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直流电(物理)

“直流电”(Direct Current,简称DC),又称“恒流电”,恒定电流是直流电的一种,是大小和方向都不变的直流电,1747年,美国的富兰克林根据实验提出电荷守恒定律,并且定义了正电和负电的术语。

恒定电流是指大小(电压高低)和方向(正负极)都不随时间(相对范围内)而变化,比如干电池。脉动直流电是指方向(正负极)不变,但大小随时间变化,比如:我们把50Hz的交流电经过二极管整流后得到的就是典型脉动直流电,半波整流得到的是50Hz的脉动直流电,如果是全波或桥式整流得到的就是100Hz的脉动直流电,它们只有经过滤波(用电感或电容)以后才变成平滑直流电,当然其中仍存在脉动成分(称纹波系数),大小视滤波电路的滤波效果。

1、输送相同功率时,直流输电所用线材仅为交流输电的2/3~1/2 .

直流输电采用两线制,以大地或海水作回线,与采用三线制三相交流输电相比,在输电线截面积相同和电流密度相同的条件下,即使不考虑趋肤效应,也可以输送相同的电功率,而输电线和绝缘材料可节约1/3.

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、架空线的电晕损耗等),输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线的截面积的1.33倍.因此,直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半.同时,直流输电杆塔结构也比同容量的三相交流输电简单,线路走廊占地面积也少.

2、在电缆输电线路中,直流输电没有电容电流产生,而交流输电线路存在电容电流,引起损耗.

在一些特殊场合,必须用电缆输电.例如高压输电线经过大城市时,采用地下电缆;输电线经过海峡时,要用海底电缆.由于电缆芯线与大地之间构成同轴电容器,在交流高压输电线路中,空载电容电流极为可观.一条200kV的电缆,每千米的电容约为0.2μF,每千米需供给充电功率约3×103kw,在每千米输电线路上,每年就要耗电2.6×107kw/h.而在直流输电中,由于电压波动很小,基本上没有电容电流加在电缆上.

3、直流输电时,其两侧交流系统不需同步运行,而交流输电必须同步运行.交流远距离输电时,电流的相位在交流输电系统的两端会产生显著的相位差;并网的各系统交流电的频率虽然规定统一为50HZ,但实际上常产生波动.这两种因素引起交流系统不能同步运行,需要用复杂庞大的补偿系统和综合性很强的技术加以调整,否则就可能在设备中形成强大的循环电流损坏设备,或造成不同步运行的停电事故.在技术不发达的国家里,交流输电距离一般不超过300km而直流输电线路互连时,它两端的交流电网可以用各自的频率和相位运行,不需进行同步调整.

4、直流输电发生故障的损失比交流输电小.两个交流系统若用交流线路互连,则当一侧系统发生短路时,另一侧要向故障一侧输送短路电流.因此使两侧系统原有开关切断短路电流的能力受到威胁,需要更换开关.而直流输电中,由于采用可控硅装置,电路功率能迅速、方便地进行调节,直流输电线路上基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流,故障侧交流系统的短路电流与没有互连时一样.因此不必更换两侧原有开关及载流设备.

5、稳恒的直流电不产生电磁辐射,由于只产生电场不产生交变磁场,即使是超高压直流电,它也只是电场强到使空气电离而发光,此时的光辐射是空气电离发出的,并不是导线,不产生电磁波。所谓的电磁辐射就是能量以电磁波形式从辐射源发射到空间的现象。电流在导体内的流动会产生电场,电流在导体内变化会产生磁场,因此辐射出去的叫电磁波。

在直流输电线路中,各级是独立调节和工作的,彼此没有影响.所以,当一极发生故障时,只需停运故障极,另一极仍可输送不少于一半功率的电能.但在交流输电线路中,任一相发生永久性故障,必须全线停电.

直流电所通过的电路称直流电路,是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。在该直流电路中,形成恒定的电场。在电源外,正电荷经电阻从高电势处流向低电势处,在电源内,靠电源的非静电力的作用,克服静电力,再从低电势处到达高电势处,如此循环,构成闭合的电流线。所以,在直流电路中,电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势,为在电阻上消耗的焦耳热补充能量。

在比较简单的直流电路中,电源电动势、电阻、电流以及任意两点电压之间的关系可根据欧姆定律及电动势的定义得出。复杂的直流网络可根据G.R.基尔霍夫方程组求解。它包括节点电流方程和回路电压方程两部分,前者指出,对于任一节点(3个或3个以上支路的交点),流入和流出节点的各电流的代数和为零,这是恒定条件的要求,后者指出,对于任一闭合回路(网格),各部分电压降的代数和为零,这是静电场环路定理的结果,两者构成了完备的方程组。

测量直流电路中电流、电压、电阻、电源电动势等物理量的仪表称为直流仪表。常用的有灵敏电流表(G表),电流表,伏特计,电桥,电势差计等。

直流电源有化学电池,燃料电池,温差电池太阳能电池直流发电机等。利用直流电,还可以进行水的电解实验。将负极插入水中,可以使水电解为氢气,正极则使水电解为氧气。

在电力传输上,19世纪80年代以后,由于不便于将直流电低电压升至高电压进行远距离传输,直流输电曾让位于交流输电。20世纪60年代以来,由于采用高电压、大功率变流器将直流电变为交流电,直流输电系统又重新受到重视并获得新的发展。

直流电主要应用于各种电子仪器,电解,电镀,直流电力拖动等方面。

发电站的供电范围也很有限,而且主要用于照明,还未用作工业动力。例如,1882年爱迪生电气照明公司(创建于1878年)在纽约建立了第一座发电站,安装了三台110伏“巨汉”号直流发电机,这是爱迪生于1880年研制的,这种发电机可以为1500个16瓦的白炽灯供电。

但是随着科学技术和工业生产发展的需要,电力技术在通信、运输、动力等方面逐渐得到广泛应用,社会对电力的需求也急剧增大。由于用户的电压不能太高,因此要输送一定的功率,就要加大电流(P=IU)。而电流愈大,输电线路发热就愈厉害,损失的功率就愈多;而且电流大,损失在输电导线上的电压也大,使用户得到的电压降低,离发电站愈远的用户,得到的电压也就愈低。直流输电的弊端,限制了电力的应用,促使人们探讨用交流输电的问题。爱迪生虽然是一个伟大的发明家,但是他没有受过正规教育,缺乏理论知识,难以解决交流电涉及到的数学运算,阻碍了他对交流电的理解,所以在交、直流输电的争论中,成了保守势力的代表。爱迪生认为交流电危险,不如直流电安全。他还打比方说,沿街道敷设交流电缆,简直等于埋下地雷。并且邀请人们和新闻记者,观看用高压交流电击死野狗、野猫的实验。那时纽约州法院通过了一项法令,用电刑来执行死刑。行刑用的电椅就是通以高压交流电,这正好帮了爱迪生的大忙。在他的反对下,交流电遇到了很大的阻碍。

但是为了减少输电线路中电能的损失,只能提高电压。在发电站将电压升高,到用户地区再把电压降下来,这样就能在低损耗的情况下,达到远距离送电的目的。而要改变电压,只有采用交流输电才行。1885年,由费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电。他用钢皮铜心电缆将1万伏的交流电送往相距10公里外的市区变电站,在这里降为2500伏,再分送到各街区的二级变压器,降为100伏供用户照明。以后,俄国的多利沃多布罗沃斯基又于 1889年最先制出了功率为100瓦的三相交流发电机,并被德国、美国推广应用。事实成功地证实了高压交流输电的优越性。并在全世界范围内迅速推广。

磁力线,由于具有多对磁极,每对磁极产生的磁力线被切割产生的电压、电流都是按弦规律变化的,所以能够不断的产生稳定的电流。国内交流电的频率一般是50赫兹,即每秒变化50次.有些国家交流电的频率是60赫兹,即每秒变化60次.当然也有其它频率.如电子线路中有方波的、三角形的等,但这些波形的交流电不是导体切割磁力线产生的,而是电容充放电、开关晶体管工作时产生的。

直流电的方向则不随时间而变化。通常又分为脉动直流电和稳恒电流。脉动直流电中有交流成分,如彩电中的电源电路中大约300伏左右的电压就是脉动直流电成分可通过电容去除。稳恒电流则是比较理想的,大小和方向都有不变。

直流屏

直流屏通用名为智能免维护直流电源屏,简称直流屏,通用型号为GZDW。简单地说,直流屏就是提供稳定直流电源的设备。(在输入有380V电源时直接转化为220V,在输入(市电和备用电)都无输入时,直接转化为蓄电池供电直流220V:实际上也可以说是一种工业专用应急电源)。发电厂和变电站中的电力操作电源现今采用的都是直流电源,它为控制负荷和动力负荷以及直流事故照明负荷等提供电源,是当代电力系统控制、保护的基础。直流屏由交配电单元、充电模块单元、降压硅链单元、直流馈电单元、配电监控单元、监控模块单元及绝缘监测单元组成。主要应用于电力系统中小型发电厂、水电站、各类变电站,和其他使用直流设备的用户(如石化、矿山、铁路等),适用于开关分合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护和故障照明等场合。

直流屏技术指标

1) 交流测量精度:220V及380V±15% 范围内 ≤ 1.0 %

2) 直流测量精度:控母电压: 110V~240V范围内 ≤ 0 .5%  合母电压: 286V~198V范围内 ≤ 0.5%  充电电压: 286V~198V范围为 ≤ 0.5%  电池电压: 12.5V±10%范围为 ≤ 0.5%  控母、充电电流: 10%Ie~100%Ie范围内 ≤ 0.5%

3) 充电控制参数:调压口输出电压(DC):0 ~ 8.0V受控 (100mA)

4) 温度检测:1路电池室温度 -40℃~125℃  109路电池温度巡检 -55℃~125℃

5) 电池在线检测: 256路 直流屏原理图

6) 绝缘在线检测: 8~64路,可定制

7) 支路开关状态检测: 8~64路

8) 硅链控制: 5级

9) 故障记录: 64条

10) 继电器触点:220V / 2A


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