供电系统中交流与直流传输方式的利弊分析

供电系统中交流与直流传输方式的利弊分析
F0403012 孙逸翔 5040309349 授课教师张峰
摘要：交流高压输电和直流高压输电是现今两种较为成熟的远距离输电模式。

前者已经有了很长的发展历史，技术相对成熟，在人们的日常生活中得到广泛应用；后者自五十年代起，开始被人们重视，在海底电缆等情况下相较交流输电有着无可替代的优势。

本文针对两种输电方式的原理和利弊做出一定的分析和讨论，并结合国家重大工程运用现有的基电知识进行大致的了解和研究。

并在最后对二者的发展前途进行了科学的展望。

关键词：高压直流，高压交流，有功功率，无功功率，变压器，耦合，整流，滤波，换流，三峡水利枢纽
概述
编写说明编写目的：通过对于交流和直流供电系统的简要分析，掌握交流和直流输电的相关初步知识，同时和书本学习的内容相结合，巩固书本知识。

并且联系实际（三峡水电站等），关注国家重要工程。

适应对象：电院二年级拥有基电知识的同学。

定义
变压器：利用电磁感应的原理来改变交流电压大小的电路元件。

在电气设备和无线电路中常用来升降电压匹配阻抗等。

整流器：利用电子管或晶体管把交流电变成单方向流动的电流的电路元件。

滤波器：由线圈和电容器组成，用以把不同频率的电磁振荡分离开，只让所需要的频率通过的电路元件。

换流站：采用半控型的晶闸管器件，利用相控进行交—直和直—交两种变换的电力系统。

绪言
从80年代中期开始，著名的发明家爱迪生就开始致力于将各种关于电力的设想化为现实的研究工作中，并取得了丰硕的成果。

但爱迪生一直都倾向于采用直流电来处理和考虑问题，以至于在爱氏1887年年满40之际有人提出用交流电取代直流电的设想的时候，他非但嗤之以鼻，还在以后的长久日子中引发了关于到底应该采取直流还是交流的激烈争论。

从当时的情况看来，如果采用直流电输送电力，由于功率在传导电线的内阻中迅速损耗，以至于发电厂输送电力的距离最远不超过一英里。

如果这种状况继续下去，那么除了大城市外，别的地方也许就得不到电力。

此外，采用直流电输送的电力得把电压局限在250伏之内，如果超过这一标准就会烧毁灯丝，或危及用户的安全。

于是另一种想法应运而生：能不能将电压提高，以利于远距离输电，然后在输入用户或工厂之前，再将电压降下来。

为了能够解决这个升压和降压的问题，人们很自然地想到了采用交流电，因为这样才可以用变压器来达到升降压的目的。

而实际的各种尝试也的确证明了这种想法的可行性。

所以后来出生在奥匈帝国克罗地亚的尼古拉·蒂斯拉的技术原理在乔治·威斯汀豪斯的支持下，终于将交流电引向实际应用。

而此时，固执的爱迪生的直流电传输理论终于逐渐失去了主导地位，在而后的百年的时间里逐渐被人遗忘。

但是，直流电传输方式是不是真的就没有任何可取之处呢？答案显然是否定的。

现在已经部分投产的我国三峡水电站的输电模式中，就有2965公里的直流输电线路。

为什么三峡工程没有采取已经被经验和时间证实了的输电方式而选取了看似已经被人抛弃的方法呢？其中自然必然有一定的道理，我们此次便会去一探究竟。

最后对这两种经典输电方式作一番
比较。

交流电输电系统特性
当初历史选择了交流电，是有其必然原因的。

实践证明，交流电具备很多优点。

交流电动机结构比较简单，重量较轻，而且供电稳定，还可以调离或调低，能够实行远距离送电。

我们可以作如下比较。

由法拉第电磁定律U=BLv 作为理论基
础，现今发电机的发电电压一般在几千瓦至
十几千瓦之间，而在当时的直流发电电压不
过几百伏特。

由于功率P=U ×I,在电压无法
升高的情况下，为满足公众需求而愈增愈高
的功率必然使电流不断增大。

由
2P I R
∆=⨯，线路的功率损失必然愈为增大。

于是人们设想：能不能将电压提高，以
利于远距离输电，然后在输入用户或工厂之
直流发电机模型
前，再将电压降下来。

如果用直流电，这一点就无法实现。

但是用交流电，它就可以沿一个方向前进，达到高峰时就调转方向，再达到高峰时，又调转方向，每秒钟调换多次方向，就为改变电压提供了条件。

1888年，蒂斯拉成功地建成了一个交流电电力传送系统。

他设计的发电机比直流发电机简单、灵便，而他的变压器又解决了长途送电中的固有问题。

利用变压器，可将输入线路的电压提高，在送入家庭用户或工厂之前，再把电压降下来。

交流电实现电流远距离输送的关键在于利用变压器。

在送到输电系统前，利用电厂内的升压变压器将电压升高为输电线路
电压（一般为数百千伏）。

当输电线
路到达负载中心（都市或工业区等）
附近，设置超高压或一次变电所将电
压降为161KV 或69KV ，再输送到位
于负载中心的配电变电所或二次变
电所，把电压降为配电电压11.4KV
或22.8KV 再送到配电线路。

理想变压器及三相组式变压器
的模型如下图。

由理想变压器的定义式
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2121()()
1()()u t nu t i t i t n ==-
若变压器的初级匝数为N1，次级匝数为N2，则匝比
21N n N = （3） 由上述三式可以得出理想变压器的VCR 为：
2121()()
1()()u t nu t i t i t n
=-= 至此我们可以知道：1122()()()()0u t i t u t i t +=；即初级与次级线圈的输入功率的总和为零。

理想变压器不会消耗功率，而若n 取值足够大，十几千伏特的u1必然可以升至几百千伏特。

由公式
P ＝U ×I
升高电压后I 值减小，随之传输线路功率损失2
P I R ∆=⨯因之下降。

远距离输电成为可能。

至负载中心之后，仍然利用一理想变压器将电压重新将下来，以适用于生活用电。

在动力系统方面，交流发电机和交流电动机也随这种电路传输系统而相应地出现且随时代进步而不断得到改进。

交流供电系统也就一步步发展到今天一统天下，趋近完善的境界。

下面两图即给出三项电系统中的发电机与电动机基本构造模型。

三相交流发电机模型 三相交流电动机模型
直流电输电系统特性
否定之否定。

当初爱迪生与威斯汀豪斯的“电流之战”虽以交流供电的胜出而结束。

但随着技术的进步，作为解决高电压、大容量、长距离送电和异步联网重要手段的直流输电技术正越来越受到广泛的应用。

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。

1950年苏联建成一条长43km 、电压200kV 、输送功率为3万kW 的直流试验线路。

到60年代，海底电缆的输电工程几乎都采用直流输电，直流输电方式在跨越宽阔海峡的特殊自然条件下，优点更为突出。

80
年代，可控硅换流器在大型
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直流输电工程中崭露头角，巴西的伊泰普直流输电工程，使直流输电压达到±600kV ，输电功率达到6 300MW ，输送距离806km ，发展之迅速可见一斑。

我国高压直流输电虽起步较晚，1977年建成第一条31kV 直流输电工业性试验电缆线路。

三峡至常州500kV 超高压直流输变电路也已于今年建成。

直流输电的再次兴起并迅速发展，说明它在输电技术领域中确有交流输电不可替代的优势。

我们通过查找资料，认为直流方式尤其在下述情况下应用更具优势：
（1）远距离大功率输电。

直流输电不受同步运行稳定性问题的制约，对保证两端交流电网的稳定运行起了很大作用。

（2）海底电缆送电是直流输电的主要用途之一。

输送相同的功率，直流电缆不仅费用比交流省，而且由于交流电缆存在较大的电容电流，海底电缆长度超过40km 时，采用直流输电无论是经济上还是技术上都较为合理。

（3）利用直流输电可实现国内区网或国际间的非同步互联，把大系统分割为几个既可获得联网效益，又可相对独立的交流系统，避免了总容量过大的交流电力系统所带来的问题。

（4）交流电力系统互联或配电网增容时，直流输电可以作为限制短路电流的措施。

这是由于它的控制系统具有调节快、控制性能好的特点，可以有效地限制短路电流，使其基本保持稳定。

（5）向用电密集的大城市供电，在供电距离达到一定程度时，用高压直流电缆更为经济，同时直流输电方式还可以作为限制城市供电电网短路电流增大的措施。

我们认为：首先最为关键的，是在许多特定场合下直流输电方式可以减少功率损失。

一、直流输电无电磁波形式功率损失
根据麦克斯韦方程组：
l s D H dl I dS t
∂=+∂⎰⎰⎰ 稳恒电流不产生电磁波，而变化的交流电则会产生波动的E 、H 矢量。

由坡印廷矢量定义
S ＝E ×
H
I S EH === 其中I 即为电磁波的强度。

由此可见，当使用超高压交流传输电流时，由于其dI/dt 变大，势必造成更多能量以电磁波的形式损失，而使用直流输变则无此问题。

二、直流输电无动感元件无功功率损失
在高压交流电线在空气中架设时，线路与大地构成一电容。

但由于由空气作为介质的此电容较小，因而对电路传输影响不大。

但在埋地电缆、海底电缆送电等形式中，由于线路与环境形成动态元件模型而产生的功率损失就较为可观了。

线路与大地、海水等直接构成电容值较大的电容。

根据阻抗公式
1Z j C
ω= 海水及大地中此阻抗Z 值可达较小，相当于构成一条支路，造成功率损失。

而在直流模型下则无此影响，提高了有功功率的传输效率。

如同交流输电中需采用变压器一样，直流输电方式需要以换流站和整流器作为向日常用
电转换的必需，来实现整流和滤波。

下面我们粗略作一些探讨：
整流电路的作用是把交流电转换成直流电，严格地讲是单方向大脉动直流电，而滤波电路的作用是把大脉动直流电处理成平滑的脉动小的直流电。

整流原理：利用二极管的单向导电性实现整流。

以全波桥式整流为例，其电路和相应的波形如下图所示。

若输入交流电为
()sin i p u t U t =ω
则经桥式整流后的输出电压为（一个周期）
(9)
其相应直流平均值为
(10)
由此可见，桥式整流后的直流电压脉动大大减少，平均电压比半波整流提高了一倍（忽略整流内阻时）。

滤波电路：
经过整流后的电压（电流）仍然是有“脉动”的直流电，为了减少波动，通常要加滤
波器，常用的滤波电路有电容、电感滤波等。

现讨论最简单的滤波电路。

电容滤波器是利用电容充电和放电来使脉动的直流电变成平稳的直流电。

下图所示为电容滤波器在带负载电阻后的工作情况。

由电容两端的电压不能突变的特点，达到输出波形趋于平滑的目的。

经滤波后输出的波形如下图所示。

桥式整流电路波形图
依据已做分析，在参阅资料后我们得出如下结论：
在进行远距离高电压输电时，直流输电方式有着诸多优点。

（1）直流输电不存在两端交流系统之间同步运行的稳定性问题，其输送能量与距离不受同步运行稳定性的限制；
（2）用直流输电联网，便于分区调度管
理，有利于在故障时交流系统间的快速紧急支
援和限制事故扩大；
（3）直流输电控制系统响应快速、调节
精确、操作方便、能实现多目标控制；
（4）直流输电线路沿线电压分布平稳，
没有电容电流，不需并联电抗补偿； （5）两端直流输电便于分级分期建设及增容扩建，有
利于及早发挥效益。

故现今远距离直流输电方式已得到广泛应用。

我国在长距
离输电的国家电网构建中，也已大胆并成功地使用了这种技
术。

右图为举世瞩目的三峡工程，它的多条输电线路即将采用
直流输电方式。

电站向华中及川东输电距离在６００ｋｍ以
内，采用交流５００ｋＶ输电较为经济，向华东送电采用５０
０ｋＶ直流和１０５０ｋＶ交流混合方式是可行的。

采用１０
１５ｋＶ线路交流输电能力可代替４～５回５００ｋＶ交流
输电线路，减少铁塔用材１／３，节约导线１／２，节省造价
１０％～１５％，线路损耗减少５０％。

直流、交流输电方式的综合评价与前景展望
直流输电的发展历史到现在有百余年，在输电技术发展初期曾发挥作用，但到了20世纪初，由于直流电机串接运行复杂，而高电压大容量直流电机存在换向困难等技术问题，使直流输电在技术和经济上都不能与交流输电相竞争，因此进展缓慢。

我们今天的日常生活用电网络，大多为三相交流供电方式，它拥有短距离内输电便捷、可升降压、适用性广等诸多优势。

它在我们生活中的主导地位，在短时间内，也因而是难以动摇的。

当今，随着远距离交流供电的弊端逐步凸现，直流输电方式在此受到人们的青睐，虽然直流输电较交流输电相比存在一些缺点，如：换流器在工作时需要消耗较多的无功功率；可控硅元件的过载能量较低；直流输电在以大地或海水作回流电路时，对沿途地面地下或海水中的金属设施造成腐蚀，同时还会对通信和航海带来干扰。

然暇不掩瑜，在远距离传输高压电流方面，直流输电已成为先进技术的发展方向。

三峡水利枢纽俯瞰图
三峡－常州直流输变换流站
现已有不少国家试制成功直流断路器和负荷开关，并正在研究利用这些开关设备与直流输电的控制技术相结合，以实现多端直流输电。

当前对高温超导的研究也正方兴未艾，它在强电方面应用的可能性也与日俱增。

超导用于直流输电要比用于交流输电更为有利，可以期待在不远的将来，超导将使电能的传输发生划时代的变革，并进一步推进直流输电的发展。

最后，我们罗列直流供电与交流供电的利弊，以作综合比较。

（1）流输电一般采用双极中性点接地方式，直流线路仅需两根导线，三相交流线路则需三根导线，但两者输送的功率几乎相等，因此可减轻杆塔的荷
重，减少线路走廊的宽度和占地面积。

在输送相同功率和距离的条件下，直流架空线路的投资一般为交流架空线路投资的三分之二。

（2）直流电缆线路的投资少。

相同的电缆绝缘用于直流时其允许工作电压比用于交流时高两倍，所以在电压相同时，直流电缆的造价远低于交流电缆。

（3）换流站比变电站投资大。

换流站的设备比交流变电站复杂，它除了必须有换流变压器外，还要有目前价格比较昂贵的可控硅换流器，以及换流器的其它附属设备，因此换流站的投资高于同等容量和相应电压的交流变电站。

（4）在相同的可比条件下，当输电线路长度大于等价距离时，采用直流输电所需的建设费用比交流输电省。

（5）直流输电运行费用较省。

根据国外的运行经验，线路和站内设备的年折旧维护费用占工程建设费用的百分数，交流与直流大体相近。

但直流输电电能损耗在导线截面相同、输送有功功率相等的条件下，是交流输电的三分之二。

可以预见：具有“悠久传统”的三相交流供电系统将在发电领域与日常生活领域继续体现强大的生命力，而直流输电方式也将在新技术变革的飞速发展中，发挥愈加巨大的作用。

致谢在本论文的书写过程中，得到了F0403012班王佑民同学的大力支持，在此表示
衷心的感谢。

参考书目
陈士军《直流输电的优势与前景》
王蔼《基本电路理论》
李翰荪《简明电路分析基础》
孙如瑛《三峡工程重大装备科研工作回顾》
毛江《远距离高压输电及其在三峡工程应用的探讨》
李其荣《爱迪生传》
西安交通大学电机学网络教学系统
中国科学技术大学物理实验网络课程
高峡出平湖——三峡工程网站
国务院三峡工程建设委员会网站。