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交流電基礎知識要點

作者:admin 發布時間:2022-02-11
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稍微懂些電工基礎的朋友都知道,我國使用的是交流電,一般頻率是50Hz。我們常見的電燈、電動機等使用的都是交流電。
 
說起為什么要采用交流電?大家的回答無非是:在以往的技術條件下,交流電比直流電更有效率。但真的只有這么簡單嗎?其實,交流電與直流電一直在PK!
 
一項發明,在歷史長河中是否具有生命力,取決于它的實用價值。例如拉鏈,被譽為最偉大的發明,其道理也基于此。
 
我們知道,電能包括發電、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,有一個關鍵的設備,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:
 
Pline=I2R。
 
這里的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,占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。
 
要減小電流,最方便的就是利用變壓器。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:
 
忽略變壓器的損耗,則有:
 
U1I1=U2I2
 
K=U1/U2=I2/I1
 
在這里,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,只要把U2提高,則I2自然就小了,于是在輸配電線路的起始端,我們把電壓給升高,在輸配電線路的末端,我們再把電壓給降下來。這樣就減小了線路損耗。交流傳輸線上的高壓電和超高壓電其用途就在于此。
 
我們看到,利用變壓器,交流電壓的高低變換何其方便。
 
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。
 
不過,也不是說直流就沒有優勢。交流線路電阻與直流相比,還多了趨膚效應和鄰近效應,因此同樣的導線,交流線路電阻大于直流線路電阻。換句話說,交流的線路損耗大于直流的線路損耗。也因此,采用直流長距離輸送電,也是人們追求的目標之一。
 
我國在這方面走在世界前列,我國的世界首條±800kV的直流輸電線路正在平穩高效安全地運行中。
 
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。
 
對于開關電器來說,滅弧是個大問題。電弧會燒蝕觸頭,產生巨大的熱沖擊,嚴重影響到開關設備的穩定工作。
 
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于直流電器。
 
有一個參數,它描述的是電弧熄滅后電弧介質氣體的恢復過程和恢復強度,用Ujf來表達;另外一個參數,它描述的是電弧熄滅后,電壓上升過程和強度,用Uhf來表達。
 
所謂介質氣體的恢復,指的是氣體從電弧的等離子狀態恢復為正常氣體狀態,顯然,它與時間有關,也與氣體性質有關。
 
如果:Ujf>Uhf
 
也即,介質恢復強度大于電壓恢復強度,則電弧將不會不重新燃燒。
 
上圖中,在時刻0,交流電弧過零熄滅。但過零后,Ujf2小于Uhf,所以交流電弧重燃;Ujf1>Uhf,所以交流電弧不再重燃,并且徹底地熄滅。
 
不過,直流電弧可沒這么好,它根本就不會過零。
 
我們看下圖:
 
上圖是GIS復合開關,一般用于高壓配電網。GIS看起來象一只只的鍋爐,大里就是開關,開關周圍充滿了六氟化硫氣體。六氟化硫氣體的特點是分子量大,非常穩定,絕緣性能特別好,所以用來在高壓電器中加強滅弧,提高Ujf。
 
不過,六氟化硫是溫室氣體。因此人們期望能找到一種氣體替代它。真空就是一種好辦法。
 
可見滅弧是多么重要的一件事。
 
在這方面,直流電比交流電要遜了。因此,同樣的開關電器,用在直流就必須降容。
 
為了改善直流開關電器的滅弧能力,人們在電弧燒蝕的材料中鍍上一層特種膜,在高溫燒烤下,能釋放出類似六氟化硫的氣體,以此提高介質恢復強度。
 
3.用電電器方面
 
在用電電器方面,最典型的就是交流鼠籠式異步電動機了。相對直流電機,它價格低廉,工作可靠,性能穩定,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,直流電機的調速性能良好,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,采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。因此在配電室里,6到10kV配電設備的工作電源都是用直流電來實現的。
 
至于居家配電,我們已經知曉,當然是以交流電為主了。
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