新型城市—让直流电进入千家万户

徐家骏

【内容摘要】本文借助美国伟大的发明家爱迪生先生的故事，通过比较交、直流电在生产、输送、使用以及安全这四个方面的优劣，以提高资源的利用率，节省能源为最终目的，提出以直流供配电系统取代或部分取代现有的交流供配电系统、低压直流电入户的观点。对交流供配电系统的改造、直流供配电系统的应用和推广，太阳能、风能等绿色发电设备并网供电等相关问题作了比较肤浅的、宏观方面的论述，企求起到抛砖引玉的效果。鉴于水平有限、难免有误，还望各路专家老师纠正、补充和完善为盼。

【关 键 字】直流电入户；直流供配电；交流供配电；新型城市；整流；逆变；

中图分类号：F291.1文献标识码：A 文章编号：

直流供配电是19世纪末美国伟大的发明家爱迪生极力推崇的用电制式。但1889年前后，爱迪生与特斯拉的交、直流电之争，最终以特斯拉的交流电彻底胜利而告结束。这是当时的科技水平、与社会经济结构等大环境下的必然结果，而且得到了之后几代人，包括我们这代人的认同。

殊不知，随着20世纪科技大爆发时代的到来，直流电应用大有复活之势。笔者经过几十年的历练，看好直流供配电系统终将有一天完成它的先复活，再复辟的伟大壮举。以下就本人的观点，加上多年的阅历，就直流供配电系统复辟的可行性作肤浅论述，企求能有抛砖的效果：

一、 交、直流电的优势与劣势

众所周知，直至目前的科技水平，交流电在生产、升降压、电动机恒速或窄幅调速应用，在经济和性能方面具有直流电无法企及的优势，这也是当年爱迪生败给特斯拉的主要原因。但是，相比于直流电，交流电在传输和应用中，存在着以下的种种劣势：

1） 交流电传输过程中因电流无功分量产生的铜耗导致电能的损耗；

2） 由于集肤效应，交流供配电系统导电体单位截面积传递的电流，交流电要低于直流电，从而增加了导电金属资源的消耗量和占用量；

3） 埋地的交流高压电缆与大地之间产生的电容电流时刻消耗着电能、威胁着供配电系统、设备的安全；

4） 随着科技进步，今天的用电设备种类较一百多年前爱迪生时代已经是指数级别的差距了，远远不止交流电动机和照明电器，就家庭电气方面，除了洗衣机和占有比例日益缩小的恒速电风扇使用交流电较使用直流方便、经济外，其余家用电器，如电脑、电视机、电磁炉、微波炉、变频调速的空调、电冰箱、无级调速电风扇、日光灯等等等等，无一不是使用直流电比交流更方便、更经济的家用电器，还有就是照明领域的未来之星——LED照明灯，更是直流电拥趸级的用户。至于其余的电熨斗、电饭煲、电热水壶等等，都是交直流都适宜的家用电器，对于家庭来说，50Hz或60Hz简直成了交流电的一个符号，对许多家用电器来说毫无意义。

5） 在工矿企业，交流异步电动机仍然大量使用，据资料介绍，全国范围内，交流电动机的耗电量仍然占全国发电量的60%以上，但是，随着社会的进步和科学技术的发展，无级调速电动机所占的比例正日益增加，大容量电动机的分级降压起动已逐渐被软启动和变频调速软启动所代替。只要涉及变频以及有无级调速需求的电动机，从经济、效率、安全方面考虑，直流电就一定优于交流电。而且，一旦改制成直流供配电，现有的电动机无需更换，变频调速装置更省去了从交流变直流的工序和相关元件。

此外，工况企业至目前还使用着大量交流接触器和继电器，相对于直流接触器和直流继电器而言，相同规格的交流接触器和继电器在能耗方面比直流接触器和继电器要大20%以上。而且，交流接触器和继电器工作时因工频震动产生噪音，造成环境污染。可见，在能耗和环保方面，交流接触器和继电器与直流接触器和继电器相比，交流接触器和继电器处于明显的劣势。

通信行业的电器设备诸如交换设备、数据传输设备、不间断电源等绝大部分都是直流电用户。

6） 众所周知，交流电并网技术复杂，难度高，除要求电压一致外，频率和相角也必须同步，稍有误差就会出现环流，严重时甚至导致整个系统崩溃。如果实行直流供配电，事情就变得非常简单，除了电压必须相等外，无需担忧出现环流，而且，分路出现故障不会轻易造成电网瘫痪，这大大提高了小型风能、太阳能等深绿色的发电设备同大电网并网运行，向电网供电的可行性。

7） 安全方面：实验表明，直流电压下（频率为0时），人体阻抗最大，随着频率的增加，人体阻抗减小，而且，频率越高，人体电阻越小。这表明，在相同电压，同一个人，相同环境和条件下，50Hz交流电通过人体的电流要比直流电大许多倍。这是直流电较交流电安全的根本所在，也是爱迪生当年为维护直流电地位，竭力攻击特斯拉的主要依据。

此外，交流电的任何一条相线与大地可以单独形成回路，只要任意一相对地都可以产生回路电流。而直流电不存在此类情况，必须要正、负极同时对地才能产生回路电流。因此，直流电对地短路发生的概率较之交流电要低出许多，从理论上计算是2次方的差别。也就是说，对交流供配电电路进行10000次作业，短路事故发生次数为1次的话，则对直流电供配电电路作业1亿次，才会发生1次短路事故，假如某城市每天有20000次对供配电系统的作业， 对于交流电系统，每天就有2次短路事故发生，而直流供配电系统则需要5000天才会发生1次短路事故；如果再将交流3相4线的供配电制式考虑在内，这个概率的差别还应该再提高3倍。

按照现在国内交流电入户标准电压为380V/220V，如改成直流电，笔者认为直流入户电压标准定为500V也不为过，如果再将交流电集肤效应考虑在内，这意味着相同截面积的导体，送电能力将提高一倍以上，或者说，输送功率相同的电力，将减小一半的导体材料。对于这个资源日益贫乏的世界，或许也算是一个喘息的机会。

8） 对于超远距离架空高压送电，输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的三分之二左右。直流输电采用两线制，与采用三线制的三相交流输电相比，在输电线载面积相同和电流密度相同的条件下，即使不考无功损耗和虑趋肤效应，也可以输送近似相同的电功率。如果考虑到趋肤效应和各种损耗（绝缘材料的介质损耗、磁感应的涡流损耗、架空线的电晕损耗、埋地高压电缆与大地之间的容流和无功电流产生的损耗等），输送同样功率交流电所用导线截面积就远大于直流输电所用导线的截面积了。同时，直流输电杆塔结构也比同容量的三相交流输电简单，输电线路走廊宽度也只有交流电的一半。

二、 经济、技术分析

1） 无功损耗

据有关资料查阅，全国每年因交流供配电系统的无功分量，大约造成1000亿kWh的电能损耗，如果按照0.50元/kWh计算，其价值约为500亿元。而且，这只是供配电电网范围内的，只统计至低压配电柜之前，至于低压配电柜之后的损失可能要成倍翻番。改成直流之后，尽管依然存在着电网电压波动的情况，但从理论上分析，这部分的损失应接近0；

2） 供配电系统

本文的 第一节、第8）条 已分析过，现有的供配电系统线路部分无需更新，就可以承受不低于现有容量的电能传输。但整流站和逆变站的建设、改造难度相当大，费用相当高，这是本文提及的第一个难点。

众所周知，至目前的发电技术、电力的升降压技术仍以交流为先，交流发电设备的制造、运行、维护成本，以及交流电的升降压设备（变压器）的制造、运行、维护成本较直流电在价格和技术上仍然具有巨大的优势，甚至对于大容量、高电压的直流电升降压过程中，还要转换成交流。以下是笔者设想今后的交直流供配电系统（见下图）

（其中，AC11kV/DC500V的降压、整流站设于工矿企业、住宅小区、高层建筑物的变电房）

图1

从图1可见，近距离输电仍然是交流系统，这是受目前技术条件限制的无奈选择。期望某一天，这个环节能够变成直流系统吧。

按照我国目前的电制，无功补偿设备通常设置在交流11kV/0.4kV变电站之前，相当于图1中“降压、整流站”之前的位置，即供电部门计费点之前（对企、事业单位），之后就不再设无功补偿设备，也不对无功功率进行计量。因此，交流11kV/0.4kV变电站之前电网的功率因数较高，通常可达0.9以上，而之后的交流0.4kV电网的功率因数就很低，通常只有0.8甚至更低。如果能将这部分供配电系统改造成直流，其经济意义非凡。此外，如第一节第7）条分析，鉴于直流电在安全方面的优势，其社会方面的意义也非凡。

3） 用电设备的改造

本文第一节已经分析过，绝大部分家用电器是可以使用直流电的，对于极个别必须要使用AC50Hz的家用电气，可个别配套逆变器（除交流异步电动机带动的恒速电风扇、洗衣机外，笔者想不起还有什么家用电气必须要使用交流电的了）。

工矿企业的交流异步电动机可能仍然是个很大的门槛，也是本文提到的第二个难点。但从图1可以看到，最后一级的降压、整流变电站是设在厂矿企业的变电房内的，可以考虑暂缓改造或部分改造吧？

4） 高速公路供配电系统尤其受益

纵观高速公路的用电设备，绝大多数都可以使用直流电，数km长的路灯、监控设备供配电电缆的投资费用，约占用了高速公路单位造价的1%左右，改成直流系统后，这部分投资可节省40%以上。

5） 小型绿色发电设备并网

作为直流供配电系统的优势，可以大量地、安全地接受小型风力发电设备、太阳能发电设备、小型水力发电设备等深绿色发电设备的并网和计量，这些发电设备接入点应设置在DC500V的位置，其并网、安保和计量方案成熟、简单、安全、可靠。系统如下图图2所示。

图2

6） 直流供配电以大海、大地作回线时应慎之又慎

都知道海水主要成分是氯化钠和氯化钾，氯化物溶液电解时，在阳极会产生剧毒的氯气，阴极会产生易燃易爆的氢气和金属钾和钠，用大海作回线时，所产生的氯气、氢气和低价（化合价）金属容易收集处理，甚至可以进一步加工成工业、化工产品。但是，以大海或河流作回线时，在阴极附近的水体呈碱性，而在阳极附近的水体呈酸性，一定会给当地的生态造成影响。以大地作回线的情况更不容乐观，首先，大地土壤中充满各种各样的电解物质，你无法预知哪里的电解物有害，哪里的无害；其次，埋地安装的一对电极可能相距几十公里甚至更远，沿途中间任何一个地方都有可能成为一个小型电解池，你不知道这些电解池在何处，你很难收集所产生的有害、危险物质，长年积聚后，这些有害物质就成了一个个定时炸弹，你却不知道它何时爆炸；长年工作，甚至有可能改变土质、腐蚀沿途的金属物等等。以大地作回线存在着许多不确定因数。故以大海、河流、大地作回线时应慎之又慎。

三、 推广

1） 循序渐进、以点带面、以农村包围城市

尽管直流供配电系统在技术上还有许多有待改进的地方，但就目前的环境、条件，笔者认为是时候推广了。以“循序渐进、以点带面、农村包围城市”为原则，参照图1，可以在一个住宅小区、一栋高层建筑、一个村庄开始作试点，逐渐推广。

2） 政府干预

交流供配电改直流供配电是一项巨大的系统工程，牵涉到社会的各个方面，甚至包括产业调整等诸多影响广泛的方面，没有政府的支持和干预，很难想象能够完成甚至启动。

四、 发展状况与展望未来

当年，美国伟大的发明家爱迪生先生虽然没有成功地维护直流电的地位，但自二十世纪以来，不断有令爱迪生先生振奋的新发明、新技术涌现，特别是半导体技术的出现，为交流电变直流电（整流）或直流电变交流电（逆变）开辟了更加广泛的途径。在偏僻山区、高速公路，3—5km距离的低压低功率送电，在国内已经涌现出许多“直流远供”产品。对于大功率、超远距离供电，早在20世纪50年代,就已经出现了高压大容量的可控汞弧整流器。在国内，早已建成多座特高压直流变电站。直流供配电已不知不觉地慢慢苏醒了，只不过还没有达到最终端的用户，还没有真正复活。期待着某天政府出手，将直流电送入千家万户，爱迪生先生在天堂望着中国人微笑。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。