直流高压输电模型研究

宗 谨

（甘肃民族师范学院 物理与水电工程系，甘肃 合作 747000）

直流高压输电模型研究

宗 谨

（甘肃民族师范学院 物理与水电工程系，甘肃 合作 747000）

随着电力工业的发展，集约化大规模远距离供电主要以交变电流输电方式为主.但是，交变电流自身存在着许多不足：电网的稳定性问题、交变电路的电阻、电感和电容.针对这些缺陷，直流输电将作为解决输电技术困难的方向之一.本文利用实验室有限条件，搭建了高压输电模型，对直流和交流输电下的功率损耗进行了比较，从而验证了直流输电比交流输电省电，高压输电比低压输电省电.

直流高压输电；交流高压输电；逆变器

1 原理

1.1 交流输电基本原理

在交流输电系统中，我们采取高压输电，即：从输电端把低压电通过变压器升成几千伏甚至上万伏的高压，通过输电线路，输送给受电端，受电端再通过变压器把高压降下来.在这个过程中，根据P=I2R和U=IR可得出高压输电可减小功率损耗.

1.2 直流输电基本原理

图2为直流高压输电原理图，它代表一个最简单的直流输电系统.其中包括两个换流站ZH1和ZH2和直流线路.两个换流站的直流端分别接在直流线路的两端，他们的交流端则分别连接到两个交流电力系统I及II，换流站装有换流器，它的功能是实现交流与直流的互换.

从电力系统1向电力系统2输送电力时，换流站把输送端电力系统送来的三相交流电流变成直流电流，通过直流线路把直流电流和功率输送到换流站ZH2，再由ZH2把直流电流又变成三相交流电流.在这里，由交流变换成直流和从直流变换成交流的过程分别称为整流和逆变.

直流输电系统中的换流站可以用图3交流—直流—交流型机电系统中的同步交流电机—直流电机组JZ1和JZ2来比拟.系统I向系统II输送电力时，换流站ZH1作为整流站运行，相当于JZ1作为同步电动机—直流发电机组运行；换流站ZH2作为逆变站运行，相当于机组JZ2作为直流电动机—同步发电机组运行.二者加在直流线路上的直流电压分别为Vd1和Vd2,

线路电流为：

式中R——线路的电阻

直流线路和交流线路不同，它只输送有用功率，不输送无用功率.换流站ZH1送到直流线路的功率和换流站ZH2从直流线路接受的功率分别为；

两者之差为线路损耗

2 直流输电和交流输电的比较

2.1 直流与交流架空线路比较

直流输电一般采用双极中性点接地方式（图4），因此直流线路仅需2根导线，而三相交流线路则需要三根导线.可以证明，在同样截面和绝缘水平条件下，2根导线的直流线路所输送的功率和3根导线的交流线路所能输送的功率几乎相等.这就是说，直流架空线路与交流架空线路相比，只需两根导线，有色金属和绝缘子、金属都比交流线路节省1/3；而且减轻了杆塔的荷重，可以节省钢材；由于两根导线，还可以减少线路走廊的宽度和占地面积.所以，直流输电线路的单位长度造价比交流线路大幅度的降低.

2.2 直流电缆线路与交流电缆线路的比较

由于电缆绝缘在直流电压和交流电压作用下的电位分布和击穿机理不同，因此电缆绝缘用于直流的允许电压比用于交流是高两倍，例如35KV的交流电缆，容许在100KV左右直流电压下工作，也就是说直流工作电压与交流相同时，直流电缆的造价远低于交流电缆.

2.3 直流换流站与交流变电站投资比较

直流换流站的设备比交流变电站复杂，它除了必须有换流变压器之外，还要有目前价格昂贵的可控硅换流器，换流器的控制调节装置、滤波装置、平波电抗器和其他附属设备.因此，换流站的投资高于同等容量和相应电压的交流变电站.

2.4 直流与交流输电的等价距离

等价距离是指输送功率相同和输电可靠性相当的条件下，直流输电方式与交流输电方式相比，当输电距离达到某一长度时，直流电路比交流线路节省的那一部分建设费用刚好抵偿直流换流站比交流变电站增加的那部分建设费用.这个距离成为交直流输电的等价距离.在相同的可比条件下，当输电线路长度大于等价距离时，采用直流输电所需的建设费用比交流输电省.

随着科学技术的进步，不仅直流输电的可靠性有进一步提高，而且降低了换流设备的造价，从而使等价距离不断缩短，直流输电优越性会更好的显示出来.

2.5 输电线路的功率损耗

在导线截面相同，输送有功功率相等的条件下，直流线路功率损耗约为交流线路的2/3.另外，根据国外的运行检验，线路和站内设备的年折旧维护费用占工程建设费用的百分数，交流与直流则大体相近.

鉴于以上原因，直流输电比交流输电要省电，要是把直流输电技术运用到工程中，会带来很大的经济效益.

3 实验

实验中，选取相同的参数，比较直流输电与交流输电在同一个线路中的省电情况，同时比较了低压输电和高压输电在同一个输电系统中的省电情况.搭建一个高压输电模型进行上述比较；

实验仪器：

瓦特表：0.5级 最小刻度2.5瓦；交直流电流表：J0407型，0.5安 最小刻度0.01安.

交直流电压表：0.5级最小刻度2伏；直流电流表：最小刻度0.1安

滑动变阻器 YJ34型晶体管稳压电源 可调变压器TDGC-2

3.1 线损与输电电压的关系

R——线损折合电阻

线路电阻用漆包线代替 负载:300W电炉丝 R:98欧姆

表1 用电炉丝做负载测线损（AC）

表2 用电炉丝做负载测线损（DC）

从以上数据可以看出，无论是交流输电还是直流输电，线路损耗随着输电电压的升高都在降低.

3.2 交直流输电的省电情况比较

在实验室允许的条件下，搭建简单的高压输电模型，如图6.

线路电阻用漆包线代替，通过实验比较交直流输电的省电情况如表3.

（1）直流

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

损耗比：△P1/P2=1.785/66.64=2.67％

（2）交流

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

损耗比：△P1/P2=3.32/92.96=3.57％

由此看来，在相同的输入电压下，直流输电的线路损耗要远小于交流输电线路.

表3 交直流输电比较 负载:300W电炉丝 R:98欧姆

〔1〕方鸿辉，刘贵兴.创造性物理实验[M].上海：上海科学普及出版社，1999：23-30.

〔2〕王干,金华京,姜日新.实用电子电路大全[M].北京：电子工业出版社，1987.

〔3〕[美]M.曼德尔.精选电子电路 200 例[M].北京：人民邮电出版社，1988.

〔4〕任致程,李卫玲.高级电工实用电路500例[M].北京：机械工业出版社，2005.

〔5〕高中物理第二册（必修加选修）[M].北京：人民教育出版社，2008.

〔6〕陶洪.物理实验论[M].南宁：广西教育出版社，1996.

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1673-260X（2011）11-0150-03