張白帆：交流電和直流電之爭，最後為什麼是交流電勝出！

張白帆(Patrick Zhang)：ABB公司的資深電氣工程師，在知乎網擁有超過17萬粉絲的電氣領域大神。北京地鐵、首都機場T3航站樓、長江三峽永久船閘、上海磁懸浮列車、大亞灣核電站等數百項目中均留下他的足跡！

已出版《低壓成套開關設備的原理及其控制技術》第3版、《老帕講低壓電器技術》等圖書。

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這是一個大眾化的問題！今天讓我們用「偏理論」的方式來回答一下吧！

在回答之前，按照慣例，先來一些基礎知識！我們來分析直流電與交流電的波形，看看有何區別。

從圖1中看到，直流電壓是穩定的，隨著時間的推移，直流電壓的大小和方向都未發生改變。

另外，從圖1中看到交流電壓也是穩定的，但交流電壓的大小和方向隨著時間發生周期性變化。

注意：所謂大小，指的是電壓的幅值。直流電壓的幅值大小始終未發生變化，而在0到T/2半個周期內，交流電壓的幅值大小從零變到最大值，然後再從最大值變到零。從T/2到T的後半個周期內，電壓的方向改變了，它從零開始變到反方向的最大值，然後再變回到零。

為了準確地描述交流電流和交流電壓，我們把圖1中的直流電路密封在保溫箱內，經過了時間t，箱體內的溫度升高到θt。然後我們更換交流電路在箱體內，並且使得箱體的初始溫度與直流電路試驗的初始溫度完全一致。經過了時間t，我們發現兩者的溫度完全一致，都是θt。也即：

於是我們定義，直流電流I的值為交流電流i的有效值。同理，我們定義直流電壓Udc為交流電壓Uac的有效值。

最有意思的是整流後的直流電壓波形，有人認為它是交流電。其實，這也是直流電，準確名稱叫做脈動直流。

所謂直流電，指的就是方向不變的電流或者電壓，並且一定要出現在電能供應的環節中。

至於脈動直流，還有鋸齒波、方波等等，我們把這種脈動的直流叫做電脈衝信號，以區別於直流電。

現在，我們可以展開討論了。

第一：直流電相對交流電，它不存在周期性的變化，顯得更加穩定。

這一點，從圖1中就能明確地看到。

對於半導體電子電路的供電，幾乎沒有例外，都採取直流供電。如若採用交流供電，則必須先行整流濾波，變成穩定的直流電壓後再給電路供電。

下圖是一個典型的單片機電路：

圖2中，交流電源經過整流濾波得到直流電源，然後再經過三端穩壓器（直流穩壓電源）變換，得到合適的直流工作電壓供電路使用。

利用這套方法，不管家用電器也好，工業控制器也好，甚至連我們手上正在使用的手機以及其他的電子設備，它們內部的供電都是直流電。當然，對於移動電子設備，其內部要配套可充電電池，以實現工作的連續性和穩定性。

第二，直流磁路與交流磁路相比更加穩定，重要場合的繼電保護一般均採用直流供電的繼電器。

圖3中，當線圈通電後，鐵芯與銜鐵之間會產生電磁吸力。電磁吸力克服反力彈簧施加的反力，使得銜鐵及觸點系統一起吸附在鐵芯上。當線圈失電後，銜鐵和觸點系統則在反力彈簧作用下返回初始位置。

由於直流電流是穩定的，直流磁通也是穩定的，直流磁勢當然也是穩定的。因此，我們把直流電磁系統叫做恆磁勢系統。

對於直流電來說，這幾個參量都是固定值，因此，直流電的電磁吸力是恆定的。

但對於交流電又會如何？

也就是說，交流磁路的電磁吸力是不穩定的，必須在磁極端面上安裝分磁環，使得磁通過零時它的吸力不為零。儘管如此，交流磁路中鐵芯與銜鐵之間還是會出現交流聲，並且會發熱。

第三，交流電產生的電弧比直流電產生的電弧更加容易熄滅。

左圖是電路圖，我們看到左側的交流電源E。根據基爾霍夫第二定律，我們可以寫出它的微分方程表達式：

在這裡，表達式並不重要。重要的是觸頭開斷後的物理過程。我們設開關K在t=0時刻打開，於是在K的觸頭間出現電弧。

右圖中的U是電源電壓波形，Uh是電弧電壓波形。

電弧其實就是空氣原子被電離，它包括電子和正離子。電子是負離子，質量較輕跑得快，丟失了電子後的原子是正離子，它的質量大跑得慢。

當電壓處於正半周時，右圖中左側設為陽極，右側設為陰極。正離子從陽極出發奔向陰極，負離子則從陰極出發奔向陽極。由於正離子的質量遠遠大於負離子，因而正離子跑得慢，它會在陽極附近產生堆積。

當電壓過零時，氣體的電離過程停止，正負粒子也都停在原位並複合。殘留的正離子堆積在原先的陽極附近。

當電壓進入負半周時，原先的陽極變成陰極，它要發射電子（負離子），然而在陰極附近卻存在正離子的阻擋層，負離子的發射在很短的一段時間內受阻，電弧的重新起燃也受阻。

這種效應叫做交流電弧的近陰極效應。

正是有了近陰極效應，所以用於低壓交流電的各種開關電器，尤其是低壓斷路器，都具有一定程度的電弧限流特性。這種特性對於直流電來說，卻毫無用處，畢竟直流電不存在過零過程。

由此可見，直流電弧的熄滅要比交流電弧的熄滅困難得多。

第四，交流電的電壓變換通過變壓器實現，比直流電更加容易。

變壓器，人盡皆知。

在交流配電網中，用變壓器變換電壓非常方便，這是交流電得到廣泛應用的最主要原因之一。

關於變壓器，有一個很重要的值，就是4.44。這個常數的來源幾乎成了職場新人入職首日必考的內容。我來簡單解釋一下：

變壓器的一次迴路感應電動勢Em有如下關係：

圖5是某醫院的配電系統圖。我們看到TN-S的配電網中用變壓器變換為IT接地系統，為手術室供電。如此一來，手術室中哪怕發生了單相接地故障，也不會因此而停電，系統可以繼續運行。

這種做法，直流電系統中是無法實現的。

第五，交流電驅動的三相鼠籠式電動機結構簡單、性能穩定且工作可靠，比直流電動機更容易控制，得到廣泛的運用，由此促進了交流電的廣泛運用。

在我的書《低壓成套開關設備的原理及其控制技術》表1-22「電動機機械特性」中有如下內容：

電動機的轉矩T與頻率f1成反比。由此我們可以用變頻器來對電機實現調速，非常方便。

早先還沒有變頻器時，直流電動機的調速性能優於交流電動機，那時不得不在交流配電網中構建直流系統，用以驅動直流電動機。變頻器出現後，這種現象幾乎絕跡了。

看來，在電能的輸送、配電和用電中，還是交流電好。

第六，交流電驅動的照明燈具，例如日光燈，使用非常普遍，比直流電驅動的照明燈具要方便得多，這也是交流電被廣泛使用的原因之一。

圖6是日光燈電氣原理圖。我把日光燈的工作原理簡單地描述一下：

1)當電源接通後，我們看到燈管內是沒有通路的，所以220V電壓就會通過A端和B端的燈絲連接到氖泡Ne上。氖泡內的氖氣擊穿電壓大約在150V到200V之間，現在氖泡兩極之間載入的電壓是220V，所以氖氣被擊穿進入輝光區域，並且持續發熱。發熱使得氖泡內的雙金屬片電極接觸到一起，氖泡電壓降瞬間變為零，氖泡內的氖氣放電停止，溫度迅速下降，雙金屬片電極打開。

2)當氖泡內的雙金屬片電極打開後，線路斷開，電流減小到零。鎮流器M中的電感產生反向電動勢，反向電動勢e=-Ldi/dt，因為di/dt的值較大，因而反向電動勢大約在1500V到2000V之間。

此電壓載入在燈管A燈絲與B燈絲之間，使得燈管中的氣體被擊穿，日光燈管內的氣體進入正常的輝光放電狀態，其電壓迅速下降到110V~150V。此時鎮流器起到穩定電流的作用。

由於燈管壓降小於氖泡氣體的擊穿電壓，因此氖泡不再工作。

這是在交流電源下日光燈管的工作過程。

如果把電源換成220V直流電，又會怎樣呢？

在直流電源下，氖泡的工作過程和燈管被擊穿的過程與交流電源一致。當系統進入正常運行狀態時，由於是直流電壓電感起不到鎮流作用，燈光電壓較高，氖泡將再次擊穿。

注意到氖泡的放電與燈管的放電是並聯關係。因為燈管放電屬於長弧放電，它的功耗大於氖泡放電的短弧，所以燈管放電會熄滅。燈管熄滅後，氖泡會再次點燃它，然後燈管再次熄滅，燈管進入到點燃-熄滅-再次點燃-再次熄滅的循環狀態。

可見，直流電是無法讓日光燈正常工作的，日光燈只能用於交流電供電的場所。

注意，氖泡的放電影響到燈管的放電，可以類推到本文中第3部分直流電路的滅弧。

在直流電路中將兩個電弧並聯，則較強的電弧將被抑制，甚至熄滅。這種方法是很常見的直流電弧熄滅法。

圖中的H1是主弧隙，我們想像它就是斷路器的主觸頭，H2是與H1並聯的輔助弧隙。輔助弧隙H2串聯了電阻Rh。

當主觸頭和輔助觸頭分開後，線路中出現了兩個弧隙H1和H2。由於輔助弧隙H2影響到主弧隙H1，所以H1中的電弧會加快熄滅。當H1電弧熄滅後，電弧電流轉入到H2弧隙中。由於受到H2串聯的電阻Rh的影響，H2中的電弧也接著熄滅。這樣處理後，可以有效地抑制電感L產生的開斷過電壓。

簡單地說了6條，我們可以看出，「到底是交流電好還是直流電好」，這個問題不能簡單地下結論，一定要結合實際運用才能得到結果。

在電能傳輸和配電方面，交流電已經處於絕對優勢地位。在電子線路的供電方面，直流電處於絕對優勢地位。

應當看到，在電力輸送方面，直流超高壓輸送電正在發展中，指不定哪一天直流輸送電也會成為現實，也是很難說的。

END

本文由張白帆老師授權發表，轉載請聯繫小編。

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