被交流电“统治”一百多年——直流电时代卷土重来？ - 环境与生活网
被交流电“统治”一百多年——直流电时代卷土重来？
发布时间：来源：原创◎本刊特约撰稿& 刘国伟
&&& 日常生活中，我们的一些家用电器本身用的是直流电，但电厂传输入户的电却是交流电。交流电输电需要通过变电站、变压器，诸多中间环节会耗掉不少电能。直流电则不存在这些问题。那么，为什么世界一百多年来使用交流输电？当年爱迪生在美国开创的直流输电方式为什么在和交流输电方式的大战中失败了，而且一败就是百多年？随着科学技术的发展，有科学家又提出“直流家庭”的概念，认为直接使用直流电更环保。难道人类真的要迎来一个直流电新时代吗？
四川向家坝—上海特高压直流输电示范工程四川宜宾复龙换流站效果图图片来源：宜宾公众网
爱迪生和特斯拉的电流大战
&&& 说起直流电与交流电的渊源，还得先回到100多年前，看看两位科学巨人——爱迪生和特斯拉关于电力传输标准的一场大战。&&& 爱迪生和特斯拉是19世纪20世纪之交电学领域的两大巨擘。爱迪生是直流电的发现者，作为当时最伟大的美国发明家，爱迪生在电力传送标准方面先行一步，于1880年拿到电力传送系统的专利，这为他日后发明电灯奠定了基础。接着，他在1882年修建了纽约的珍珠街电站，这是美国的第一座发电厂，内装6台发动机，可供6000个爱迪生发明的灯泡用电。爱迪生在珍珠街发电站开启的世界上第一个电能传送系统，能为59名曼哈顿用户提供110伏特的直流电。此时的爱迪生，用自己研发的直流电传输技术主宰着美国的输电标准。&&& 几乎与此同时，一位来自克罗地亚的年轻移民公然向爱迪生发起挑战。这人就是尼古拉·特斯拉，他除了是拥有700项专利的发明家，还是物理学家。他挑战的武器是自己发现的交流电，并从此推动了人类的第二次工业革命。
左：34岁时的特斯拉——现代世界中凡是利用电的地方均可看到他的遗产，除了其在电磁学和工程上的成就，特斯拉也被认为对机器人、弹道学、信息科学、核物理学和理论物理学上等各种领域均有贡献。
右：75岁时的爱迪生
&&& 回过头来接着说特斯拉和爱迪生。特斯拉曾经在爱迪生的公司工作过几年，但两人在经济利益上出现纠纷，特斯拉后来辞职，在1886年成立了自己的公司研究交流电系统，并说服企业家乔治·威斯汀·豪斯（George Westing House，西屋公司创始人）投资他的交流电计划。自此，交流电与直流电大战的序幕正式拉开。&&& 初期，爱迪生因为占了先机，拥有优势。但直流电当时不能变压，输出的电压是多少，用户那边就是多少。如果输出的电压过高，用户端的灯泡就会全部烧掉。如果用适合灯泡的电压输电，输电距离就很有限，并且需要很粗的电线（当时，直流电不能被高效地长距离输送）。爱迪生的解决方案是“我们就一英里建一个电站好啦”。&&& 而特斯拉发明异步电动机后，交流电远距离高压传输的优点就体现出来了——通过变压器升到非常高的电压，用细导线输送，到了目的地再降低电压给用户使用。&&& 为打压特斯拉，爱迪生无所不用其极，他想法设法贬低交流电的安全性和实用性。爱迪生的雇员甚至用公开电死大型动物的方式，来向公众宣传交流电的危险：“西屋公司的产品可以在6个月时间里，杀死他们的所有顾客，无论你的块头是多大！”
左：特斯拉坐在他在美国科泉市的实验室内，身前是产生百万伏电压的“放大发射机”。这是一张多重曝光照片，摄于1899年。
右：塞尔维亚2006年发行的100第纳尔纸钞，印着特斯拉肖像。
&&& 1893年的芝加哥世博会，成了双方一决高下的舞台，特斯拉第一次有机会向公众宣传大型的交流电项目，他将交流电的优势展示得很充分，一举奠定了交流电对直流电的优势。电流大战至此基本落下帷幕，两位科学巨人的竞争掺杂了利益、个性和观点的冲突，也给后人留下了茶余饭后的谈资。&&& 2006年的美国电影《致命魔术》，里面就有“科学狂人”特斯拉的角色，男主角正是使用特斯拉的电学发明，才完成了偷天换日般的魔术表演。
大卫·鲍伊在影片《致命魔术》中饰演的科学狂人特斯拉
家庭供电是交流不少电器却是直流
&&& 时至今日，世界大多数地方还是采用交流输电，直流输电暂时还不是主流。这主要是由两者的特点决定的。&&& 说到这里，有必要通俗地解释一下直流电和交流电的区别。想一想我们人是怎么交流的？一个人说话，众人听那不叫交流，那是演讲。有问有答、有来有往才叫交流。交流电就是如此，流出去再流回来有来有往，所以交流电有两个方向，且没有正负之分（其实是无法分辨，只能在瞬时说出其极性来）。而直流电呢，顾名思义，径直地流，一去不回头。直流电只从正极流向负极，所以只有一个方向。设想渠水在流动的时候，水量的多少是不是随时间而变化呢？一会儿多，一会儿少，其实电在流动的过程中也是这样。归纳起来就是：交流电（alternating current ，简称AC）是指大小（幅度）和方向都发生周期性变化的电流；而直流电（Direct Current，简称DC），是指方向不随时间发生改变的电流，但电流大小可能不固定。&&& 既然交流电的方向不断变化（流出去又流回来），那么它一秒钟要流回来几次呢？每秒多少次就是频率，电学中用Hz（赫兹）来表示。比如，50赫兹的意思是，导线中的交流电每秒要流出再流回50次。日常生活中交流电的频率，一般为50赫兹（中国等国）或60赫兹（日本等国）。“频率”表示交流电方向改变的快慢，“相位”则表示交流电输电的起始时间。所以电学中把幅度、频率、相位称做交流电三要素。通常我们的照明用电、工厂用电是交流电，而干电池、蓄电瓶等是直流电。直流电因为电流没有周期性的规律变化，所以理论上直流电没有频率，或者说频率为零。
对夜晚的路灯进行长时间曝光的拍照，会发现由于交流电电压的变化，路灯留下的光线线条是虚线，看起来断断续续。图片来源：维基百科
&&& 那么，我们身边的一些电现象，如静电、闪电等，哪些是直流电？哪些是交流电呢？&&& 静电是一种静止不动的电荷，静止电荷所建立的电场称为静电场，是指不随时间变化的电场，因此从定义上来看既不是直流电也不是交流电。&&& 至于闪电是直流电还是交流电，这个看似简单的问题曾引起激烈的争论。对此，美国阿贡国家实验室（美国政府的历史最悠久和最大的科学与工程研究实验室之一）官网上给出如下答复：“闪电是直流电——可以这么说。闪电有好几种形态：云地之间、云云之间、地云之间。在高速摄影照片中，经常可见从云端向地面发出的‘第一击’，但随后会发生沿着开辟出的电离通道从地面再到云端的‘回击’。如此却又形成了仅有一个周期的交流电。”&&& 我们家庭入户的电线中传输的是交流电，很多人就以为家用电器都用的是交流电，这是个常识性误区。其实IT产品（如电脑）和绝大多数家电内部均使用直流电。大家认真观察可以发现，空调、冰箱等电器中都有整流器，是它们将入户的交流电转化成直流电，电器才能工作。&&& 也就是说，电网公司一般是用交流电方式将电力从发电厂传送到城乡各地，再经过变压器转为220伏特的电流入户，最后经过家用电器中的整流设备变成直流电，再供低电压直流电源使用。这样一来，电能在诸多中间环节被“层层克扣”，大量电能被白白浪费。
<FONT style="FONT-FAMILY: 楷体_GB年加拿大马尼托巴湖水电站上的15千伏特汞弧整流器，能够将水电站的交流电转换成高压直流电输出。
直流输电系统为何东山再起
&&& 当年由于历史原因，爱迪生在与特斯拉的电流大战中落败了，他不仅输掉了为1893年芝加哥世博会提供输电系统的机会，更重要的是他不得不把未来全世界输电系统的标准制定权，拱手让给了特斯拉。&&& 但犹如很多富有戏剧性的历史事件一样，三十年河东三十年河西，在交流电和变压器被人们可靠地使用了百多年后，在科技高度发展的今天，直流输电系统又卷土重来。激增的用电需求、日益普及的环保意识，使得科学家开始重新审视直流电在“高效、节能、环保”方面的价值。&&& 直流输电系统能够再次起步，离不开高压或特高压直流输电技术的支持，这种技术在长距离输电方面有两大优势。一是在电压相同的情况下，它比交流电的传输损耗要小，这是因为在直流电线路中电流的方向是不变的，而在交流输电电路中电流方向每秒钟改变100或120次，这就引起传输中的微小电流能量以热能的形式耗散。二是高压直流电在地下或水下，能比交流电更长距离地传输电能。这是由于当被埋在地下或淹没在水中时，交流电会产生强大的交流电场，这也会导致额外的大量能源损失。而对于直流电而言，这种损失几乎可以忽略不计。&&& 高压直流输电的电能损耗一般每1000公里为3%，随着电压等级和结构的不同而有所差异。需要指出的是，高压直流输电的经济性体现在远距离或超远距离输电方面，一般认为架空线路超过600至800公里，电缆线路超过50公里左右的直流输电，要比交流输电经济。如果输电距离短，那么采用传统的交流输电系统更加便宜。这就是为什么当今世界主要的高压直流输电线路普遍较长的原因。
在唐古拉山，工人们正在架设电力铁塔。6月11日，5200多米的世界海拔最高电力铁塔——唐古拉山口17基铁塔正式放线。号称海拔最高电力工程的青藏交直流电力联网工程，也被称作“电力天路”，是西部大开发的重点工程，高压直流输电将由此进藏。10月31日，“电力天路”已开始试运营。
我国建成世界最长特高压直流输电线路
&&& 美国著名科技期刊《电气和电子工程师综览》曾在1996年追本溯源，认为现代高压直流输电技术，起源于20世纪30年代瑞典阿西亚（ASEA）公司开发的技术，瑞典早在1954年就应用这项技术，在内陆与哥特兰岛之间建造了10～20兆瓦直流输电系统。1988年，阿西亚并入了ABB公司（总部在瑞士），如今的ABB已是全球电力和自动化技术领域的领先厂商。&&& 中部非洲的刚果民主共和国拥有世界第二长的高压直流输电线路：从刚果河上的英加水电站到加丹加省铜矿之间1700公里长的高压直流输电线路，被称为“英加-科卢韦齐”线路。奔腾的刚果河为英加水电站提供了惊人的能量：根据推算，英加水电站的理论发电能力达4400万千瓦，是中国三峡电站的两倍多，建成后可成为世界第一大水电站，目前英加水电站正在进行三期工程。虽遭受战乱干扰，ABB公司还是在1982年完成了线路铺设，预计于2013年完成。
<FONT style="FONT-FAMILY: 楷体_GB公里的“英加—科卢韦齐” 线路位于刚果民主共和国，目前是世界第二长的特高压直流输电线路。
&&& 当前全球输电距离最长的特高压直流输电系统在中国，是位于金沙江下游的向家坝水电站至上海之间的±800千伏、6400兆瓦的特高压直流输电系统，全长约2000公里，ABB公司也为这条线路提供了技术支持。日，向家坝—上海特高压直流输电示范工程投入运行伊始，便获得了世界上输送容量最大、送电距离最远、技术水平最先进、电压等级最高的直流输电工程四项桂冠。
向家坝—上海特高压直流输电工程换流站阀塔图片来源：中电装备许继柔性输电系统公司网站
&&& 不过巴西也许会抢走中国的桂冠。2009年，ABB集团和西班牙合作，开始建设连接巴西西北部两座新水电站和圣保罗市之间的、超过2500公里的输电线路，计划在2012年竣工，届时将成为世界最长的特高压直流输电系统。&&& 高压直流输电系统通过整流器和变极器控制，还可以实现异步、远距离、不同频率交流系统的互联。漫步美国与加拿大边界，旅游者可以看到大量的高压直流输电设施，这是两国不同步电网之间重要的电力交换设备，因为交流电网只有在同一频率和相位之下才能彼此互联，这个重要任务可以利用高压直流输电系统来完成。同样道理，高压直流输电系统的互联能力，也体现在北美大陆5个不同步电网（东部、西部、得克萨斯、魁北克和阿拉斯加）之间的互联上，以及巴西和巴拉圭两国电网的互联上——因为两国分享伊泰普水电站的电力，但是两国电网却不同步，频率分别设定在60赫兹和50赫兹上。
电力巨头布局直流输电市场
&&& 事实上，为了更加节能、环保，国际电力设备行业的两大巨头——瑞士的ABB与德国的西门子，正在投入巨资改进特高压直流输电技术。&&& 据英国《金融时报》11月27日报道，瑞士的ABB公司与德国的西门子公司，正在特高压直流输电技术领域展开激烈角逐。在过去两年里，ABB在这方面投入了两亿美元，西门子去年则投入了1.1亿欧元。这两大行业巨头之所以如此不惜血本，是因为前景实在是太诱人了。ABB电力传输部门的负责人彼得·路义普说：“高压直流输电的市场潜力巨大，在未来５年里，每年将达到100亿美元。”&&& 直流输电的损耗比交流输电要小，但在人口稠密、发电站与用户距离很短的欧洲地区，这种损耗几乎可以忽略。然而，中国的大型水电站（以三峡水电站为典型）主要在中西部，发的电主要供经济发展程度更高的华东、华南地区用，需要把电输送到一千多公里外的地方，交流输电的损耗就大大提高了。ABB与西门子下血本研发高压直流输电技术，应该说是挺有远见的。而直流电直接输入家庭的梦想，更加具有节能的潜力和吸引力。
德国西门子公司的高压直流输电系统
位于湖北省宜昌城区以东22公里的龙泉高压直流输电换流站，是三峡电力外送的重要组成部分。
（详见本期第二篇报道）
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电力中级职称考试复习题
中级职称复习题
▲判断题：
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