为什么家里用的是交流电?

2016-11-01 18:30:00 作者:采采(网友上传) 分类 : 科普

  一、原因探讨

  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(直流电不能直接升压,使得输电距离受到极大的限制,但交流电用变压器很容易产生高压利于远距离输电),才使得交流输电代替了直流输电。

  输电方式是从直流输电开始的,1874年,在俄国彼得堡第一次实现了直流输电,当时输电电压仅100V。随着直流发电机制造技术的提高,到1885年,直流输电电压已提高到6000V。但要进一步提高大功率直流发电机的额定电压,存在着绝缘等一系列技术困难。由于不以直接给直流电升压,使得输电距离受到极大的限制,不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。

  19世纪80年代末,人类发明了三相交流发电机和变压器。1891年,世界上第一个三相交流发电站在德国劳风竣工,以30000V高压向法兰克福输电。此后交流输电就普遍代替了直流输电。

  但是随着电力系统的迅速扩大,输电功率和输电距离的进一步增加,交变电流遇到了一系列不可克服的技术困难。大功率换流器(整流和逆变)的研究成功,为高压直流输电突破了技术上的障碍。因此直流输电重新受到人们的重视。目前世界多个国家的部分地区已建立起远距离高压直流输电工程,我国上海、北京等大城市不久也将实现直流输电。

  二、物理人生

  由于技术的原因使交流输电代替了直流输电,也是由于技术的原因直流输电又重新得到重视。这告诉我们:看待事物要有发展的眼光。世界在进步,对待每一件事,或许不同年代会有不同的观点。甚至不同的角度产生的观点也会不同,因而我们对等别人的想法应抱一种宽容之心。

  三、参考资料

  资料一、交流电和直流电的优、缺点比较

  1、交流电的优点主要表现在发电和配电方面:

  (1)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…)等其它形式的能转化为电能;

  (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.

  2、直流电的优点主要在输电方面:

  (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~l/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.

  (2)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0.2μF,每千米需供给充电功率约3000kw,在每千米输电线路上,每年就要耗电26000000kw?h.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.

  (3)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.

  (4)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.

  资料二、历史上关于使用“交流电”还是使用“直流电”的激烈的争论

  在1880与1890年之间,爱迪生从名人成了名家,在80年代中期以前,爱迪生处于将电力设想化为现实的领导人物地位没有受到任何挑战。在爱迪生年满40,即1887年,有人提出了以交流电取代直流电的设想,而在交流电是否可行的问题上,爱迪生倾向于采用直流电,固执己见,他所表现出的保守和顽固,不亚于那些讥笑电灯可以取代煤气灯的人们。

  但是,直流系统从诞生那天起就存在着它的缺点。爱迪生的第一批发电厂是用直流电输送电力的,由于功率在电线摩擦中迅速损耗掉,以致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。自19世纪80年代初期,人们就在这方面做过多次尝试,但都遇到了障碍。1885年由英国工程师C.H.菲尔安基设计的第一座交流单相发电站建造在离伦敦12公里的捷伯特弗尔得。发电机的功率为1000瓦,电压高达2500伏。俄罗斯最大的交流单相发电站是1894年建成的,功率为800千瓦。单相交流发电站同直流电站相比,功率得到提高,供电范围是扩大了,但它使输电工程变得复杂化,因而阻碍了此类电站的进一步发展。爱迪生在采用交流电的问题上,持顽固保守态度,并不是他预见到将要遇上什么困难,而是因为他已经建立起了自己的直流系统而不愿意再改变它,而且他也没有发现交流电系统为输电带来的节约因素。

  除此之外,还有人的因素。乔治?威斯汀豪斯系统是依据出生在奥匈帝国克罗地亚的尼古拉?特斯拉的技术原理研制问世的。巴切勒在法国“发现”了特斯拉,说服他到美国为爱迪生工作。特斯拉和爱迪生见面时,爱迪生已是世界上出名的伟人了,而小爱迪生几岁的特斯拉还是默默无闻。他们两人之间存在分歧,爱迪生注重实践,是位凭经验在摸索中进行发明的人,特斯拉是那种注重理论的人;特斯拉坚信:交流电终有一天会使供电范围更广,成本更低。爱迪生对这种设想则不屑一顾,不愿做认真考虑。如果这两人能友好合作坦诚相见的话,那么历史恐怕要改写了。但史实却是,不久他俩就分道扬镳了。事情起源于一件小事。

  有一次,特斯拉同爱迪生谈论起发电机的几种潜在的改革可能,爱迪生无意中说:“如果你能做成,付你5万美元。”特斯拉用几个月的时间对发电机进行改革试验,他把改革后的附件装入发电机,试车完全成功。当他向爱迪生索取5万美元时,爱迪生却回答说: “特斯拉,你不知道我们美国人爱开玩笑吗?”

  特斯拉认为自己受骗了,于是当场辞职。一般来说,爱迪生说话是算数的。这次爱迪生拒绝付钱给特斯拉,并非爱迪生吝啬,而是因为两人之间很少交流思想所致。这一事件后来影响到爱迪生的事业。由于此事,特斯拉一直对爱迪生耿耿于怀。1912年,特斯拉被授予诺贝尔物理学奖金。但是,当他得知将与爱迪生一起分享这一荣誉时,他表示不接受授奖,这样奖金便转发给了瑞典物理学家尼尔斯?古斯塔夫?达伦。

  离开爱迪生之后,特斯拉得到了乔治?威斯汀豪斯的支持,终于将交流电引向实际应用。乔治?威斯汀豪斯(GeorgeWestinghouse .Jr .)靠发明了火车使用的气闸(1869年)和铁路信号系统(1882年)发财之后,在匹兹堡的住宅区买下一座大房子,又碰巧在这份地产内部发现了天然气。他设法安全地控制这种气体并利用它取暖和照明,由之创造出来约30个专利项目。威斯汀豪斯随后又投身于研究电的潜力。在这问题上他与爱迪生发生了冲突。

  威斯汀豪斯精通电流知识,懂得利用电流强度和电压的不同组合可以提供一定的功率,而且某几个组合方法能使功率在一定距离内的损耗比另一些组合方法少得多。利用新近在欧洲发明的变压器,他调节电线上的电流以减少功率损耗,而在供应生产用电或家庭用电时,保持适当的电压。这个系统节约了大量电流,因此相应地节约了它生产电流所需要的大量基本设备。但是为了使变压器起作用,需要由直流电变为交流电的转换器。于是爱迪生系统和威斯汀豪斯系统之间爆发了一场“电流战”。

  1888年,特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。

  爱迪生未能及时意识到面临的危机。当他发现了这一点时,双方已经开始交锋了。爱迪生意识到,交流电可以降低成本,这是无疑的,从经济角度来攻击交流电,势必要以失败告终。于是,他就在交流电的其他方面做文章。他认识到,在19世纪的最后一段时间里,公众对电力怀有畏惧之感:电力虽然可为人类带来利益,但它也是杀人犯。所以,宣传高压的危险,是搅乱公众头脑最有效的办法。

  于是,他发行了一本题为《当心》的小册子,书中详细地列举了交流电的所谓种种危险,并把交流电的使用令人难以置信地描述为“枉费心机”。

  爱迪生还在《北美周刊》发表了一篇题为《电灯之危险》的文章,攻击交流电的使用。他说:“与我保持联系的一家电灯公司前些时候购下了一整套交流电系统的专利。对此,我表示抗议,内容都记在了公司的备忘录上。迄今,我已成功地说服他们不向公众推广这种系统,今天即使是我同意推广,他们也不会这样做。”

  除了在舆论上压倒对方以外,为了证明他的论点,他用交流电杀死了一些无主的猫狗,并在纽约市装置电椅时鼓励采用交流电。威斯汀豪斯针锋相对,撰文捍卫交流电的长处。除了在杂志、刊物上进行论战以外,双方都进行了大量的政治游说。爱迪生利益集团支持一项动议,将电压限制在800伏特之内,以此束缚交流电的有效使用,并且又不妨碍他们自己的利益。为此,1888年夏,威斯汀豪斯准备起诉。他在7月11日写道:“我们是否要起诉爱迪生、约翰逊和其他几个人——指控他们在纽约法律上搞阴谋,这是个值得严肃考虑的问题。对于他们这种肆无忌惮的行为,必须追究法律责任,事情才能在某种程度上了结。”

  爱迪生听说威斯汀豪斯准备起诉他,气愤之极。这时他们两人的朋友维拉德劝爱迪生去拜访威斯汀豪斯,爱迪生回答道:“我对他的经济实力十分清楚,他最近的经营方法如此猖狂,我认为他不是发了横财,就是被我所不知道的什么东西冲昏了头脑。岂不知他是乘着风筝飘摇,早晚会一头就到泥潭中去。”

  交流电最终取得了胜利。但在斗争过程中交流电利益集团也受到了对方的沉重打击。爱迪生和他的几个帮手英索尔、约翰逊、哈罗德、P.布朗通过推销电刑椅来破坏交流电的声誉。1889年5月布朗购下了3台威斯汀豪斯交流发电机,未告诉卖方他将把这几台发电机转卖给监狱方面。一年之后,奥本州立监狱、星星监狱和克林顿监狱决定使用电椅执行死刑。1890年8月6日,威廉?凯姆勒以杀人罪在奥本坐上交流电椅死去。从此,交流电在许多人的心目中引起了恐惧,便成了死神的同义语。

  他的这种实验倒是十分有力的。但交流电一方所遭受的挫折只是暂时的,在其后的几年里,交流电的发展和应用迅速扩大,它逐渐地占领了用户市场。虽然到1903年,爱迪生本人还在愤愤不平地说:“为什么大家都争先恐后地使用交流电”,可是在此之前,爱迪生公司的中心发电站和长途送电系统使用的也是交流电,而直流电系统只保留在局部输电网的供电装置上。

  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。十几年后法国的斯泰因梅茨在坚实的数学基础上创立了交流电理论,使交流电成为主要输电方式。远距离输电方法的产生和运用,为工业电气化解决了电力的供应问题。从此,从城市到农村,从平原到山区,都可以得到电的供应,电气化的时代开始。

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