张白帆：交流电和直流电之争，最后为什么是交流电

Answer 1

在回答之前，按照惯例，先来一些基础知识！我们来分析直流电与交流电的波形，看看有何区别。

从图1中看到，直流电压是稳定的，随着时间的推移，直流电压的大小和方向都未发生改变。

另外，从图1中看到交流电压也是稳定的，但交流电压的大小和方向随着时间发生周期性变化。

注意：所谓大小，指的是电压的幅值。直流电压的幅值大小始终未发生变化，而在0到T/2半个周期内，交流电压的幅值大小从零变到最大值，然后再从最大值变到零。从T/2到T的后半个周期内，电压的方向改变了，它从零开始变到反方向的最大值，然后再变回到零。

为了准确地描述交流电流和交流电压，我们把图1中的直流电路密封在保温箱内，经过了时间t，箱体内的温度升高到θt。然后我们更换交流电路在箱体内，并且使得箱体的初始温度与直流电路试验的初始温度完全一致。经过了时间t，我们发现两者的温度完全一致，都是θt。也即：

于是我们定义，直流电流I的值为交流电流i的有效值。同理，我们定义直流电压Udc为交流电压Uac的有效值。

最有意思的是整流后的直流电压波形，有人认为它是交流电。其实，这也是直流电，准确名称叫做脉动直流。

所谓直流电，指的就是方向不变的电流或者电压，并且一定要出现在电能供应的环节中。

至于脉动直流，还有锯齿波、方波等等，我们把这种脉动的直流叫做电脉冲信号，以区别于直流电。

现在，我们可以展开讨论了。

第一：直流电相对交流电，它不存在周期性的变化，显得更加稳定。

这一点，从图1中就能明确地看到。

对于半导体电子电路的供电，几乎没有例外，都采取直流供电。如若采用交流供电，则必须先行整流滤波，变成稳定的直流电压后再给电路供电。

下图是一个典型的单片机电路：

图2中，交流电源经过整流滤波得到直流电源，然后再经过三端稳压器（直流稳压电源）变换，得到合适的直流工作电压供电路使用。

利用这套方法，不管家用电器也好，工业控制器也好，甚至连我们手上正在使用的手机以及其他的电子设备，它们内部的供电都是直流电。当然，对于移动电子设备，其内部要配套可充电电池，以实现工作的连续性和稳定性。

第二，直流磁路与交流磁路相比更加稳定，重要场合的继电保护一般均采用直流供电的继电器。

图3中，当线圈通电后，铁芯与衔铁之间会产生电磁吸力。电磁吸力克服反力弹簧施加的反力，使得衔铁及触点系统一起吸附在铁芯上。当线圈失电后，衔铁和触点系统则在反力弹簧作用下返回初始位置。

由于直流电流是稳定的，直流磁通也是稳定的，直流磁势当然也是稳定的。因此，我们把直流电磁系统叫做恒磁势系统。

对于直流电来说，这几个参量都是固定值，因此，直流电的电磁吸力是恒定的。

但对于交流电又会如何？

也就是说，交流磁路的电磁吸力是不稳定的，必须在磁极端面上安装分磁环，使得磁通过零时它的吸力不为零。尽管如此，交流磁路中铁芯与衔铁之间还是会出现交流声，并且会发热。

第三，交流电产生的电弧比直流电产生的电弧更加容易熄灭。

左图是电路图，我们看到左侧的交流电源E。根据基尔霍夫第二定律，我们可以写出它的微分方程表达式：

在这里，表达式并不重要。重要的是触头开断后的物理过程。我们设开关K在t=0时刻打开，于是在K的触头间出现电弧。

右图中的U是电源电压波形，Uh是电弧电压波形。

电弧其实就是空气原子被电离，它包括电子和正离子。电子是负离子，质量较轻跑得快，丢失了电子后的原子是正离子，它的质量大跑得慢。

当电压处于正半周时，右图中左侧设为阳极，右侧设为阴极。正离子从阳极出发奔向阴极，负离子则从阴极出发奔向阳极。由于正离子的质量远远大于负离子，因而正离子跑得慢，它会在阳极附近产生堆积。

当电压过零时，气体的电离过程停止，正负粒子也都停在原位并复合。残留的正离子堆积在原先的阳极附近。

当电压进入负半周时，原先的阳极变成阴极，它要发射电子（负离子），然而在阴极附近却存在正离子的阻挡层，负离子的发射在很短的一段时间内受阻，电弧的重新起燃也受阻。

这种效应叫做交流电弧的近阴极效应。

正是有了近阴极效应，所以用于低压交流电的各种开关电器，尤其是低压断路器，都具有一定程度的电弧限流特性。这种特性对于直流电来说，却毫无用处，毕竟直流电不存在过零过程。

由此可见，直流电弧的熄灭要比交流电弧的熄灭困难得多。

第四，交流电的电压变换通过变压器实现，比直流电更加容易。

变压器，人尽皆知。

在交流配电网中，用变压器变换电压非常方便，这是交流电得到广泛应用的最主要原因之一。

关于变压器，有一个很重要的值，就是4.44。这个常数的来源几乎成了职场新人入职首日必考的内容。我来简单解释一下：

变压器的一次回路感应电动势Em有如下关系：

图5是某医院的配电系统图。我们看到TN-S的配电网中用变压器变换为IT接地系统，为手术室供电。如此一来，手术室中哪怕发生了单相接地故障，也不会因此而停电，系统可以继续运行。

这种做法，直流电系统中是无法实现的。

第五，交流电驱动的三相鼠笼式电动机结构简单、性能稳定且工作可靠，比直流电动机更容易控制，得到广泛的运用，由此促进了交流电的广泛运用。

在我的书《低压成套开关设备的原理及其控制技术》表1-22“电动机机械特性”中有如下内容：

电动机的转矩T与频率f1成反比。由此我们可以用变频器来对电机实现调速，非常方便。

早先还没有变频器时，直流电动机的调速性能优于交流电动机，那时不得不在交流配电网中构建直流系统，用以驱动直流电动机。变频器出现后，这种现象几乎绝迹了。

看来，在电能的输送、配电和用电中，还是交流电好。

第六，交流电驱动的照明灯具，例如日光灯，使用非常普遍，比直流电驱动的照明灯具要方便得多，这也是交流电被广泛使用的原因之一。

图6是日光灯电气原理图。我把日光灯的工作原理简单地描述一下：

1)当电源接通后，我们看到灯管内是没有通路的，所以220V电压就会通过A端和B端的灯丝连接到氖泡Ne上。氖泡内的氖气击穿电压大约在150V到200V之间，现在氖泡两极之间加载的电压是220V，所以氖气被击穿进入辉光区域，并且持续发热。发热使得氖泡内的双金属片电极接触到一起，氖泡电压降瞬间变为零，氖泡内的氖气放电停止，温度迅速下降，双金属片电极打开。

2)当氖泡内的双金属片电极打开后，线路断开，电流减小到零。镇流器M中的电感产生反向电动势，反向电动势e=-Ldi/dt，因为di/dt的值较大，因而反向电动势大约在1500V到2000V之间。

此电压加载在灯管A灯丝与B灯丝之间，使得灯管中的气体被击穿，日光灯管内的气体进入正常的辉光放电状态，其电压迅速下降到110V~150V。此时镇流器起到稳定电流的作用。

由于灯管压降小于氖泡气体的击穿电压，因此氖泡不再工作。

这是在交流电源下日光灯管的工作过程。

如果把电源换成220V直流电，又会怎样呢？

在直流电源下，氖泡的工作过程和灯管被击穿的过程与交流电源一致。当系统进入正常运行状态时，由于是直流电压电感起不到镇流作用，灯光电压较高，氖泡将再次击穿。

注意到氖泡的放电与灯管的放电是并联关系。因为灯管放电属于长弧放电，它的功耗大于氖泡放电的短弧，所以灯管放电会熄灭。灯管熄灭后，氖泡会再次点燃它，然后灯管再次熄灭，灯管进入到点燃-熄灭-再次点燃-再次熄灭的循环状态。

可见，直流电是无法让日光灯正常工作的，日光灯只能用于交流电供电的场所。

注意，氖泡的放电影响到灯管的放电，可以类推到本文中第3部分直流电路的灭弧。

在直流电路中将两个电弧并联，则较强的电弧将被抑制，甚至熄灭。这种方法是很常见的直流电弧熄灭法。

图中的H1是主弧隙，我们想象它就是断路器的主触头，H2是与H1并联的辅助弧隙。辅助弧隙H2串联了电阻Rh。

当主触头和辅助触头分开后，线路中出现了两个弧隙H1和H2。由于辅助弧隙H2影响到主弧隙H1，所以H1中的电弧会加快熄灭。当H1电弧熄灭后，电弧电流转入到H2弧隙中。由于受到H2串联的电阻Rh的影响，H2中的电弧也接着熄灭。这样处理后，可以有效地抑制电感L产生的开断过电压。

简单地说了6条，我们可以看出，“到底是交流电好还是直流电好”，这个问题不能简单地下结论，一定要结合实际运用才能得到结果。

在电能传输和配电方面，交流电已经处于绝对优势地位。在电子线路的供电方面，直流电处于绝对优势地位。

应当看到，在电力输送方面，直流超高压输送电正在发展中，指不定哪一天直流输送电也会成为现实，也是很难说的。