直流電和交流電的發(fā)展史，以及有什么“優(yōu)點(diǎn)”和“缺點(diǎn)”?

【專家解說(shuō)】：高壓直流輸電方式與高壓交流輸電方式相比，有明顯的優(yōu)越性.歷史上僅僅由于技術(shù)的原因，才使得交流輸電代替了直流輸電.下面先就交流電和直流電的主要優(yōu)缺點(diǎn)作出比較，從而說(shuō)明它們各自在應(yīng)用中的價(jià)值. 交流電的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在發(fā)電和配電方面:利用建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的交流發(fā)電機(jī)可以很經(jīng)濟(jì)方便地把機(jī)械能(水流能、風(fēng)能……)、化學(xué)能(石油、天然氣……)等其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能;交流電源和交流變電站與同功率的直流電源和直流換流站相比，造價(jià)大為低廉;交流電可以方便地通過(guò)變壓器升壓和降壓，這給配送電能帶來(lái)極大的方便.這是交流電與直流電相比所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì).直流電的優(yōu)點(diǎn)主要在輸電方面: ①輸送相同功率時(shí)，直流輸電所用線材僅為交流輸電的2/3~l/2 直流輸電采用兩線制，以大地或海水作回線，與采用三線制三相交流輸電相比，在輸電線載面積相同和電流密度相同的條件下，即使不考慮趨膚效應(yīng)，也可以輸送相同的電功率，而輸電線和絕緣材料可節(jié)約1/3.如果考慮到趨膚效應(yīng)和各種損耗(絕緣材料的介質(zhì)損耗、磁感應(yīng)的渦流損耗、架空線的電暈損耗等)，輸送同樣功率交流電所用導(dǎo)線截面積大于或等于直流輸電所用導(dǎo)線的截面積的1.33倍.因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半.同時(shí)，直流輸電桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電簡(jiǎn)單，線路走廊占地面積也少. ②在電纜輸電線路中，直流輸電沒(méi)有電容電流產(chǎn)生，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗. 在一些特殊場(chǎng)合，必須用電纜輸電.例如高壓輸電線經(jīng)過(guò)大城市時(shí)，采用地下電纜;輸電線經(jīng)過(guò)海峽時(shí)，要用海底電纜.由于電纜芯線與大地之間構(gòu)成同軸電容器，在交流高壓輸線路中，空載電容電流極為可觀.一條200kV的電纜，每千米的電容約為0.2μF，每千米需供給充電功率約3×103kw，在每千米輸電線路上，每年就要耗電2.6×107kw·h.而在直流輸電中，由于電壓波動(dòng)很小，基本上沒(méi)有電容電流加在電纜上. ③直流輸電時(shí)，其兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行，而交流輸電必須同步運(yùn)行.交流遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，電流的相位在交流輸電系統(tǒng)的兩端會(huì)產(chǎn)生顯著的相位差;并網(wǎng)的各系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定統(tǒng)一為50HZ，但實(shí)際上常產(chǎn)生波動(dòng).這兩種因素引起交流系統(tǒng)不能同步運(yùn)行，需要用復(fù)雜龐大的補(bǔ)償系統(tǒng)和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)加以調(diào)整，否則就可能在設(shè)備中形成強(qiáng)大的循環(huán)電流損壞設(shè)備，或造成不同步運(yùn)行的停電事故.在技術(shù)不發(fā)達(dá)的國(guó)家里，交流輸電距離一般不超過(guò)300km而直流輸電線路互連時(shí)，它兩端的交流電網(wǎng)可以用各自的頻率和相位運(yùn)行，不需進(jìn)行同步調(diào)整. ④直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小.兩個(gè)交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當(dāng)一側(cè)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，另一側(cè)要向故障一側(cè)輸送短路電流.因此使兩側(cè)系統(tǒng)原有開(kāi)關(guān)切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開(kāi)關(guān).而直流輸電中，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，直流輸電線路上基本上不向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送短路電流，故障側(cè)交流系統(tǒng)的短路電流與沒(méi)有互連時(shí)一樣.因此不必更換兩側(cè)原有開(kāi)關(guān)及載流設(shè)備. 在直流輸電線路中，各級(jí)是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒(méi)有影響.所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能.但在交流輸電線路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線停電.===另外提醒一下:在直流輸電系統(tǒng)中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)仍然是交流電. "交流電"與"直流電"之爭(zhēng) 在物理學(xué)中電學(xué)發(fā)展史上,曾經(jīng)有過(guò)一場(chǎng)關(guān)于使用"交流電"還是使用"直流電"的激烈的爭(zhēng)論.提倡使用"直流電"的代表人物則是大名鼎鼎的發(fā)明家愛(ài)迪生;主張改用"交流電"的代表人物則是比愛(ài)迪生小9歲的后起之秀特斯拉。 發(fā)電機(jī)發(fā)明以后,電能就在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用.起初是采用"直流電"的方式輸電和供電,由于輸電的電壓較低,所以在輸電線路上的熱損失就較大,因此每一平方英里的地區(qū)就需要一個(gè)單獨(dú)的直流發(fā)電機(jī)供電,而且還要用大量較粗的銅線.為了解決上述的缺點(diǎn),特斯拉發(fā)明了以交流發(fā)電機(jī)供電的"交流多相電力傳輸系統(tǒng)",由于使用變壓器以高電壓、低電流的方式輸電,就大大地降低了輸電線路上的熱損失,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離輸電,從而不需要大量分散的單機(jī)供電,輸電導(dǎo)線的載面也大大地減小了。 從科學(xué)和實(shí)用的角度來(lái)看,使用"交流電"顯然比使用"直流電"優(yōu)越,可以大幅度地降低供電的成本.因此,特斯拉的發(fā)明得到了一位富有的發(fā)明家兼金融家威斯丁豪斯的支持,付給了特斯拉100萬(wàn)美元的專利費(fèi),為研制開(kāi)發(fā)提供了資金,開(kāi)設(shè)了"特斯拉電氣公司".但是多年來(lái)愛(ài)迪生的公司一直是投資開(kāi)發(fā)直流供電系統(tǒng)的,不甘心就此讓位給交流供電系統(tǒng),于是與特斯拉展開(kāi)了一場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng).但是,愛(ài)迪生所采用的競(jìng)爭(zhēng)方式是不科學(xué)的,他和他的支持者們誣蔑說(shuō):"使用交流電比直流電危險(xiǎn)得多".為了證明使用交流電的安全性,特斯拉專門舉行了記者招待會(huì),他讓交流電從"特斯拉線圈"通過(guò)他的身體點(diǎn)亮了燈,記者們看得入了迷.紛紛承認(rèn)了交流供電的優(yōu)越性.最終這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)以特斯拉的勝利而結(jié)束.從此"交流供電系統(tǒng)"廣為社會(huì)采用。