No.128 远距离输电一定要用交流电吗？现实是这样的！

在高考范围内，远距离输电是一个常考考点。往往教师在课堂中会反复强调高压交流输电在输电线路上能量损失较小，而远远优于直流输电。

这就使得很多同学认为，平时生活中见到的高压输电线路，都是以交流电形式输送的，尤其是远距离输电。

事实是这样吗？今天我们来掰扯掰扯。

1. 爱迪生和特斯拉之争

先从交流电和直流电的产生说起，相信很多老师讲过安迪生和特斯拉的故事。

在1878年，托马斯·阿尔瓦·爱迪生「Thomas Alva Edison」还是31岁的青年小伙。

年轻时的爱迪生

此时，爱迪生已发明第一个能实际应用于商业的白炽灯，弥补之前白炽灯寿命短、成本高的缺陷。

同时，为点亮白炽灯，爱迪生发明了直流电。

不久后，爱迪生取得电力传送系统专利，并建立直流发电站，用直流电为附近用户供电。

随着输电距离的不断增大，爱迪生同志显然发现，直流输电能量消耗巨大！

而采用贵重金属减小导线电阻，增加导线横截面积，增大架设线路难度的做法又是极不可取的。

以上问题让爱迪生头疼不已，传闻爱迪生在他的公司内部发出悬赏通告，寻找解决方案。

有奖悬赏「Reward Post」

谁能成功改进直流输电系统，降低线损和压降，就奖励他50,000美元。

Anyone who solves the power losses and voltage drop of DC power system, can recive a reward of 50,000 $.

尼古拉·特斯拉「Nikola Tesla」得知这条悬赏后，在努力工作了几个月后，找到爱迪生，宣称可以解决该问题，让爱迪生兑现50,000美元奖励，但爱迪生对特斯拉说：

当您成为一个完全的美国人，您将会欣赏美式笑话。

When you become a true American, you will appreciate our American joke.

潜台词：我是开玩笑的，没有什么悬赏。

特斯拉说：

去**的，我辞职！

F**k you, I quit!

以上是爱迪生与特斯拉间未经证实的一段轶事。

我个人认为，特斯拉肯定向爱迪生解释了交流输电方案，但爱迪生不认可，两人发生了严重分歧。

年轻时的特斯拉

辞职后，特斯拉成立了自己的公司：斯拉电灯与电气制造公司「Tesla Electric Light & Manufacturing」，致力于发明和推广交流输电系统。

显然，交流电可以通过交流变压器来提高输电电压，在输送功率一定的情况下，降低输电电流，从而降低输电线路上的功率损耗。

但随着时间的推移，输电距离越来越远，人们慢慢发现了交流输电的一些问题，例如系统稳定问题，使输送功率收到限制；无功功率限制了跨海以及地下电缆输电距离等问题。

这时候，人们开始怀念直流输电的诸多优点。

2. 交流输电和直流输电的优势比较

其实，高压直流输电方式比高压交流输电方式具有明显的优越性。历史上仅仅由于技术水平的原因，才能使得交流输电代替了直流输电。

交流电的主要优势主要表现在发电和配电方面。

① 利用建立在电磁感应基础上的交流发电机可以很经济方便地把各种能源，如机械能、化学能等其他形式的能量转化为电能。

② 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。

③ 交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这样给配送电能带来了极大的方便。

直流输电是我们比较陌生的，先对其基本输电线路进行介绍：

直流输电示意图

其中涉及到的名词进行解释：

换流器（整流或逆变）：将交流电转换成直流电或将直流电转换成交流电的设备。

换流变压器：向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备。

平波电抗器：减小注入直流系统的谐波，减小换相失败的几率，防止轻载时直流电流间断，限制直流短路电流峰值。

滤波器：减小注入交、直流系统谐波的设备。

无功补偿设备：提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与系统的无功交换。

通过上边的原理图，我们很容易看出来，所谓的直流输电，仅仅是在电路输送过程中使用直流电，而在电流的生产和使用过程中均为交流电形式。

将交流电变为直流电的过程，我们叫做整流，而将直流电变为交流的过程，我们叫逆变。而整流和逆变我们统称为换流。

其实对于换流器，我们并不陌生。我们生活中经常使用的电器一般均需要接入直流电，这时候起作用的就是换流器中的逆变器。

对手机而言，它的「充电器」就是一部小型逆变器，可将220V/50Hz交流电转换为5V直流电。

正在用充电器充电的iphone

对于台式电脑，它的「电源」就是一部多端逆变器，可将220V/50Hz交流电转换为12V/5V/3.3V/-12V等多电平的直流电。

不同接口输出不同电平的直流电

现在盘点下直流输电的优势：

① 输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2/3~1/2. 同时，输电杆塔结构也比同容量的三相交流输电简单，线路走廊占地面积要少。

高原直流的代表

② 在电缆输电线路上，直流输电没有电容电流产生，而交流输电线路中存在电容电流，引起损耗。这里主要强调电缆输电，高压输电线通过大城市必须采用地下电缆，经过海峡时必须采用海底电缆，电缆芯线与大地之间构成电容器，若使用交流电，空载电容电流造成能量损耗。

超高压直流的先驱

③ 直流输电时，其两侧交流系统不需要同步运行，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，从而形成循环电流，损害设备。而直流电路不需要同步调整，不存在相位问题。

三峡电力南送

④ 直流输电发生故障的损失比交流输电要小。在直流输电中，各极是独立调节和工作的，互不影响，当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极还可以输送至少一半的功率，而交流输电中，任何一相发生故障，必须全线停电。

关键词：三峡电力东送

⑤ 直流输电可以分期建设，分期投入使用运行。而三相交流输电必须一次性建成，才能投入使用。

世界首条±660千伏直流

⑥ 直流输电对通信设备的干扰和对环境的污染都比交流电要小，比如电磁辐射危害等。

世界首条±800千伏直流

交流电的优势在于发电和配电，而直流电的优势在于输电。超高压直流输电系统集中了直流和交流的长处，避免了各自的短处。但是，由于直流输电系统的换流设备目前造价极其昂贵，尽在远距离输电中才能发挥其优势，达到得大于失的经济效果。

世界首条±1100千伏直流

由此可见，平时我们见到的输电线路上，可能是直流输电，也可能是交流输电。

我们应该如何区分呢？

3. 如何区分交流输电线路和直流输电线路

方法一

在输电线路中，输电线路铁塔最顶端的为两根细细的地线（也叫避雷线），地线下方的叫导线。通常，交流线路的导线有3相，所以导线呈3的倍数时为交流线路，3根线叫一回，6根线叫两回，12根线就叫四回；直流线路的导线通常是2相，所以导线呈2的倍数时是直流线路。因此，区分交流与直流最直接的方法就是数导线是2还是3的倍数了。

直流线路

方法二

我们还可以根据铁塔的形状来快速识别交流与直流。直流输电线路的铁塔大部分呈“T”字型或者“干”字形结构。

      T字型                                    干字型

交流输电线路的铁塔种类繁多，有酒杯型、猫头型、上字型、鼓型、拉V型、干字型等结构。

酒杯型                        猫头型                            上字型

鼓型 

  拉V型                          干字型