为什么交流电占据了主导地位？

直流电与交流电

电气化的历史背景

在电气化初期，即19世纪下半叶，城市电网中使用的电流（电荷的有序流动）主要是直流电。 最早的发电机（将机械能转换为电能）装置直接为附近的灯具和电动机供电。 电压低、距离短、损耗可接受。

直流电的局限

随着对照明、动力以及后来家用电器的需求迅速增长，必须在数十甚至数百公里的距离上输送电力。 直流电当时面临一个简单的物理限制：要在没有过度损耗的情况下输送大量电力，必须提高电压并降低电流。

交流电与直流电的综合

两种互补的形式

电流（电荷的有序流动）以两种互补的形式存在：交流电和直流电。 前者周期性变化，后者保持恒定极性。 然而，在现代系统中，这两种形式并不对立：直流电通常是通过整流交流电获得的。

发电与输电

交流电由交流发电机（产生周期性电压的机电式发电机）直接产生，其旋转产生正弦电压。 这种能量形式非常适合高压输电，因为它可以通过变压器（改变交流电压的电磁装置）轻松转换。

整流与电力电子

历史上由发电机产生的直流电，如今主要来自交流电的整流。 电力电子（将交流电转换为直流电的元件集合）可以将交流电压转换为稳定的直流电压，用于电池、电子设备、储能系统和HVDC输电（高压直流输电）。 因此，现代直流电不是一种独立形式，而是交流电的一种转换。

为什么高压必不可少

功率、电压与电流的关系

输送的电功率表示为 \(P = U \times I\)，其中 \(P\) 是功率，\(U\) 是电压，\(I\) 是电流。 对于给定的功率，如果电压加倍，电流可以减半。 然而，线路中的焦耳损耗与 \(I^{2} \times R\) 成正比，其中 \(R\) 是电缆的电阻。 因此，降低电流是限制长距离损耗的最有效方法。

焦耳损耗

在实践中，这导致输电使用非常高的电压，然后在尽可能靠近用电地点的地方降低这些电压。 这正是交流电所允许的，这要归功于电气工程的关键设备：变压器（允许改变交流电压的电磁装置）。

现实数值示例：核反应堆的功率

考虑电功率 \(P = 1\ \text{GW}\)，这是核反应堆提供的功率的量级。 假设该功率必须通过一条等效电阻（往返）为 \(R = 3\ \Omega\)（约合 \(0{,}03\ \Omega/\text{km}\)）的线路输送 \(100\ \text{km}\)。 我们比较 \(50\ \text{kV}\) 和 \(400\ \text{kV}\)（现行标准的一部分）下的输电。

1) 50 kV 输电
所需电流为：
\(I = \frac{P}{U} = \frac{1\ \text{GW}}{50\ \text{kV}} = 20\ 000\ \text{A}\)。
焦耳损耗则为：
\(P_{\text{损耗}} = I^{2} \times R = (20\ 000)^{2} \times 3 = 1{,}2 \times 10^{9}\ \text{W}\)。
损耗以热量形式达到约1.2 GW，这意味着线路输入端必须提供远超1 GW的功率，才能在另一端输出1 GW。 在如此低的电压下，输电变得完全低效。

2) 400 kV 输电
电流变为：
\(I = \frac{1\ \text{GW}}{400\ \text{kV}} = 2\ 500\ \text{A}\)。
相关损耗为：
\(P_{\text{损耗}} = (2\ 500)^{2} \times 3 = 18{,}75 \times 10^{6}\ \text{W}\)。
仅损失约18.75 MW， 即不到输送功率的2%。

总结

从 \(50\ \text{kV}\) 提高到 \(400\ \text{kV}\)，电压乘以8，电流除以8，损耗除以 \(8^{2} = 64\)。 在实际线路电阻下可以看出，要以可接受的损耗输送核反应堆的功率，超高压是必不可少的。

变压器的决定性作用

工作原理

变压器仅适用于交流电。 它依赖于铁芯回路中磁通量随时间的变化，当一次绕组通电时，在二次绕组中感应出电压。 通过调整每个绕组的匝数，可以非常高效地升高或降低电压。

电网的结构化

这一特性使现代电网的分层结构成为可能：中压发电，升压至超高压输电，然后逐步降压至家庭用电电压。 没有变压器，每个电压等级都需要特定的机器和复杂的转换。 交流电因此成为扩展电网最简单、最稳健的解决方案。

电流之战

爱迪生对阵特斯拉和西屋电气

著名的“电流之战”使直流电的支持者托马斯·爱迪生（1847-1931）与交流电的捍卫者尼古拉·特斯拉（1856-1943）和乔治·西屋电气（1846-1914）对立。 爱迪生已经投资了直流配电网络，担心自己的经济模式受到质疑。 特斯拉则设计了特别适合交流电的多相系统。

布法罗演示

19世纪末，从尼亚加拉大瀑布向布法罗市供电等长距离输电的壮观演示，展示了大功率下交流电的实用优势。 发电厂可以建在一次能源可用的地方，然后电力以有限的损耗输送到城市中心。

交流电的技术优势：距离问题

变压与异步电动机

交流电对大规模电网有几个重要优势。 首先，易于改变电压使得可以根据距离和待输送功率优化电网的每一段。 其次，异步电动机（将电能转换为机械能的机器）等旋转电机在使用交流电供电时简单、坚固且成本低廉。

同步与可靠性

此外，交流电的周期性特点有利于同一电网上多台发电机的同步。 大型洲际互联依赖于这种同步性。 最后，历史上使用交流量测量和保护线路更为简单，这有助于电网的整体可靠性。

为什么直流电仍然回归

HVDC 输电

直流电并未因此消失。 随着电力电子的兴起，现在可以高效地将交流电转换为直流电，反之亦然。 被称为HVDC（高压直流输电）的超高压直流输电线路，如今用于连接偏远电网或在水下输送大功率。

专业领域

在这些应用中，直流电具有减少某些损耗和避免电网间同步问题等优势。 然而，这些系统始终依赖于以交流电为主的环境，其中发电、配电和大多数用途仍然使用交流电。 因此，交流电的历史选择继续构建着我们电网的整体架构。

物理、经济与历史之间的妥协

标准的遗产

交流电的成功不仅仅是物理问题。 它还源于19世纪末可用技术、基础设施成本与电力先驱们的工业选择之间的妥协。 一旦首批大型交流电网建成，标准化效应就强化了这一初始选择。

当前展望

即使在今天，欧洲的50 Hz和北美的60 Hz频率也是这些历史决定的遗产。 改变范式将涉及修改数十亿台设备和数百万公里的线路。 交流电因此仍然是我们电气文明的骨干，而直流电则占据着发挥其特殊品质的专业领域。

交流电与直流电的比较

下表总结了交流电与直流电的主要技术和历史差异。