直流電

圖示：直流電壓波形示意圖

　　“直流電”(Direct Current，簡(jiǎn)稱DC)，又稱“恒流電”，恒定電流是直流電的一種，是大小和方向都不變的直流電，它是由愛(ài)迪生發(fā)現(xiàn)的。1747年，美國(guó)的富蘭克林根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出電荷守恒定律，并且定義了正電和負(fù)電的術(shù)語(yǔ)。

　　恒定電流是指大小(電壓高低)和方向(正負(fù)極)都不隨時(shí)間(相對(duì)范圍內(nèi))而變化，比如干電池。脈動(dòng)直流電是指方向(正負(fù)極)不變，但大小隨時(shí)間變化，比如：我們把50Hz的交流電經(jīng)過(guò)二極管整流后得到的就是典型脈動(dòng)直流電，半波整流得到的是50Hz的脈動(dòng)直流電，如果是全波或橋式整流得到的就是100Hz的脈動(dòng)直流電，它們只有經(jīng)過(guò)濾波(用電感或電容)以后才變成平滑直流電，當(dāng)然其中仍存在脈動(dòng)成分(稱紋波系數(shù))，大小視濾波電路的濾波效果。

　　實(shí)際上所有的電子和計(jì)算機(jī)硬件都需要直流電來(lái)工作。大多數(shù)的固態(tài)設(shè)備都需要從1.5到13.5伏特范圍的電壓。對(duì)電流的需求范圍從電子手表中接近于0到無(wú)線通信能源放大器需要的超過(guò)100安培。使用真空管的設(shè)備，例如高能無(wú)線廣播或者電視廣播傳輸器或者陰極射線管(CRT)顯示，都需要大約150伏特到幾千伏特的直流電。

　　在大多數(shù)國(guó)家，從設(shè)備中流出的電流是交流(AC)的。交流電可以被轉(zhuǎn)換為直流電，通過(guò)由轉(zhuǎn)換器、整流器(阻止電流反方向流動(dòng))，以及過(guò)濾器(消除整流器流出的電流中的跳動(dòng))組成的電源。

圖示：直流電路示意圖

01電流

　　直流電路中：

　　電流的實(shí)際方向：規(guī)定為正電荷運(yùn)動(dòng)的方向。

02電位

　　電場(chǎng)力將單位正電荷從電路的某一點(diǎn)移至參考點(diǎn)時(shí)所消耗的電能；

　　參考點(diǎn)的電位為0；

　　直流電路中電位用V表示，單位為伏【特】(V);

　　參考點(diǎn)選擇：

　　選大地為參考點(diǎn)：

　　選元件匯集的公共端或公共線為參考點(diǎn)：

03電壓

　　電場(chǎng)力將單位正電荷從電路某一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時(shí)所消耗的電能；

　　電壓就是電位差；

　　直流電路中電壓用U表示，單位為伏【特】(V)；

　　Us是電源兩端的電壓，Ul是負(fù)載兩端的電壓。

04電動(dòng)勢(shì)

　　電源中的局外力(非電場(chǎng)力)將單位正電荷從電源負(fù)極移至電源正極時(shí)所轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能稱為電源的電動(dòng)勢(shì);

　　符號(hào)：E或e，單位：V；

　　電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向：由地電位指向高電位。

05電功率

　　單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)換的電能；

　　符號(hào)：P(直流電源)；

　　單位：W；

　　電源產(chǎn)生的功率：PE=E*I；

　　電源輸出的功率：PUs=Us*I；

　　負(fù)載取用的功率：PL=UL*I。

06電能

　　定義：在時(shí)間t內(nèi)轉(zhuǎn)換的電功率稱為電能：W=Pt；

　　符號(hào)：W(直流電路)；

　　單位：J；

　　單位轉(zhuǎn)換：千瓦時(shí)(KW.h)；

　　1千瓦時(shí)為1度電，1KW.h=3.6*10^6J。

01交流電

　　交流電定義：強(qiáng)度與方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流叫做交變電流，簡(jiǎn)稱交流電。電流的方向、大小會(huì)隨時(shí)間改變。發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)是利用動(dòng)力使發(fā)電機(jī)中的線圈運(yùn)轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)180°發(fā)電機(jī)輸出電流的方向就會(huì)變換一次，因此電流的大小也會(huì)隨時(shí)間做規(guī)律性的變化，此種電源就稱為"交流電源"。簡(jiǎn)記為AC，如：家用電源。

　　交流電是用交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的，在發(fā)電過(guò)程中，多對(duì)磁極是按一定的角度均勻分布在一個(gè)圓周上，使得發(fā)電過(guò)程中，各個(gè)線圈就切割磁力線，由于具有多對(duì)磁極，每對(duì)磁極產(chǎn)生的磁力線被切割產(chǎn)生的電壓、電流都是按弦規(guī)律變化的，所以能夠不斷的產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。國(guó)內(nèi)交流電的頻率一般是50赫茲，即每秒變化50次。有些國(guó)家交流電的頻率是60赫茲，即每秒變化60次。當(dāng)然也有其它頻率，如電子線路中有方波的、三角形的等，但這些波形的交流電不是導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的，而是電容充放電、開(kāi)關(guān)晶體管工作時(shí)產(chǎn)生的。

02直流電

　　直流電則是電流方向不隨時(shí)間做周期性變化的電流。通常又分為脈動(dòng)直流電和穩(wěn)恒電流。脈動(dòng)直流電中有交流成分，如彩電中的電源電路中大約300伏左右的電壓就是脈動(dòng)直流電成分可通過(guò)電容去除。穩(wěn)恒電流則是比較理想的，大小和方向都有不變。

03交流電、直流電對(duì)比

　　電網(wǎng)公司一般使用交流電方式送電，但有高壓直流電用于遠(yuǎn)距離大功率輸電、海底電纜輸電、非同步的交流系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)等。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。

　　(5)直流輸電輸送容量大,輸送功率的大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié)。

　　(6)直流輸電可分期建設(shè)，分期投入運(yùn)行，先建一極，并與大地和海水構(gòu)成回路，待負(fù)荷增大后，再建另一極,相應(yīng)可以更快的收回投資成本，優(yōu)勢(shì)非常明顯。

　　(7)直流輸電網(wǎng)不存在交流輸電網(wǎng)固有的穩(wěn)定問(wèn)題。現(xiàn)有交流大電網(wǎng)存在安全穩(wěn)定性問(wèn)題，具有間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)的可再生能源大量接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性、輸送能力的提升、雙向功率流動(dòng)與控制等都將面臨更大的挑戰(zhàn)。如果仍然以交流模式為主導(dǎo)，則電網(wǎng)的不可預(yù)知性和安全穩(wěn)定性問(wèn)題將會(huì)更加突出。