交流电力系统的形成与发展

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：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。

交流输电技术最早获得成功的是俄国的亚布洛契科夫，他在1876～1878年成功试验了单相交流输电技术。1880年前后，英国的费朗蒂改进了交流发电机，并力主采用交流高压输电方式。1882年，英国的高登制造了大型二相交流发电机。同年，法国人高兰德（1850—1888）和英国人约翰·吉布斯获得了“照明和动力用电分配办法”的专利，并成功研制了第一台具有实用价值的变压器。可以说，它是交流输配电系统中的主要设备或心脏部分。变压器的基本结构是铁心和绕组，以及油箱和绝缘套管等部件，它所依据的工作原理是法拉第在1831年发现的电磁感应现象：只要在同一铁心上绕制初级线圈和次级线圈，并在初级线圈中通入交变电流，则电流的不断变化使得产生的磁场也随之不断变化，从而在次级线圈中感应出电动势。变压器依靠这一工作原理，可对发电机的输出电压进行升压，并在用户端实现降压，从而满足了高压交流输电的基本条件。19世纪80～90年代，经过许多电工学家对变压器的不断改进，远距离高压交流输电取得了长足的进步。1885年，英国工程师菲尔安基设计的第一座交流单相发电站建成发电，这座发电站建在距伦敦12km的捷波特弗尔德，发电机功率为1000kW，电压高达2500V，经变压升高到10kV后向伦敦输送。经过几次变压后，用户的供电电压为100V。1888年，由费朗蒂（1864—1930）设计，建设在泰晤士河畔的伦敦大型交流发电站开始输电，其输出电压高达10kV，经两级变压后输送到用户。与此同时，在采用直流输电还是交流输电的问题上也出现了剧烈的争论。当时，在美国电气界最负盛名的大发明家爱迪生和对电气化做出了重要贡献的著名英国物理学家威廉·汤姆森（即开尔文勋爵）以及罗克斯·克隆普顿（1845—1940）等都极力反对采用交流输电，主张发展直流输电方式；而英国的费朗蒂、高登等和美国的威斯汀豪斯、特斯拉、斯普拉戈（1857—1934年）等则力主采用交流输电。这场关于交、直流输电方式的争论，最终以力主交流输电派的取胜而宣告结束。随着交流电逐步替代直流电，爱迪生的公司逐渐陷入困境，最终由摩根将其公司通过合并重组，变成了现在的世界知名电气公司——通用电气。

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。1887—1891年德国电机制造公司取得了三相交流技术的成功。其主要发明者曾是在德国、瑞士工作的俄国电工学家多利沃·多勃罗沃尔斯基。他通过从电动机绕组上每隔120°的三个地方引出抽头，在1889年制成了最早的一台功率为100W的三相交流异步发电机。同年，多勃罗沃尔斯基又开发出了三相四线制交流接线方式，并在1891年的法兰克福输电实验中获得了圆满成功。正是他的发明，人们在电能应用中广泛采用了三相制。1891年，多利沃·多勃罗沃尔斯基在德国法兰克福的电气技术博览会上，成功地进行了远距离三相交流输电实验。他将180km外三相交流发电机发出的电能用8500V的高压输送，输电效率达到75%。在当时的条件下，如此高的传输效率是直流输电所不能办到的。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。随后，美国于1893年也建成了第一座三相交流发电站。由于交流输电的发展和成功，美国当时正在准备建设的尼亚加拉水电站最终决定采用三相交流输电系统。威斯汀豪斯为其公司赢得了这座水电站的承建合同，该座水电站从1891年开始建设，1895年建成，并于1896年开始投入运行。这座发电站的总容量近36750kW。它将发出的两相交流电经斯科特（Scott）变压器变成三相交流电，输送到距离40km外的布法罗市。1894年，俄罗斯建成了当时世界上最大的单相交流发电站，其功率为800kW，由四台蒸汽机提供动力发电。电力的作用已不仅仅是用于照明，而开始成为新兴工业的动力和能源。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。首先是与电力生产有关的行业，如电动机、变压器、绝缘材料、线路器材等电力设备的制造、安装、维修和运行等生产部门；其次是以电作为动力和能源的行业，如照明、电镀、电解、电车、电梯等工业交通部门；另外，还有各种与生产、生活有关的新的电器生产部门也相继出现。这种发展的结果，又反过来促进了发电和高压输电技术的提高。到1903年输电电压达到60kV；第一次世界大战前夕，输电电压达到150kV。

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。三相交流电得以推广和延续使用至今是电力输送及使用过程中技术合理性与节省设备投资的综合平衡结果。其主要原因有如下几点：

1）三相是交流电在不使用辅助设备能够产生稳定旋转磁场的最小相数。

2）三相交流电在相位上互差120°，任意两相之间的线压相等，使其较之单相交流电有很多优点，它在发电、输配电以及电能转换为机械能方面都有明显的优越性。例如，制造三相发电机、变压器都较制造单相发电机、变压器省材料，而且构造简单、性能优良。又如，用同样材料所制造的三相电动机，其容量比单相电动机大50%。另外三相旋转电动机的瞬时功率和瞬时转矩也是恒定的，运转相对比较平稳；在输送同样功率的情况下，三相输电线较单相输电线可节省有色金属25%，而且电能损耗较单相输电时要少。

3）若使用多相交流电（四相以上），则会使发电、输配电及用电环节变得复杂，输电线路也会相应增加，发电机、变压器、电动机等设备也趋于复杂化，增加了制造成本；同时，相间的不平衡所带来的问题会变得更为棘手和严重。

交流电力系统的形成与发展

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