廖申雪，文勵洪

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

淺論家居直流供電的必要性

廖申雪，文勵洪

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

直流輸電方式比較交流輸電方式有明顯的優(yōu)越性，歷史上僅僅由于技術(shù)的原因，才使得交流輸電代替了直流輸電。近年來，我國在特高壓直流輸電領(lǐng)域已走在了世界前列，直接直流供電方式也在逐步推廣應(yīng)用，很多數(shù)據(jù)中心導(dǎo)入了直流供電，獲得了顯著的經(jīng)濟效益。以直流方式進行家庭供電，對用戶也很有利。本文對家居直流供電的必要性及其標準化進行了探討，闡述了直流供電的特點和優(yōu)勢，并展望了建筑直流供電技術(shù)的發(fā)展前景。

高壓直流輸電技術(shù)；直流供電；直流家居；直流儲能

1 概述

交流供電、直流供電孰優(yōu)孰劣之爭可追溯到19世紀80年代，著名發(fā)明家愛迪生（Thomas Alva Edison）為了向白熾燈等供電，曾提出直流供電方式。但是，特斯拉（Nikola Tesla，其人名被用于磁通量密度單位）和美國西屋電氣（Westinghouse Electric）提出的交流供電方案最終成為全球標準，僅僅是由于當(dāng)時交流供電方式在長距離大規(guī)模送電時可輕松升降電壓，而直流不能變壓，所以采用了交流供電。然而，時光流轉(zhuǎn)百年之后，在短距離送電用途以及廉價使用高效DC-DC轉(zhuǎn)換器成為現(xiàn)實的推動下，直流供電重新引起了人們的關(guān)注。特別是近代電力電子技術(shù)的發(fā)展使得DC-DC升降壓具有和交流變壓同等的實用，且更有優(yōu)勢，其實我們身邊的電氣產(chǎn)品已大都是直流或者是交-直-交供電，直接由直流供電可減少一次交-直變換過程，使得供配電更節(jié)能，直流供電已成為當(dāng)前及將來的趨勢。

2 直流供電的優(yōu)勢

2.1 交流、直流供電的對比

2.1.1 輸送相同功率時，直流輸電所用線材僅為交流輸電的2／3～l／2。

直流輸電可以采用兩線制，以大地或海水作回線，與采用三線制三相交流輸電相比，在輸電線截面積相同和電流密度相同的條件下，即使不考慮趨膚效應(yīng)，也可以輸送相同的電功率，而輸電線和絕緣材料可節(jié)約1／3。

我們知道，當(dāng)交流電流在導(dǎo)體上流動時，由于交流電流產(chǎn)生的電磁場力對電荷的推斥作用，電荷將趨向于在導(dǎo)體的表層流動，這種現(xiàn)象稱之為電流的趨膚效應(yīng)。交流電流的趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的導(dǎo)線實際有效載流面積的減小，其對電流的電阻也相應(yīng)的增大:

式中：Rf：考慮趨膚效應(yīng)后的導(dǎo)線電阻Ω

ρ：電工用純銅導(dǎo)線的電阻系數(shù)p=0.01749Ωm/ mm2（at20°C）

L：導(dǎo)線的長度m

r：圓純銅導(dǎo)線的半徑mm

f：電流頻率Hz

由于電流的趨膚效應(yīng)，導(dǎo)致載流導(dǎo)體溫度明顯上升，如下表所示：

表1 載流銅圓導(dǎo)線的溫升（概算，參考）

導(dǎo)線實效載流面積：20℃時導(dǎo)線直流電阻：趨膚效應(yīng)電阻：載流密度：銅損：總銅損：導(dǎo)線的散熱面積：單位表面積需要耗散的功率：導(dǎo)線表面的估計溫升：Sf1= Rd= Rf1= Jf1= Pf1= Px= St= Wx= Δt= 2.926 0.05570 0.05977 3.42 5.977 11.547 628.0000 0.0184 16.0 Sf2=3.140mm2Rf2= Jf2= Pf2= 0.05570 3.18 5.570 Ω Ω A/mm2VA VA cm2VA/ cm2℃

表2 熱態(tài)溫升估算

經(jīng)驗告訴我們，趨膚效應(yīng)加上各種損耗（絕緣材料的介質(zhì)損耗、磁感應(yīng)的渦流損耗、架空線的電暈損耗等），輸送同樣功率交流電所用導(dǎo)線截面積大于或等于直流輸電所用導(dǎo)線的截面積的1.33倍．因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半．同時，直流輸電桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電簡單，線路走廊占地面積也少。

2.1.2 在電纜輸電線路中，直流輸電沒有電容電流產(chǎn)生，而交流輸電線路存在電容電流引起的損耗。

城市地下交流電纜線路在同樣的電壓下，每公里的電容電流為架空線25倍（三芯電纜）或者50倍（單芯電纜），近似電容電流計算Ic公式如下：

上述的計算公式主要適用于油浸紙電力電纜，對目前采用的聚氯乙烯絞聯(lián)電纜每公里對地的電容電流，根據(jù)廠家提供的參數(shù)和現(xiàn)場實測檢驗約增大20％左右。

表36 -35kV油浸紙電纜電容電流計算（經(jīng)驗數(shù)據(jù)表）

表4 10kV交聯(lián)聚氯乙烯絕緣電力電纜接地電容電流計算

在一些特殊場合，必須用電纜輸電。例如高壓輸電線經(jīng)過大城市時，需采用地下電纜；輸電線經(jīng)過海峽時，要用海底電纜。由于電纜芯線與大地之間構(gòu)成同軸電容器，在交流高壓輸電線路中，空載電容電流極為可觀。一條200kV的電纜，每千米的電容約為0.2μF，每千米需供給充電功率約為3×10.3kw，在每千米輸電線路上，每年就要耗電270kw·h。而在直流輸電中，由于電壓波動很小，基本上沒有電容電流加在電纜上。

2.1.3 直流輸電時，其兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運行，而交流輸電必須同步運行。交流遠距離輸電時，電流的相位在交流輸電系統(tǒng)的兩端會產(chǎn)生顯著的相位差，并網(wǎng)的各系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定統(tǒng)一為50HZ，但實際上常產(chǎn)生波動。這兩種因素引起交流系統(tǒng)不能同步運行，需要用復(fù)雜龐大的補償系統(tǒng)和綜合性很強的技術(shù)加以調(diào)整，否則就可能在設(shè)備中形成強大的循環(huán)電流損壞設(shè)備，或造成不同步運行的停電事故。在技術(shù)不發(fā)達的國家里，交流輸電距離一般不超過300km。而直流輸電線路互連時，它兩端的交流電網(wǎng)可以用各自的頻率和相位運行，不需進行同步調(diào)整，只需控制電壓相等即可并網(wǎng)。特別是像日本，東西部電網(wǎng)不同頻，最好用直流聯(lián)網(wǎng)供電。

④直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小。兩個交流系統(tǒng)若用交流線路互連，當(dāng)一側(cè)系統(tǒng)發(fā)生短路時，另一側(cè)要向故障一側(cè)輸送短路電流。因此使兩側(cè)系統(tǒng)原有開關(guān)切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開關(guān)。而直流輸電中，由于可采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進行調(diào)節(jié)，直流輸電線路上基本上不向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送短路電流，故障側(cè)交流系統(tǒng)的短路電流與沒有互連時一樣，因此不必更換兩側(cè)原有開關(guān)及載流設(shè)備。

在直流輸電線路中，各極可以是獨立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒有影響。所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時，只需停運故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能。但在交流輸電線路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線停電。

在遠距離特高壓直流電力輸送方面，從上世紀末，蘇聯(lián)、歐美、日本已開展了特高壓研究，但均無商業(yè)運行項目。20世紀80年代，我國也進行過技術(shù)探索，但國外核心資料一直對中國保密。我國電力系統(tǒng)的科技人員以后來者居上的勇氣獨自開發(fā)和完善了我國的特高壓直流電力輸送技術(shù)，引領(lǐng)了特高壓直流電力輸送的潮流。1989年，我國第一條特高壓直流輸電線路“葛洲壩—上?！?00 kV直流輸電工程”經(jīng)過驗收，拉開了我國特高壓直流輸電帷幕，到目前世界上輸送容量最大、送電距離最遠、電壓等級最高的直流輸電工程“四川錦屏——江蘇蘇南±800kV特高壓直流工程”全面完成系統(tǒng)調(diào)試和試運行，2012年12月12日正式投入商業(yè)運行，標志著中國已占據(jù)了特高壓直流輸電領(lǐng)域的世界頂峰。由湖北超高壓公司王國滿、杜勇等技術(shù)人員編寫的《±800kV直流架空輸電線路檢修規(guī)程》，已由國家能源局正式發(fā)布并出版，成為中華人民共和國電力行業(yè)標準，標準編號DL/T251-2012，于2012年7月1日正式施行。

2.2 市電直流化

在高壓直流供配電方面，我國也走在了世界前列，《通信用240V直流供電系統(tǒng)》行業(yè)標準已于2012年2月1日正式實施，這意味著近兩年在通信業(yè)發(fā)展迅速的高壓直流供電進入“標準化”時代。到2012年6月底，中國電信全網(wǎng)用高壓直流電源（240V）系統(tǒng)數(shù)已達到450個，直流總?cè)萘砍^24萬安培，功率為70000KW，相當(dāng)于交流UPS容量85000KVA的供電能力。使用直流電源（240V）的IT設(shè)備已超過80000臺，應(yīng)用范圍分布于20多個?。▍^(qū)、市）74個地區(qū)，今后3-5年會在上年的數(shù)量基礎(chǔ)上每年有20％-30％的增長幅度。2012年年底江蘇移動集采了20套中等容量的高壓直流系統(tǒng)，2013年年初上海移動集采了25套大容量高壓直流系統(tǒng)；中國聯(lián)通開始了多處試點應(yīng)用，今年正在策劃規(guī)模推廣；

騰訊目前有超過萬臺服務(wù)器應(yīng)用在高壓直流供電環(huán)境，在設(shè)計和即將投產(chǎn)規(guī)模預(yù)計超過10萬臺。

在中國電信使用的高壓直流（HVDC）系統(tǒng)中，有九個廠家（中恒電氣、艾默生、中達電通、伊頓、動力源、奧特迅、中博、武漢鴻飛、豐日）提供了相關(guān)產(chǎn)品，其中中恒電氣、艾默生、中達電通占據(jù)了較大的份額。

杭州中恒電氣股份有限公司極為看重HVDC業(yè)務(wù)，在其通信和電力兩大市場，視HVDC為支撐公司長期增長的核心動力，將HVDC作為其發(fā)展、投資方向，中恒電氣自稱為高壓直流（HVDC）的領(lǐng)跑者，將其和艾默生視為HVDC行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，

下圖為杭州中恒電氣股份有限公司HVDC產(chǎn)品以及工作原理:

圖1 DC240V高壓直流（HVDC）電源設(shè)備

圖2 DC240V高壓直流（HVDC）電源工作原理

圖3 DC240V高壓直流（HVDC）電源與UPS比較

不過，在中低壓直流供配電方面，特別是直流家居供電方面還沒有標準，很多專家、學(xué)者都在呼吁，直流家居供配電標準應(yīng)該盡快出臺。

在當(dāng)前的技術(shù)條件下，直流供電和交流供電系統(tǒng)最大的優(yōu)勢首先還在于儲能上，現(xiàn)有技術(shù)交流電儲能困難，只有直流電可以以電能的方式直接儲存（蓄電池、超級電容等），而且很多新能源所直接產(chǎn)生的電能也是直流電源為主（特別是光伏發(fā)電）。其次是交流供電系統(tǒng)不適合分布式電源接納，所以不能滿足未來的新能源發(fā)展趨勢。

以直流方式進行家庭供電，大家都是積極和歡迎的。在家庭中，如果能夠直接由直流供電（或使用高效AC-DC轉(zhuǎn)換器將交流電統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成直流電），便可減少以往由低效AC適配器進行轉(zhuǎn)換時的能量損耗。另外，還有望省去在插座上插多個AC適配器。僅交流改直流供電一項便可將能量轉(zhuǎn)換損失減少兩成，如果能夠開發(fā)出直流的標準插座，便可在個人電腦、手機、數(shù)碼相機、游戲機及音樂播放器等電器之間通用，用一根連線實現(xiàn)便攜。

直流供電的導(dǎo)入開始加快的原因還有一個。那就是太陽能電池的迅速普及。如果太陽能電池導(dǎo)入順利，那么家庭及企業(yè)希望直接利用光伏陣列所發(fā)電力的需求也將隨之?dāng)U大。

3 直流供電深圳應(yīng)該先行先試

作為中國改革開放的排頭兵，深圳市政府完全有能力、也應(yīng)該率先出臺“直流家居供電”這樣一個標準，先行先試。

2012年9 月，深圳幾個相關(guān)科技合作單位，對某住宅小區(qū)科技應(yīng)用項目（含“家居直流供配電項目”）正式立項啟動，經(jīng)過不到一年的時間，該項目已完成了大部分預(yù)定的目標，充分顯示了住宅小區(qū)科技應(yīng)用的示范性。

2013年8月30 日，項目相關(guān)合作單位，舉行了對該項目的現(xiàn)場合同辦公會議。會議肯定了該項目進展順利，協(xié)調(diào)處理了一些具體工程問題，并明確提出了進一步深化該項目的任務(wù)。

為此，該項目的現(xiàn)場合同辦公會議，進一步明確提出了深化該項目的具體任務(wù)，以達到更好的示范效果，還對深化內(nèi)容提出了具體、明確的規(guī)劃。其中特別要求項目相關(guān)合作單位能為直流家居的供電標準多做貢獻，以標準化帶動產(chǎn)業(yè)化，進而以產(chǎn)業(yè)化推動實用化。各相關(guān)單位一致認為，在直流家居供電方面深圳應(yīng)該先行先試，先行一步。

十八屆五中全會不久前落幕，“十三五”規(guī)劃，已經(jīng)勾勒出中國未來5年發(fā)展的宏偉藍圖，十三五規(guī)劃中講到，到2020年，我國要全面實現(xiàn)小康，那么小康社會的住宅不應(yīng)該只是為市民簡單的提供住房，而應(yīng)該努力開發(fā)出綠色環(huán)保具有高科技家居環(huán)境的舒適住宅。直流家居、智能家居必然在此進程中得到很大的應(yīng)用，進而引導(dǎo)民生潮流。

4 家居直流供電電壓標準初探

為了滿足室內(nèi)直流電源供配電的需要，根據(jù)我國目前家用電器的實際情況，我們經(jīng)過詳盡的研究對比后，初步擬對室內(nèi)直流供配電線路分為3個電壓等級，即：DC240V，DC24V，DC5V，分別適應(yīng)于：

1、大功率電器（100W以上，如空調(diào)、洗衣機、冰箱等）用240V；

DC240V符合通信電源當(dāng)前標準電壓等級，實際AC220V整流直接獲得的DC電壓峰值為310V，所以即使將DC240V定為標準供電電壓，為適應(yīng)交流-直流供電的過渡期的需要，所有大功率電器也必須可以在DC310V下可以正常工作。

2、中功率電器（10-100W，如LED照明、智能窗簾、通訊設(shè)備等）用24V；

3、小功率電器（10W以下，如手機充電器、音樂播放器、兒童玩具等）用5V。

根據(jù)初擬標準，我們對深圳某住宅小區(qū)進行了供配電設(shè)計，直流到戶，下篇將論述設(shè)計及運行情況。

5 結(jié)束語

今天因為科學(xué)技術(shù)的進步，特別是電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)電源、直流無刷電機的興起，交流供電的優(yōu)勢已經(jīng)不復(fù)存在。直流傳輸損耗低，DC/DC轉(zhuǎn)換器效率大大高于50Hz（或60Hz）交流變壓器，而能直接儲存電能的設(shè)備——蓄電池，無一不是直流輸入/輸出的……，因而我們不妨思考一下交流供電將來會如何發(fā)展？而相對于優(yōu)勢明顯的直流供電，現(xiàn)階段我們又應(yīng)該做點什么？當(dāng)有一天，我們所有的電器都能在直流下工作時，我們還有必要采用低效的交流供電模式嗎？

[1]國家能源局．DL/T251-2012±800kV直流架空輸電線路檢修規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2012：2.

[2]中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司組，廣東電網(wǎng)公司.高壓直流輸電基礎(chǔ)[M]．北京：中國電力出版社，2010：1．

[3]韓民曉.高壓直流輸電原理與運行[M].機械工業(yè)出版社，2010．

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[5]張一工，肖湘寧.現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2009：3．

[6]全國聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃深化研究工作組.全國聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃研究總體報告[R].2003：4．

[7]張科峻.10～35千伏不接地系統(tǒng)電容電流測試方法研究[J].電氣自動化，2014（2）.

[8]盧秋朋.傳輸線中趨膚效應(yīng)的介紹及仿真[J].電子測量技術(shù)，2015（6）.

【責(zé)任編輯：吳躍新】

Necessity of DC Power Supply to Ordinary Residence

LIAO Shen-xue，WEN Li-hong
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenzhen Polytechnic，Shenzhen 518055，Guangdong China）

DC transmission mode has obvious advantages in comparison to AC transmission mode，which，only due to technical reasons，makes AC transmission instead of DC transmission.In recent years，China has been in the forefront of the world in the field of high voltage direct current transmission，and direct current power supply is also gradually spread，many data centers into the DC power supply，and access to significant economic benefits.It is also very favorable to the users in the form of direct power supply.In this paper，the necessity and the standardization of the DC power supply to ordinary residence are discussed，the characteristics and advantages of the DC power supply are described，and the development prospects of the building DC power supply technology are outlooked.

high voltage direct current transmission technology；DC power supply；DC home；DC energy storage

TM721.1

A

1671-5934（2016）03-0065-05

2016-04-22

廖申雪（1963-），男，湖南衡陽人，講師，研究方向為建筑電氣技術(shù)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)等。