浅论家居直流供电的必要性

廖申雪，文励洪

（深圳职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518055）

浅论家居直流供电的必要性

廖申雪，文励洪

（深圳职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518055）

直流输电方式比较交流输电方式有明显的优越性，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。近年来，我国在特高压直流输电领域已走在了世界前列，直接直流供电方式也在逐步推广应用，很多数据中心导入了直流供电，获得了显著的经济效益。以直流方式进行家庭供电，对用户也很有利。本文对家居直流供电的必要性及其标准化进行了探讨，阐述了直流供电的特点和优势，并展望了建筑直流供电技术的发展前景。

高压直流输电技术；直流供电；直流家居；直流储能

1 概述

交流供电、直流供电孰优孰劣之争可追溯到19世纪80年代，著名发明家爱迪生（Thomas Alva Edison）为了向白炽灯等供电，曾提出直流供电方式。但是，特斯拉（Nikola Tesla，其人名被用于磁通量密度单位）和美国西屋电气（Westinghouse Electric）提出的交流供电方案最终成为全球标准，仅仅是由于当时交流供电方式在长距离大规模送电时可轻松升降电压，而直流不能变压，所以采用了交流供电。然而，时光流转百年之后，在短距离送电用途以及廉价使用高效DC-DC转换器成为现实的推动下，直流供电重新引起了人们的关注。特别是近代电力电子技术的发展使得DC-DC升降压具有和交流变压同等的实用，且更有优势，其实我们身边的电气产品已大都是直流或者是交-直-交供电，直接由直流供电可减少一次交-直变换过程，使得供配电更节能，直流供电已成为当前及将来的趋势。

2 直流供电的优势

2.1 交流、直流供电的对比

2.1.1 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。

直流输电可以采用两线制，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。

我们知道，当交流电流在导体上流动时，由于交流电流产生的电磁场力对电荷的推斥作用，电荷将趋向于在导体的表层流动，这种现象称之为电流的趋肤效应。交流电流的趋肤效应导致的导线实际有效载流面积的减小，其对电流的电阻也相应的增大:

式中：Rf：考虑趋肤效应后的导线电阻Ω

ρ：电工用纯铜导线的电阻系数p=0.01749Ωm/ mm2（at20°C）

L：导线的长度m

r：圆纯铜导线的半径mm

f：电流频率Hz

由于电流的趋肤效应，导致载流导体温度明显上升，如下表所示：

表1 载流铜圆导线的温升（概算，参考）

导线实效载流面积：20℃时导线直流电阻：趋肤效应电阻：载流密度：铜损：总铜损：导线的散热面积：单位表面积需要耗散的功率：导线表面的估计温升：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 热态温升估算

经验告诉我们，趋肤效应加上各种损耗（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。

2.1.2 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的损耗。

城市地下交流电缆线路在同样的电压下，每公里的电容电流为架空线25倍（三芯电缆）或者50倍（单芯电缆），近似电容电流计算Ic公式如下：

上述的计算公式主要适用于油浸纸电力电缆，对目前采用的聚氯乙烯绞联电缆每公里对地的电容电流，根据厂家提供的参数和现场实测检验约增大20％左右。

表36 -35kV油浸纸电缆电容电流计算（经验数据表）

表4 10kV交联聚氯乙烯绝缘电力电缆接地电容电流计算

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，需采用地下电缆；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为3×10.3kw，在每千米输电线路上，每年就要耗电270kw·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。

2.1.3 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，只需控制电压相等即可并网。特别是像日本，东西部电网不同频，最好用直流联网供电。

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，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，由于可采用可控硅装置，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。

在直流输电线路中，各极可以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。

在远距离特高压直流电力输送方面，从上世纪末，苏联、欧美、日本已开展了特高压研究，但均无商业运行项目。20世纪80年代，我国也进行过技术探索，但国外核心资料一直对中国保密。我国电力系统的科技人员以后来者居上的勇气独自开发和完善了我国的特高压直流电力输送技术，引领了特高压直流电力输送的潮流。1989年，我国第一条特高压直流输电线路“葛洲坝—上海±500 kV直流输电工程”经过验收，拉开了我国特高压直流输电帷幕，到目前世界上输送容量最大、送电距离最远、电压等级最高的直流输电工程“四川锦屏——江苏苏南±800kV特高压直流工程”全面完成系统调试和试运行，2012年12月12日正式投入商业运行，标志着中国已占据了特高压直流输电领域的世界顶峰。由湖北超高压公司王国满、杜勇等技术人员编写的《±800kV直流架空输电线路检修规程》，已由国家能源局正式发布并出版，成为中华人民共和国电力行业标准，标准编号DL/T251-2012，于2012年7月1日正式施行。

2.2 市电直流化

在高压直流供配电方面，我国也走在了世界前列，《通信用240V直流供电系统》行业标准已于2012年2月1日正式实施，这意味着近两年在通信业发展迅速的高压直流供电进入“标准化”时代。到2012年6月底，中国电信全网用高压直流电源（240V）系统数已达到450个，直流总容量超过24万安培，功率为70000KW，相当于交流UPS容量85000KVA的供电能力。使用直流电源（240V）的IT设备已超过80000台，应用范围分布于20多个省（区、市）74个地区，今后3-5年会在上年的数量基础上每年有20％-30％的增长幅度。2012年年底江苏移动集采了20套中等容量的高压直流系统，2013年年初上海移动集采了25套大容量高压直流系统；中国联通开始了多处试点应用，今年正在策划规模推广；

腾讯目前有超过万台服务器应用在高压直流供电环境，在设计和即将投产规模预计超过10万台。

在中国电信使用的高压直流（HVDC）系统中，有九个厂家（中恒电气、艾默生、中达电通、伊顿、动力源、奥特迅、中博、武汉鸿飞、丰日）提供了相关产品，其中中恒电气、艾默生、中达电通占据了较大的份额。

杭州中恒电气股份有限公司极为看重HVDC业务，在其通信和电力两大市场，视HVDC为支撑公司长期增长的核心动力，将HVDC作为其发展、投资方向，中恒电气自称为高压直流（HVDC）的领跑者，将其和艾默生视为HVDC行业的领导者，

下图为杭州中恒电气股份有限公司HVDC产品以及工作原理:

图1 DC240V高压直流（HVDC）电源设备

图2 DC240V高压直流（HVDC）电源工作原理

图3 DC240V高压直流（HVDC）电源与UPS比较

不过，在中低压直流供配电方面，特别是直流家居供电方面还没有标准，很多专家、学者都在呼吁，直流家居供配电标准应该尽快出台。

在当前的技术条件下，直流供电和交流供电系统最大的优势首先还在于储能上，现有技术交流电储能困难，只有直流电可以以电能的方式直接储存（蓄电池、超级电容等），而且很多新能源所直接产生的电能也是直流电源为主（特别是光伏发电）。其次是交流供电系统不适合分布式电源接纳，所以不能满足未来的新能源发展趋势。

以直流方式进行家庭供电，大家都是积极和欢迎的。在家庭中，如果能够直接由直流供电（或使用高效AC-DC转换器将交流电统一转换成直流电），便可减少以往由低效AC适配器进行转换时的能量损耗。另外，还有望省去在插座上插多个AC适配器。仅交流改直流供电一项便可将能量转换损失减少两成，如果能够开发出直流的标准插座，便可在个人电脑、手机、数码相机、游戏机及音乐播放器等电器之间通用，用一根连线实现便携。

直流供电的导入开始加快的原因还有一个。那就是太阳能电池的迅速普及。如果太阳能电池导入顺利，那么家庭及企业希望直接利用光伏阵列所发电力的需求也将随之扩大。

3 直流供电深圳应该先行先试

作为中国改革开放的排头兵，深圳市政府完全有能力、也应该率先出台“直流家居供电”这样一个标准，先行先试。

2012年9 月，深圳几个相关科技合作单位，对某住宅小区科技应用项目（含“家居直流供配电项目”）正式立项启动，经过不到一年的时间，该项目已完成了大部分预定的目标，充分显示了住宅小区科技应用的示范性。

2013年8月30 日，项目相关合作单位，举行了对该项目的现场合同办公会议。会议肯定了该项目进展顺利，协调处理了一些具体工程问题，并明确提出了进一步深化该项目的任务。

为此，该项目的现场合同办公会议，进一步明确提出了深化该项目的具体任务，以达到更好的示范效果，还对深化内容提出了具体、明确的规划。其中特别要求项目相关合作单位能为直流家居的供电标准多做贡献，以标准化带动产业化，进而以产业化推动实用化。各相关单位一致认为，在直流家居供电方面深圳应该先行先试，先行一步。

十八届五中全会不久前落幕，“十三五”规划，已经勾勒出中国未来5年发展的宏伟蓝图，十三五规划中讲到，到2020年，我国要全面实现小康，那么小康社会的住宅不应该只是为市民简单的提供住房，而应该努力开发出绿色环保具有高科技家居环境的舒适住宅。直流家居、智能家居必然在此进程中得到很大的应用，进而引导民生潮流。

4 家居直流供电电压标准初探

为了满足室内直流电源供配电的需要，根据我国目前家用电器的实际情况，我们经过详尽的研究对比后，初步拟对室内直流供配电线路分为3个电压等级，即：DC240V，DC24V，DC5V，分别适应于：

1、大功率电器（100W以上，如空调、洗衣机、冰箱等）用240V；

DC240V符合通信电源当前标准电压等级，实际AC220V整流直接获得的DC电压峰值为310V，所以即使将DC240V定为标准供电电压，为适应交流-直流供电的过渡期的需要，所有大功率电器也必须可以在DC310V下可以正常工作。

2、中功率电器（10-100W，如LED照明、智能窗帘、通讯设备等）用24V；

3、小功率电器（10W以下，如手机充电器、音乐播放器、儿童玩具等）用5V。

根据初拟标准，我们对深圳某住宅小区进行了供配电设计，直流到户，下篇将论述设计及运行情况。

5 结束语

今天因为科学技术的进步，特别是电力电子技术的飞速发展，开关电源、直流无刷电机的兴起，交流供电的优势已经不复存在。直流传输损耗低，DC/DC转换器效率大大高于50Hz（或60Hz）交流变压器，而能直接储存电能的设备——蓄电池，无一不是直流输入/输出的……，因而我们不妨思考一下交流供电将来会如何发展？而相对于优势明显的直流供电，现阶段我们又应该做点什么？当有一天，我们所有的电器都能在直流下工作时，我们还有必要采用低效的交流供电模式吗？

[1]国家能源局．DL/T251-2012±800kV直流架空输电线路检修规程[S].北京：中国电力出版社，2012：2.

[2]中国南方电网有限责任公司组，广东电网公司.高压直流输电基础[M]．北京：中国电力出版社，2010：1．

[3]韩民晓.高压直流输电原理与运行[M].机械工业出版社，2010．

[4]黄艳东.可持续节能建筑的直流供电架构[J].智能建筑电气技术，2013（3）:81-85．

[5]张一工，肖湘宁.现代电力电子技术原理与应用[M].科学出版社，2009：3．

[6]全国联网规划深化研究工作组.全国联网规划研究总体报告[R].2003：4．

[7]张科峻.10～35千伏不接地系统电容电流测试方法研究[J].电气自动化，2014（2）.

[8]卢秋朋.传输线中趋肤效应的介绍及仿真[J].电子测量技术，2015（6）.

【责任编辑：吴跃新】

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，湖南衡阳人，讲师，研究方向为建筑电气技术、工业自动控制系统等。