直流电和交流电的技术发展及各自优势

直流电又称恒流电，简称DC，恒定电流是直流电的一种，是大小和方向都不变的直流电，它是爱迪生发现的。直流电主要应用于各种电子仪器，电解，电镀，直流电力拖动等方面。交流电又称“交变电流”，简称“交流”（AC）。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的最基本的形式是正弦电流。发明最早交流发电机的是美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉。中国通常使用的交流电，一般频率是50Hz。我们常见的电灯、电动机等用的电都是交流电。在实用中，交流电用符号"~"表示。交流电占据了电力输送的绝大部分份额，几乎成为电力输送的代名词。但在100多年前，用交流电这种“不断变化的怪异电流”供能，几乎是不可想象的，而直流电曾与交流电在电力传输领域一决雌雄，引起两位科技大师的激烈竞争。19世纪下半叶，“老实”的直流电是主流，当时主要的电能动力设备——电动机使用的都是直流电。有人试图让电动机使用交流电，结果发现，当电流改变方向时，磁场也改变了强度和方向，因此电动机根本无法运行。但致力于推广直流电供电网络的爱迪生也碰上了难题——长距离输电损耗造成成本上升。到1882年，当时在爱迪生手下工作的年轻科学家特斯拉，成功造出小型交流电电动机，颠覆了交流电无法供能的结论。爱迪生虽极力阻挠，但已无法阻止在经济性和适用性方面更占优势的交流电，建立直流输电网络的雄心随之破灭。1895年，世界上第一座水力发电站——美国尼亚加拉发电站采用了交流电系统，宣告了交流电对直流电的胜利。交流电的优点主要表现在发电和配电方面：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......）等其他形式的能转发化为电能；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，造价极其低廉；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。虽然在与交流电的竞争中输得很惨，但作为曾被天才发明家爱迪生考虑过的输电首选，直流电的优势无法忽视。早时无法铺设直流电输电系统的重要原因是技术水平的阻碍，现代电子技术早已突破了当年的瓶颈，为直流电的卷土重来埋下了伏笔。为保证大功率和低损耗，长距离输电一般采用超高压输电。1947年，美国贝尔实验室研制出世界上首个晶体管，可方便地应用于增高和降低电压，特别是对平稳的直流电犹为便利，大大降低了输电成本。交流电的缺陷，在一些特殊场合让直流电钻了空子。交流输电线一般是架空线，但跨过海峡时要用水下电缆，穿过人口密集的城市时又要用地下电缆。水和大地都是导体，它们和电缆产生的“旁路电容”作用，将交流电“分流”掉了——就像水渠旁多了条支路，支路把流得快的水流拉过来，这样水的流动就受了影响。交流电的电流信号分为高频成分和低频成分，其中高频成分就相当于“流得快的水”。并且这个分流作用随着电缆增长而增大，最终可能大到交流电几乎送不出去的程度。这时交流输电已无实际意义，直流电成为惟一的选择，因为直流电十分稳定，没有“快慢”之差，旁路电容对它没有影响。直流电的最大优势是简单易行。交流电的电压和电流不断随时间变化，易出现较难驾驭的情况，如交变电场产生的电磁辐射会对周边环境造成很大影响。总的来说，交流电需要精确控制的因素比直流电多得多，在一定程度上也造成了电网的复杂性和不易控制性。1．线路造价低：对于架空线路，交流输电通常采用3根导线，而直流单极只需1根，双极只需两根，更为经济，因此采用直流电缆的大城市越来越多。2．损耗小：直流线路没有无功损耗。而且直流架空线路没有“趋肤效应”（交变电流通过导体时，电流集中在导体表面流过的效应），其电晕损耗（由气体介质造成的损耗）和无线电干扰，均比交流架空线路要小。3．电网运行更稳定：直流本身带有调制功能，可根据系统的要求作出反应，运行更稳定。目前直流输电仍存在成本过高的问题。现代的直流输电，只在输电这个环节是直流，发电仍是交流，可以说，直流电仍是交流电的“替补”。在输电线路的起端有换流设备将交流变换为直流，到线路末端再将直流变回交流。目前这种换流设备存在制造难、价格高等问题，有待研究解决。另外，直流输电还存在如直流断路器复杂、庞大等的技术问题。未来随着这些问题的解决，直流输电的地位有望进一步提升。