可以说，它是交流输配电系统中的主要设备或心脏部分。交流远距离输电问题的根本解决是三相交流理论的形成与技术发明的结果。从此，高压交流输电的有效性和优越性得到了公认。1892年，法国建成了第一座三相交流发电站，把交流发电站的发展向前推进了一步。电力的应用和输电技术的发展，促使一大批新的工业部门相继产生。19世纪90年代，三相交流输电系统研制成功，并很快取代了直流输电，是电力系统大发展的里程碑。......
2023-06-23
直流电力系统的形成与发展
【摘要】：然而，低压直流供电系统不可能实现大功率电能的长距离传输。基于上述原因，直流输电线路上造成的电压损失就无法得到弥补。因此，直流输电系统的造价十分高昂。因而，交流输电具有直流输电无法比拟的优越性，交流电力系统开始得到重视的发展。
直流发电机比交流发电机的出现整整早了将近50年。因而早期电能的应用，大多为直流电系统。第一条直流输电线路建于1873年，长度仅有2km。世界上第一条远距离直流输电实验线路是由法国人建立的。1882年，法国物理学家和电气工程师德普勒（1843—1918）由德国葛依吉工厂资助在慕尼黑国际博览会上展出了一条实验用高压直流输电线路，把米斯巴赫一台容量为2.2kW的水轮发电机发出的电能输送到相距57km的慕尼黑，驱动博览会上的一台水泵，并形成一个人工喷泉。这一成功演示，展示出了电力的巨大潜力，证明了远距离输电的可能性。在这次实验中，线路始端电压为1343V，末端降至850V，输送功率不到200W，线路损耗达78%，传输效率很低。
早期的直流输电系统大多用于照明。众所周知，美国发明家托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison，1847—1931）发明了用于照明的灯泡，其灯丝经历了从脆弱的碳丝、昂贵的铂丝到耐高温和延展性好的钨丝的复杂过程。虽然钨丝具备了作为灯泡灯丝一系列优良的特性，但由于早期的加工工艺比较落后，很难拉制出细如发丝的钨丝，因而早期用于照明的灯泡钨丝的电阻较小，只能承受较低的耐压。因此，早期用于照明的供电系统，多为110V的低压直流供电系统，如1882年，爱迪生在纽约主持建造的珍珠街电站，它装有6台直流发电机（总容量约670kW），用110V电压供1300盏电灯照明。该供电系统一直被使用到2000年后才完全关闭。同时，为了提高供电的连续性和可靠性，他还在供电系统上并有蓄电池组，负载轻的时候，发电机输出的多余电能向蓄电池组进行充电；而当发电机出现故障或其他原因造成停电时，由蓄电池向负载进行供电，可谓是早期的不间断电源系统（Un-interrupted Power Supply，UPS）。
然而，低压直流供电系统不可能实现大功率电能的长距离传输。由于早期的技术受限，一方面是直流电无法像交流那样依靠变压器来实现升、降压；另一方面是由于当时的直流发电机依靠电刷进行换向，容易在高压下产生电火花，因此无法制造出超高电压等级的直流发电机组。基于上述原因，直流输电线路上造成的电压损失就无法得到弥补。早期的直流输电系统，其最大传送距离只有1.5英里（约2400m），为了实现更长距离的电能传输，每隔一段传输距离必须就地安装一台与负载匹配的直流发电机组，以弥补输电线路上造成的损失。因此，直流输电系统的造价十分高昂。1875年，法国巴黎北火车站建成了世界上第一座火电厂，安装了经过改装的格拉姆直流发电机，为附近地区的照明供电。1879年，美国旧金山实验电厂开始发电，这是世界上最早出售电力的电厂。1882年，美国建成纽约珍珠街电厂，装有6台直流发电机，总容量为900hp（约670kW），以110V直流电供电灯照明，这是世界上第一座较正规的电厂。在此前后，世界各国陆续建成几座容量为兆瓦级的电厂。其中，著名的有伦敦德特福德火电厂，如图1-22所示。
截止到1890年前后，美国已经建有100多座爱迪生发电站，大截面积输电导体的大量使用推动了世界铜价的上涨。1898年，纽约又建立了容量为30000kW的火力发电站，用87台锅炉推动12台大型蒸汽机为发电机提供动力。由于当时直流发电厂的供电范围有限，仅能对一栋房子或一条街道供电，此后建立的中心电厂也仅能供几平方千米内的用户用电。若再扩大供电范围，直流电厂已不能胜任。尽管后来经过多年的发展，通过技术的改进解决了大容量高压直流发电机的问题，使直流发电机发展至能输出电压高达57.6kV，功率为4650kW的电能，从而使输送距离延长至180km。但直流发电和输电系统的发展还是很快达到了技术上的极限，难以再取得新的进展。由焦耳定律可知，若输送相同容量的电能，电压越高，则热损耗就越小。要增加输电距离、增大输电容量，又要减少输电损失，最为有效的办法就是提高输电电压。虽然，当时的直流输电能靠改进发电机提高电压，但当电能输送给用户时，又面临将电压降至负载所能承受电压水平的问题。因此，若要使直流电实现大幅度地升压或降压在当时是难以想象的。同时，用户的电压一般要求在250V以下，直接使用高压既不安全也不经济。
图1-22 伦敦德特福德火电厂
交流发电机和变压器的发明解决了电压升降的难题，输电线路上的电能损失可以通过变压器升压来加以补偿，电能输送距离的限制得到了较好的解决；同时，用户端的电压匹配也可通过合理设计变压器的电压比加以解决。因而，交流输电具有直流输电无法比拟的优越性，交流电力系统开始得到重视的发展。
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