知乎日報:為什麼要採用交流電交流電有什麼好處?

  一項發明,在歷史長河中是否具有生命力,取決於它的實用價值。例如拉鍊,被譽為最偉大的發明,其道理也基於此。

  題主其實談的是電能問題。

  我們知道,電能包括髮電、輸送電、配電和用電四大過程。

  1.發電和輸送電的升壓和降壓

  在發電和輸送電的過程中,有一個關鍵的裝置,就是變壓器

  為何要用變壓器來改變電壓?

  我們知道,電能的傳輸導線是具有電阻的,傳輸導線所消耗的電能功率 Pline 為:

  這裡的 I 就是流過導線的電流。

  可見,為了減小線路損耗,就要減小電流。事實上,輸送電消耗掉的電能,佔總發電電能的比例不可小覷。減小輸送電的線路損耗,有很大的意義。

  而要減小電流,最方便的就是利用變壓器了。如果我們忽略掉變壓器的各種損耗,例如鐵損、銅損等等,則變壓器兩側的功率基本相等。把變壓器某側的電壓升高,該側的電流自然就減小了。

  不過,變壓器只能工作在交流電路中,不能工作在直流狀態下。

  我們來看變壓器的工作原理:

  如果我們忽略掉變壓器的各種損耗,例如鐵損、銅損等等,則有:

  在這裡,U1 和 I1 是變壓器一次側的電壓和電流,U2 和 I2 是變壓器二次側的電壓和電流,K 是變比。

  我們看到,交流電壓的變換何其方便。

  但直流電可以升壓嗎?當然可以,但相對交流升壓來說,要麻煩很多,且成本要高很多。除非是長距離輸送電,否則不上算。

  可見,在發電和輸送電中,交流電比直流電要方便很多,成本也低廉很多。

  2.配電方面的問題

  在輸送電的末端,需要分配電能,這就需要使用配電電器。配電電器的主要元件是各類隔離開關和斷路器。

  對於開關電器來說,滅弧是個大問題。電弧會燒蝕觸頭,產生巨大的熱衝擊,嚴重影響到開關裝置的穩定工作。

  交流電和直流電相比,每個周波有兩次過零,而過零時,電弧也自動熄滅,所以交流電器的滅弧能力強於直流電器。

  有一個引數,它描述的是電弧熄滅後電弧氣體的恢復過程和恢復強度,用 Ujf 來表達;另外一個引數,它描述的是電弧熄滅後,電壓上升過程和強度,用 Uhf 來表達。如果:

  也即,介質恢復強度大於電壓恢復強度,則電弧將不會不重新燃燒。

  我們看下圖:

  上圖是 GIS 複合開關,一般用於高壓配電網。GIS 看起來象一隻只的鍋爐,大筒子裡就是開關,開關周圍充滿了六氟化硫氣體,用來加強滅弧,提高 Ujf。

  可見滅弧是多麼重要的一件事。

  在這方面,直流電比交流電要遜色多了。

  3.用電電器方面

  在這方面,最典型的就是交流鼠籠式非同步電動機了。相對直流電機,它價格低廉,工作可靠,效能穩定,也無須更換碳刷。

  因此,直流電機完全比不上交流電機的方便、實用和可靠,直流電機的應用面也要小很多。不可否認的是,直流電機的調速效能良好,但自從有了變頻器,交流電機的調速問題也解決了,直流電機的優點也被削弱了。

  4.電源變換方面

  交流電變成直流電,十分方便,採用整流電路就可以了。但直流電要變成交流電,需要配套逆變器,相對麻煩得多。

  以上簡單地說明了交流電的優點。

  不過,直流電的穩定是不可否認的。因此在配電室裡,6 到 10kV 配電裝置的工作電源都是用直流電來實現的。

  至於居家配電,我們已經知曉,當然是以交流電為主了。

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