宗 謹

（甘肅民族師范學(xué)院 物理與水電工程系，甘肅 合作 747000）

直流高壓輸電模型研究

宗 謹

（甘肅民族師范學(xué)院 物理與水電工程系，甘肅 合作 747000）

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，集約化大規(guī)模遠距離供電主要以交變電流輸電方式為主.但是，交變電流自身存在著許多不足：電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題、交變電路的電阻、電感和電容.針對這些缺陷，直流輸電將作為解決輸電技術(shù)困難的方向之一.本文利用實驗室有限條件，搭建了高壓輸電模型，對直流和交流輸電下的功率損耗進行了比較，從而驗證了直流輸電比交流輸電省電，高壓輸電比低壓輸電省電.

直流高壓輸電；交流高壓輸電；逆變器

1 原理

1.1 交流輸電基本原理

在交流輸電系統(tǒng)中，我們采取高壓輸電，即：從輸電端把低壓電通過變壓器升成幾千伏甚至上萬伏的高壓，通過輸電線路，輸送給受電端，受電端再通過變壓器把高壓降下來.在這個過程中，根據(jù)P=I2R和U=IR可得出高壓輸電可減小功率損耗.

1.2 直流輸電基本原理

圖2為直流高壓輸電原理圖，它代表一個最簡單的直流輸電系統(tǒng).其中包括兩個換流站ZH1和ZH2和直流線路.兩個換流站的直流端分別接在直流線路的兩端，他們的交流端則分別連接到兩個交流電力系統(tǒng)I及II，換流站裝有換流器，它的功能是實現(xiàn)交流與直流的互換.

從電力系統(tǒng)1向電力系統(tǒng)2輸送電力時，換流站把輸送端電力系統(tǒng)送來的三相交流電流變成直流電流，通過直流線路把直流電流和功率輸送到換流站ZH2，再由ZH2把直流電流又變成三相交流電流.在這里，由交流變換成直流和從直流變換成交流的過程分別稱為整流和逆變.

直流輸電系統(tǒng)中的換流站可以用圖3交流—直流—交流型機電系統(tǒng)中的同步交流電機—直流電機組JZ1和JZ2來比擬.系統(tǒng)I向系統(tǒng)II輸送電力時，換流站ZH1作為整流站運行，相當于JZ1作為同步電動機—直流發(fā)電機組運行；換流站ZH2作為逆變站運行，相當于機組JZ2作為直流電動機—同步發(fā)電機組運行.二者加在直流線路上的直流電壓分別為Vd1和Vd2,

線路電流為：

式中R——線路的電阻

直流線路和交流線路不同，它只輸送有用功率，不輸送無用功率.換流站ZH1送到直流線路的功率和換流站ZH2從直流線路接受的功率分別為；

兩者之差為線路損耗

2 直流輸電和交流輸電的比較

2.1 直流與交流架空線路比較

直流輸電一般采用雙極中性點接地方式（圖4），因此直流線路僅需2根導(dǎo)線，而三相交流線路則需要三根導(dǎo)線.可以證明，在同樣截面和絕緣水平條件下，2根導(dǎo)線的直流線路所輸送的功率和3根導(dǎo)線的交流線路所能輸送的功率幾乎相等.這就是說，直流架空線路與交流架空線路相比，只需兩根導(dǎo)線，有色金屬和絕緣子、金屬都比交流線路節(jié)省1/3；而且減輕了桿塔的荷重，可以節(jié)省鋼材；由于兩根導(dǎo)線，還可以減少線路走廊的寬度和占地面積.所以，直流輸電線路的單位長度造價比交流線路大幅度的降低.

2.2 直流電纜線路與交流電纜線路的比較

由于電纜絕緣在直流電壓和交流電壓作用下的電位分布和擊穿機理不同，因此電纜絕緣用于直流的允許電壓比用于交流是高兩倍，例如35KV的交流電纜，容許在100KV左右直流電壓下工作，也就是說直流工作電壓與交流相同時，直流電纜的造價遠低于交流電纜.

2.3 直流換流站與交流變電站投資比較

直流換流站的設(shè)備比交流變電站復(fù)雜，它除了必須有換流變壓器之外，還要有目前價格昂貴的可控硅換流器，換流器的控制調(diào)節(jié)裝置、濾波裝置、平波電抗器和其他附屬設(shè)備.因此，換流站的投資高于同等容量和相應(yīng)電壓的交流變電站.

2.4 直流與交流輸電的等價距離

等價距離是指輸送功率相同和輸電可靠性相當?shù)臈l件下，直流輸電方式與交流輸電方式相比，當輸電距離達到某一長度時，直流電路比交流線路節(jié)省的那一部分建設(shè)費用剛好抵償直流換流站比交流變電站增加的那部分建設(shè)費用.這個距離成為交直流輸電的等價距離.在相同的可比條件下，當輸電線路長度大于等價距離時，采用直流輸電所需的建設(shè)費用比交流輸電省.

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，不僅直流輸電的可靠性有進一步提高，而且降低了換流設(shè)備的造價，從而使等價距離不斷縮短，直流輸電優(yōu)越性會更好的顯示出來.

2.5 輸電線路的功率損耗

在導(dǎo)線截面相同，輸送有功功率相等的條件下，直流線路功率損耗約為交流線路的2/3.另外，根據(jù)國外的運行檢驗，線路和站內(nèi)設(shè)備的年折舊維護費用占工程建設(shè)費用的百分數(shù)，交流與直流則大體相近.

鑒于以上原因，直流輸電比交流輸電要省電，要是把直流輸電技術(shù)運用到工程中，會帶來很大的經(jīng)濟效益.

3 實驗

實驗中，選取相同的參數(shù)，比較直流輸電與交流輸電在同一個線路中的省電情況，同時比較了低壓輸電和高壓輸電在同一個輸電系統(tǒng)中的省電情況.搭建一個高壓輸電模型進行上述比較；

實驗儀器：

瓦特表：0.5級 最小刻度2.5瓦；交直流電流表：J0407型，0.5安 最小刻度0.01安.

交直流電壓表：0.5級最小刻度2伏；直流電流表：最小刻度0.1安

滑動變阻器 YJ34型晶體管穩(wěn)壓電源 可調(diào)變壓器TDGC-2

3.1 線損與輸電電壓的關(guān)系

R——線損折合電阻

線路電阻用漆包線代替 負載:300W電爐絲 R:98歐姆

表1 用電爐絲做負載測線損（AC）

表2 用電爐絲做負載測線損（DC）

從以上數(shù)據(jù)可以看出，無論是交流輸電還是直流輸電，線路損耗隨著輸電電壓的升高都在降低.

3.2 交直流輸電的省電情況比較

在實驗室允許的條件下，搭建簡單的高壓輸電模型，如圖6.

線路電阻用漆包線代替，通過實驗比較交直流輸電的省電情況如表3.

（1）直流

線 損 ： △P1:（U2-U1）×I2=（56-54.5）×1.19=1.785W

損耗比：△P1/P2=1.785/66.64=2.67％

（2）交流

線 損 ： △P1:（U2-U1） ×I2=（56-54）×1.66=3.32W

損耗比：△P1/P2=3.32/92.96=3.57％

由此看來，在相同的輸入電壓下，直流輸電的線路損耗要遠小于交流輸電線路.

表3 交直流輸電比較 負載:300W電爐絲 R:98歐姆

〔1〕方鴻輝，劉貴興.創(chuàng)造性物理實驗[M].上海：上?？茖W(xué)普及出版社，1999：23-30.

〔2〕王干,金華京,姜日新.實用電子電路大全[M].北京：電子工業(yè)出版社，1987.

〔3〕[美]M.曼德爾.精選電子電路 200 例[M].北京：人民郵電出版社，1988.

〔4〕任致程,李衛(wèi)玲.高級電工實用電路500例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

〔5〕高中物理第二冊（必修加選修）[M].北京：人民教育出版社，2008.

〔6〕陶洪.物理實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，1996.

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