在输电线载面积相同和电流密度相同的条件下，即使不考虑趋肤效 应，也可以输送相同的电功率，而输电线和绝缘材料可节约1/3.如果考虑到趋肤效应和各种损耗（绝缘材料的介质损耗、磁感应的涡流 损耗、架空线的电晕损耗等），输送同样功率交流电所用导线截面积大于或 等于直流输电所用导线的截面积的1.33倍.因此，直流输电所用的线材几乎 只有交流输电的一半.同时，直流输电杆塔结构也比同容量的三相交流输电 简单，线路走廊占地面积也少. 在电缆输电线路中，直流输电没有电容电流产生，而交流输电线路存 在电容电流，引起损耗.在一些特殊场合，必须用电缆输电.例如高压输电线经过大城市时，采 用地下电缆；输电线经过海峡时，要用海底电缆.由于电缆芯线与大地之间 构成同轴电容器，在交流高压输线路中，空载电容电流极为可观.一条200kV 的电缆，每千米的电容约为0.2 UF，每千米需供给充电功率约3X103kw，在每千米输 电线路上，每年就要耗电2.6X107kwh.而在直流输电中，由于电压波动很 小，基本上没有电容电流加在电缆上. 直流输电时，其两侧交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运 行.交流远距离输电时，电流的相位在交流输电系统的两端会产生显著的相 位差；并网的各系统交流电的频率虽然规定统一为50HZ，但实际上常产生波 动.这两种因素引起交流系统不能同步运行，需要用复杂庞大的补偿系统和 综合性很强的技术加以调整，否则就可能在设备中形成强大的循环电流损坏 设备，或造成不同步运行的停电事故.在技术不发达的国家里，交流输电距 离一般不超过300km而直流输电线路互连时，它两端的交流电网可以用各自 的频率和相位运行，不需进行同步调整. 直流输电发生故障的损失比交流输电小.两个交流系统若用交流线路 互连，则当一侧系统发生短路时，另一侧要向故障一侧输送短路电流.因此 使两侧系统原有开关切断短路电流的能力受到威胁，需要更换开关.而直流 输电中，由于采用可控硅装置，电路功率能迅速、方便地进行调节，直流输 电线路上基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流，故障侧交流系统的 短路电流与没有互连时一样.因此不必更换两侧原有开关及载流设备.在直流输电线路中，各级是独立调节和工作的，彼此没有影响.所以， 当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极仍可输送不少于一半功率的电 能.但在交流输电线路中，任一相发生永久性故障，必须全线停电.在物理学中电学发展史上，曾经有过一场关于使用“交流电”还是使用 “直流电”的激烈的争论。提倡使用“直流电”的代表人物则是大名鼎鼎的 发明家爱迪生；主张改用“交流电”的代表人物则是比爱迪生小9岁的后起 之秀特斯拉。发电机发明以后，电能就在工农业生产和日常生活的各个方面得到了广 泛的应用。起初是采用“直流电”的方式输电和供电，由于输电的电压较低， 所以在输电线路上的热损失就较大，因此每一平方英里的地区就需要一个单 独的直流发电机供电，而且还要用大量较粗的铜线。为了解决上述的缺点， 特斯拉发明了以交流发电机供电的“交流多相电力传输系统”，由于使用变 压器以高电压、低电流的方式输电，就大大地降低了输电线路上的热损失， 实现了远距离输电，从而不需要大量分散的单机供电，输电导线的载面也大 大地减小了。从科学和实用的角度来看，使用“交流电”显然比使用“直流电”优越， 可以大幅度地降低供电的成本。因此，特斯拉的发明得到了一位富有的发明 家兼金融家威斯丁豪斯的支持，付给了特斯拉100万美元的专利费，为研制 开发提供了资金，开设了 “特斯拉电气公司”。但是多年来爱迪生的公司一 直是投资开发直流供电系统的，不甘心就此让位给交流供电系统，于是与特 斯拉展开了一场激烈的竞争。但是，爱迪生所采用的竞争方式是不科学的， 他和他的支持者们诬蔑说：“使用交流电比直流电危险得多”。为了证明使 用交流电的安全性，特斯拉专门举行了记者招待会，他让交流电从“特斯拉 线圈”通过他的身体点亮了灯，记者们看得入了迷。纷纷承认了交流供电的 优越性。最终这场竞争以特斯拉的胜利而结束。从此“交流供电系统”广为 社会采用。二、直流供电直流供电系统由整流器、蓄电池、直流变换器和直流配电屏等部分组成， 当市电中断时，蓄电池单独给通信设备供电。由于蓄电池通常处于充足电状态，所以市电短期中断时，由蓄电池保证不间断供电。若市电中断期过长，整流器应由油机发电机组供电O1、主要优点电压低，一般其电压恰好是交流传动的母线电压，直接可以被车辆主回路 利用。电压低也意味着安全。不论交流车还是直流车，都很容易能实现高品质再生制动。（注意此时直 流传动车再生品质更高）没有分相问题，可靠性相对高。直流电比交流电更小辐射干扰，电压低也没有放电等附带干扰，绝缘防护 要求等级低。可以直接靠近居民住宅铺设）直流电本身导线利用效率高（趋肤效应没有）2、主要缺点 电压（相对）低，电流大，损耗大，变电所多成本高，大功率送电困难。单一变电所供电范围相对小，如果行车密度不高，再生制动节能效果差。 再生制动电能不能倒送大电网。电极化腐蚀相对严重。架空线必须有很粗的截面积，消耗更多金属。同时，大电流受电，需要多 弓，高速下受流品质差噪音大。供电臂短导致分段多，列车惰行点多。三、交流供电1、主要优点供电电压高，供电距离长，变电所个数少。送电损耗小，容易确保大功率送电，再生制动可以倒送大电网。架线截面积小节约材料。 受电电流小，不用多弓就能满足大功率受电，提高受流品质。电极化腐蚀很小。2、主要缺点供电带电压高，危险性大考虑到安全不可以直接靠近居民住宅敷设，放电和电 磁干扰大，绝缘要求高。交流成分谐波干扰问题和功率因数问题。直流传动机车不易实现高品质再生制动。必须设置分相，这里可靠性相对薄弱。不能被列车直接利用，车辆构造相对复杂化四、交流供电和直流供电的比较以城轨为例城市轨道交通的供电电压大都在DC 6001500V之间。IEC（国际电工委员会） 拟订的电压标准为：600V、750 V和1500V三种。我国标准规定为DC 750V和DC 1500V两种。目前我国许多大城市都在考虑建设快速轨道交通，首先面临的就是采 取哪一种供电制式。这涉及到供电系统的技术经济指标、城市交通线网的规划站 距、供电半径、供电质量、运输规模、旅行速度和车辆形式等。必须根据各城市 的具体条件和要求，综合分析论证。以下分别从不同的运营要求、特点、规模和 条件来做一分析比较。1、城市轨道交通供电接触网的类型牵引供电系统是由电网输入线路、牵引变电站、馈电线、牵引接触网和回流 线等构成的供电网络。接触网分为架空式接触网和第三轨（接触轨，以下简称三轨） 式接触网。三轨式接触网仅用于地铁与封闭的城市铁路和轻轨，架空式接触网除 此还可用于铁路干线、城市地面和工矿电机车电力牵引线路。为了保证对电动车 组良好的供电，接触网应顺直平滑，高度一致，在高速行车中能始终保持正常稳 定的接触授流；接触网应具有足够的耐磨性与良好的导电性，寿命尽量长，并力 求结构简单，易于施工、维修。2、同接触方式的特点比较2.1安全性无论架空式接触网还是三轨接触网，其安全性都是无容置疑的。从发生触电 事故的情况看，两种方式都有且主要发生在车辆运用维修与电网维护人员。从地 面交通的角度来看，在市区平交运行的有轨电车或轻轨车宜采用架空接触网；牵 引网压等级较高时，为了安全和保证一定的绝缘距离，也宜采用架空网。而封闭 运行的城市铁路或轻轨采用架空线或第三轨都完全能保证安全；在发生事故疏散 乘客时架空式接触网将给人们更多的安全感。2.2经济性从技术发展历史来看，由于电工材料和输变电技术的进步，直流牵引输电电 压呈增高趋势。1863年开通的伦敦地铁和1904年开通的纽约地铁分别采用了 DC 630V和DC 625V直流供电，三轨授流方式；1935年开通的莫斯科地铁采用的是 DC 825 V（相当DC 750V），第三轨授电。1955年开通的罗马地铁首先采用了 1500 V 直流架空线输电。1960年以后，日本的地铁与电气铁路一致，基本上都采用了 DC 1500V架空接触网的制式。从建设费用来看，1500V直流架空网输电比750V三轨授流经济。提高输电电 压，可以相应地减少电能损耗，减少变电站的数量，降低电力设备费用。电压提 高一倍，同样功率的电能输送距离可以提高近一倍。750V供电系统变电站间距较 短，一般为1.52km，而1500V供电系统变电站间距可达3.54km。因此同一条 线路采用1500V输电，如果电站配置得当，比750V可以少建近一半变电站，供电 设施大约只相当750V三轨授流的70%左右。而且采用1500V制式后，同功率电动 车辆由于电流的降低，电器设备也可以相应地减小体积与重量。电站直流开关等 设备也如此。但是对于地铁，横断面相同的车辆，采用架空线的其隧道半径（或矩 形隧道高度）要比采用三轨授电的大，施工土方量增加，土建费用增加约14%。从维修的角度来看，架空式接触网要定期进行检查维护，洞内维修作业需要 专用的接触网检查车，维修周期短、费用高、备品备件需要量大。而接触轨维护 简单。从北京地铁运营30年的实践来看，因为三轨与受电靴接触面大，第三轨的 磨耗极小。据粗略地调查，运行30年，第三轨的上端面磨耗只有约45mm，基 本上可以做到无维修或少维修化，因而也就相应减少了维修费用。此外，受流器 结构简单，维修方便。受流器滑靴各国基本上都采用黑色金属，成本低。由于历 史原因，北京地铁受流器滑靴是采用铜基材料，现正在试验铁质滑靴，推广后会 进一步降低耗材成本。从输电效率讲，因为线路损耗是与电流平方成正比的，尽管可以设辅助馈电 线来减少线路阻抗，但DC 1500V输电显然比DC 750V损耗小、效率高。1500 V电 压变化率较小，电能质量较好，且由于杂散电流要小一半，有利于减少对地下金 属建筑物的腐蚀。2.3城市环境的适应性架空式接触网需要架设支柱，支持悬挂接触网要安装腕臂或横跨，横跨由金 属桁架或横向承力索、上下定位绳组成。在城市中间密布支架和电线网，影响市 容，有碍观瞻。当然通过巧妙的规划设计可以减少不利影响。而三轨授电，接触 轨位置低，没有明显的高大部件（如立柱、横向承力索、金属桁架等），城市景观好， 对电磁污染较易采取防护措施。这也是国内外某些城市轨道交通采用三轨受电方 式的原因之一。从两大类接触网的应用比例来看，目前地铁采用三轨授电的城市 仍比采用架空接触网的多。但是随着城市规模的扩大及技术的发展，采用1500V 架空接触网的呈上升趋势，且已有DC3000V系统出现。2.4传输功率与速度水平较高的电压在同等条件下能够传输较大的功率。DC 1500V比DC 750V显然能 够适应更大功率的电动车辆，也能达到更高的速度水平，在粘着允许的情况下加 速度也能相应提高。对于单向最大断面客流量在每小时5万人次及以下，宜采用 DC 750V接触轨；每小时5万人次以上，则宜采用DC 1500V架空接触网。在适应 速度上，架空接触网简单链形悬挂可实现200km/h的高速运行，弹性简单悬挂适 应速度达120km/h；刚性悬挂已实现了 160 km/h的试验速度。750V三轨授电一般 只用于速度在100 km/h以下的线路。只有美国旧金山的BART（海湾区快轨）最高速 度达128km/h，供电电压为DC 1000V。3、择接触网形式时应注意的几个关系城市轨道交通选择哪一种供电制式的问题，其关键是必须与城市的既有现状 和发展规划相结合，统筹兼顾，坚持经济上合理，技术上先进，适应本城市历史 现状特点与发展规划前景。3.1适应城市历史现状与发展前景的关系每个城市都有自己的历史特征。在城市发展的同时，如何保持文化遗产和历 史风貌，已日益受到人们的重视。因此，象北京这样的古都，城市圈内应尽量修 建地铁。城市铁路采用三轨，一方面为避免轨道上空纷纭的线网，与保持整个城 市的历史风貌相协调，另一方面可与原地铁系统相协调。一个城市在建设地铁或 轻轨时采用何种接触网制式，往往受到已建线路形式的影响。如欧洲、北美地铁 发展较早的城市伦敦、巴黎、纽约等都采用了三轨授电系统，其后基本沿用了该 方式。北京地铁也是如此。而上海、广州地铁都采用了架空接触网，后续线路也 就延续了 DC 1500V架空接触网的形式。这不仅在系统的一致性、扩展性、运营维 护方面有实际意义，也易于备品备件的替换。当然，随着城市规模的扩大，因线 路不同而采用两种接触网制式的情况也不少。如天津地铁虽然采用三轨授流的DC 750V制式，但建设滨海快速轨道交通时，因站距大（最长达6 km）、线路长、车速 较高，就采用了 DC 1500V架空接触网制式。从北京市的轨道交通发展来看，尽管 目前规划中的线路都延续了三轨形式，但中期规划有些线路是穿越市区到城市边 缘区的，线长站大，旅行速度应提高到45km/h左右，且地面线与高架桥为多，采 用DC 1500V架空接触网形式更为适宜。3.2成熟技术与前瞻性技术的关系地铁建设一定要选择成熟可靠的技术，但是也要有一定的前瞻性，尽量采用 先进技术。柔性悬挂接触网与三轨式接触网用于城市地铁和城轨交通已有多年的 历史，在我国也属于成熟技术，均能满足行车要求。新技术、新材料的出现使两 大类型接触网都有了新的进步。刚性悬挂应用于地铁隧道，不仅减小隧道净空，而且其汇流排载流面积大，接触线耐磨性好，寿命长；因无张力架设，不会发生 断线事故，可靠性优于柔性悬挂，减少了维修工作量。钢铝复合轨用作接触轨， 改善了三轨授流形式的技术性能，扩大了三轨授流方式的应用范围与前景。3.3减少工程投资与长远运营效益的关系据某些资料分析，采用DC 750V三轨授电比采用DC 1500V架空接触网系统总 投资要高18%。然而，架空接触网特别是柔性悬挂，在系统运营维护方面，检修 周期短、维修费用高。对城市轨道交通而言，运输密度大，间隔小，在夜间停运 很短的时间内进行定期检修是比较难的。维修工作的不均衡造成劳动力组织的困 难与浪费。因此，对地铁或城轨企业，基础设施的无维修化具有非常重要的意义。 从这一点出发，钢铝复合轨与刚性悬挂技术对地铁具有良好发展潜质。虽然一次 投资费用稍高，但维护材料与人工费节约的长远效益是显而易见的。3.4引进技术与国产化目前，广州地铁1号线架设了我国第一条刚性接触网试验示范段，采用n型 铝合金汇流排夹持导线，并基本实现了关键零部件的国产化，并准备推广使用到 建设中的广州地铁2、3号线。而弹性简单悬挂所采用的弹性支座和分段绝缘器尚 需国外引进。钢铝复合轨目前国内也还不能生产，因此增加了建设投资费用。对 这些技术，应根据市场发展前景确定国产化的进程。