直流电

图示：直流电压波形示意图

　　“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，它是由爱迪生发现的。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。

　　实际上所有的电子和计算机硬件都需要直流电来工作。大多数的固态设备都需要从1.5到13.5伏特范围的电压。对电流的需求范围从电子手表中接近于0到无线通信能源放大器需要的超过100安培。使用真空管的设备，例如高能无线广播或者电视广播传输器或者阴极射线管(CRT)显示，都需要大约150伏特到几千伏特的直流电。

　　在大多数国家，从设备中流出的电流是交流(AC)的。交流电可以被转换为直流电，通过由转换器、整流器(阻止电流反方向流动)，以及过滤器(消除整流器流出的电流中的跳动)组成的电源。

图示：直流电路示意图

01电流

　　直流电路中：

　　电流的实际方向：规定为正电荷运动的方向。

02电位

　　电场力将单位正电荷从电路的某一点移至参考点时所消耗的电能；

　　参考点的电位为0；

　　直流电路中电位用V表示，单位为伏【特】(V);

　　参考点选择：

　　选大地为参考点：

　　选元件汇集的公共端或公共线为参考点：

03电压

　　电场力将单位正电荷从电路某一点移至另一点时所消耗的电能；

　　电压就是电位差；

　　直流电路中电压用U表示，单位为伏【特】(V)；

　　Us是电源两端的电压，Ul是负载两端的电压。

04电动势

　　电源中的局外力(非电场力)将单位正电荷从电源负极移至电源正极时所转换而来的电能称为电源的电动势;

　　符号：E或e，单位：V；

　　电动势的实际方向：由地电位指向高电位。

05电功率

　　单位时间内所转换的电能；

　　符号：P(直流电源)；

　　单位：W；

　　电源产生的功率：PE=E*I；

　　电源输出的功率：PUs=Us*I；

　　负载取用的功率：PL=UL*I。

06电能

　　定义：在时间t内转换的电功率称为电能：W=Pt；

　　符号：W(直流电路)；

　　单位：J；

　　单位转换：千瓦时(KW.h)；

　　1千瓦时为1度电，1KW.h=3.6*10^6J。

01交流电

　　交流电定义：强度与方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流电。电流的方向、大小会随时间改变。发电厂的发电机是利用动力使发电机中的线圈运转，每转180°发电机输出电流的方向就会变换一次，因此电流的大小也会随时间做规律性的变化，此种电源就称为"交流电源"。简记为AC，如：家用电源。

　　交流电是用交流发电机发出的，在发电过程中，多对磁极是按一定的角度均匀分布在一个圆周上，使得发电过程中，各个线圈就切割磁力线，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。

02直流电

　　直流电则是电流方向不随时间做周期性变化的电流。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。

03交流电、直流电对比

　　电网公司一般使用交流电方式送电，但有高压直流电用于远距离大功率输电、海底电缆输电、非同步的交流系统之间的联络等。高压直流输电方式与高压交流输电方式相比，有明显的优越性。历史上仅仅由于技术的原因，才使得交流输电代替了直流输电。

　　下面先就交流电和直流电的主要优缺点作出比较，从而说明它们各自在应用中的价值。交流电的优点主要表现在发电和配电方面：利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能(水流能、风能……)、化学能(石油、天然气……)等其他形式的能转化为电能;交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉;交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便。这是交流电与直流电相比所具有的独特优势。直流电的优点主要在输电方面：

　　(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～l/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，在输电线载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)直流输电输送容量大,输送功率的大小和方向可以快速控制和调节。

　　(6)直流输电可分期建设，分期投入运行，先建一极，并与大地和海水构成回路，待负荷增大后，再建另一极,相应可以更快的收回投资成本，优势非常明显。

　　(7)直流输电网不存在交流输电网固有的稳定问题。现有交流大电网存在安全稳定性问题，具有间歇性和波动性特点的可再生能源大量接入电网后，电网的安全稳定性、输送能力的提升、双向功率流动与控制等都将面临更大的挑战。如果仍然以交流模式为主导，则电网的不可预知性和安全稳定性问题将会更加突出。