供电系统中交流与直流传输方式的利弊分析-《电路分析基础》-课.

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

2

P I R

Δ=×,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。

第3页由理想变压器的定义式

2121((

1((u t nu t i t i t n ==− (1 (2

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 Δ=×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