特斯拉的交流電早就打敗了直流電,為什麼現在又要搞直流輸電?

2020-12-20 星辰大海路上的種花家

有一個縈繞在心頭已久的問題，我們日常生活中碰到的設備幾乎都用直流電，但為什麼進戶的電線卻是交流電呢？這個交流電還需要變壓器降壓到低壓，然後整流、濾波和穩壓後才能供給電子設備，不能一開始供直流電嗎？

交流電和直流電，到底是哪個好？

直流電壓和方向隨著時間增加不會變化，而交流電則隨著時間改變，它的電壓和幅度都會發生周期性的改變！

其實最早發明的電池就是直流電，比如原電池，伏打電池甚至雷頓瓶能儲藏的都是直流電，所以到1832年皮克西製成的永磁手搖發電機，輸出的也是直流電，再往後發直流電的發電機和利用直流電的設備與電動機就開始普及了！

到1875年時世界上第一座發電站在巴黎北火車站建成（第一座發電站有爭議，各位忽略即可，不影響本文討論），為附近區域照明供電，當然你不用懷疑，都是直流發電機，到1913年時，全球發電量已達500億千瓦時，其實看起來很大，不過是一個500萬千瓦的電站一萬小時的發電量而已。

1875年，法國巴黎北火車站附近建立了第一座火力發電站

第一次出現交直流之爭是特斯拉出現後，當時全球最大的電氣公司是通用公司，使用的就是直流發電技術，當時的直流電技術已經爐火純青，但毛頭小子特斯拉向愛迪生建議改用交流電（交流電最早為法拉第發現，特斯拉改進了交流發電技術），當然愛迪生並沒有聽從特斯拉的建議。

之後特斯拉從通用離職，創辦了自己的企業，有人投資了他的交流發電技術，之後的交直流之爭大家應該都知道結果了，因為到現在為止，除了特殊的支流輸電技術外，沒有大規模的直流電網，所有的都是交流電網，為什麼直流電輸了？

直流電比交流電到底差在哪裡？

直流電最大的優點是發電機發什麼電你就用什麼電，沒有中間環節，其實也可以有，我們下文再聊，當然這也是最大的缺點，為什麼呢？電壓變換很困難，因為發電站和用戶相隔遙遠，那麼發電站一定想提高電壓，假如按現代電流與截面積比例計算，長距離輸電需要用1A一平方毫米（否則線損太大發熱嚴重），甚至可能還更高！

那麼發電站如果用220V，1000A的輸出大約220KW的功率，那麼需要兩根截面積1000平方毫米電纜，這得多粗呢？至少要36毫米直徑的電纜，加上外圍絕緣皮，超過50毫米，也就是說它比小孩子的手臂還要粗！

而且路途不能太遠，中間還得用直流電動機+直流發電機提升電壓，然後一路提升，如果到目的地還有另一種電壓，那麼也需要直流電動機+直流發電機變壓，這個成本高到令人髮指！

假如改成高壓交流電22000V，那麼只要10平方毫米的電纜，大約3.4毫米直徑的電纜，這個成本就低多了，當然為了增加架空線強度，反而需要增加多股線，提高其強度。

930KW升壓變壓器和它的控制屏

儘管很多朋友看明白了，直流電也可以高壓，但直流電輸變電需要直流電動機+直流發電機升壓和降壓，而交流電只需要一個簡單結構的變壓器，兩者成本相比1/10都不到，所以1893年的芝加哥「哥倫比亞世界博覽會」選用了西屋電氣的交流電（創始人喬治·威斯汀豪斯購買了特斯拉的交流電專利），從此交流電開始風靡全世界！

三相交流電

不過當時的交流電還未形成50-60HZ的規範，那會頻率比較高，相數也和現在的三相交流電不一致。

從交流到直流

交流電無論是輸變電都非常方便，而且損耗小，線纜要求也大大降低，交流電的優勢是非常明顯的，早期亮燈也是白熾燈，無所謂直流還是交流，只要有效電壓一樣，那麼亮度其實沒什麼差別，所以交流電沒啥影響！

但隨著無線電這些電子技術的出現，交流電的弊端就出現了，交流電無法應用在電子管上，而且它還會在系統中帶來噪聲，所以一般交流電系統的末端，需要直流電的位置會有一臺整流發電機，也就是將交流電經過變壓，然後電動再經過發電機變成直流電（或者用同步整流電機，或者用振動整流等，噪聲大，效率低），這些場合應用不多，所以交流電依然可以勝任！

此後隨著氬氣真空管和汞弧整流管的出現，很多場合開始用這些電子設備代替機械整流，並且汞弧在上世紀70年代還在大規模使用，這性能還是不錯的，後來被大功率晶閘管代替。

後來真空管這類電子設備慢慢被固態的半導體取代，後來專門發展出了功率半導體，電子設備界對電子管這類設備逐漸銷聲匿跡，再後來出現了中高頻的開關電源，連降壓變壓器也被鐵氧體的微小中頻變壓器取代了，電源也越做越小，使用也越來越方便，交流電和直流電轉換再也沒有以前那麼麻煩。

IGBT和IGCT的區別

從直流到交流

交流電渾身都是優點，但它有一個致命的缺點，就是無法存儲！因為沒有一種電池可以存下交流電，所以在應急電源現場，除了發電機，其他清一色都是電池輸出，然後DC-AC轉換成直流電，因為現代功率電子的發展，直流和交流之間的轉換效率很高，因此直流又開始慢慢復活！

相對於交流輸電的三相而言，直流只需要兩根線，甚至直流可以用大地做另一路的迴路，而只需一根線，當然這是極端狀況，直流對絕緣要求相對也會降低（一般的油浸電纜，直流工作電壓是交流的三倍），而且導線線損小，沒有感康和容抗，也沒有趨膚效應，更沒有空間電荷效應！

八交八直「和」八交九直「（特）高壓交直流輸電骨幹網

當然這些都得益於交直流之間高效轉換設備IGBT和IGCT以及碳化矽半導體元件的發展，在很多超高壓，大容量輸電中，直流輸電佔比正在逐年增加，所以著眼於未來的話，還真說不定直流和交流誰是贏家呢！

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    交流電：當電路中的電流隨著方向和強度的變化作周期性變化時，稱其為「交流電」。現代發電廠生產的電能都是交流電，家庭用電和工業動力用電也都是交流電。它沒有方向但是有頻率和火線零線（地線）之分高壓直流輸電方式與高壓交流輸電方式相比，有明顯的優越性．歷史上僅僅由於技術的原因，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缺點作出比較，從而說明它們各自在應用中的價值．
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  • 簡單認識直流電和交流電
    直流電就是大小和方向不會隨著時間變化的電流就是直流電。比如我們的乾電池還有我們的光伏電池板發出來的電都是直流電。交流電就是強度與方向都隨時間做周期性變化的電流叫做交變電流，簡稱交流電。我們的家用電源就是交流電。
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  • 直流電和交流電有什麼區別
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  • 為什麼生活中的電,要分為直流電和交流電呢?今天總算知道了
    說起電，在我們的生活中應用可就廣泛了，沒有電我們的生活將一團糟。我們現在用的電腦，打遊戲，看電視，吃東西等等，沒有一樣能離開電的。但是電為我們生活帶來方便的同時，也是具有安全隱患的，每年因為電的使用不當，出現事故的案列也很多，所以電雖然很常見，但是我們每個人不一定對它都了解，比如說，電有直流電和交流電，那它們到底有什麼區別呢，我們一起來看看。直流電的電流方向或電流大小都是不變的，而交流電的電流會隨時間發生不同的變化。兩者在社會中的應用都是很普遍的，直流電的典型應用就是電池。
  • 家用電是直流電還是交流電 家庭用電要注意哪些
    家用電是直流電還是交流電家庭用電都是交流電，交流量使用很方便，交流電的電流會隨著時間發生變化，而直流電的大小和方向不會變。另外，交流電可以升壓和降壓，且發電效率高，比起直流電更有優勢。而且交流電轉直流電比較方便，直流電轉交流電更麻煩。
  • 愛迪生為了推廣直流電,曾在廣場用交流電電死一頭活生生的大象
    當時愛迪生不僅創建了世界第一座直流發電站，而且其運作的公司所推行的系統全是基於直流電的，因此其推行的東西都是為其商業服務的。而特斯拉最大的發明就是交流電發電機，這是愛迪生絕對不會使用的東西。交流電當然也有優、缺點，但是使用效率高，可以升降壓便於遠距離輸送，這對於推廣用電是非常有利的，而且產生交流電需要的設備也比直流電簡單。因此，特斯拉推廣的交流電與愛迪生主導的直流電變成了競爭關係。
  • 交直流電之爭,不僅是愛迪生和特斯拉之爭,還犧牲了大象託普西
    他為了推廣直流電而打擊交流電，從而引發了和特斯拉之間的交直流電之爭，他們之間的故事還要從開頭講起。起初特斯拉還是愛迪生的手下工作，當時愛迪生面臨著推廣直流電的一個難題，那就是直流電不能勝任長遠距離運輸的任務，於是他把這個難題交給了特斯拉。讓愛迪生出乎意料的是特斯拉不但想出了解決方案，而且方案數量多達二十幾個。
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  • 電力之戰:19世紀末,天才們關於交流電與直流電的交鋒!決戰篇
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