交流电网的频率,是电能质量的重要标志之一,直接关系许多电能驱动设备的产品质量,如纺织业、电子业、航空航天业等;也是电网调度赖以控制电力系统运行的核心参数,比如调峰调频和互联网的区域控制误差(ACE)。
供电系统有史以来究竟出现多少种频率恐怕难以说清。据有限的文献记载,除航空器外,历史上出现过的交流电网频率高的有1331/3Hz(双极8000转),低的有161/3Hz(双极1000转),千差万别。
交流电网频率从凌乱到趋同,是电力工业发展历程的重要一章。最后选取50 Hz(或60 Hz)作为频率标准是受到多种因素影响,有技术层面的,更有商业竞争上的原因。这些还必须放到当时的历史背景下展开讨论。
1诸多技术元素左右着频率的选择
影响交流电网频率选择的因素复杂化是根本,但主要集中在用电设施、输变电设施和原动机方面。
决定因素1:负荷特性
以供照明负荷为主的电网趋于选择较高的频率,白炽灯在40 Hz下就存在明显的闪烁。以供感应电机负荷为主的电网趋于选择较低的频率(目前有些电力机车供电系统还采用25 Hz,通过换流器与大电网连接)。
在19世纪末20世纪初的制造条件下,可以生产在50Hz系统能够运转良好的电机,却难以造出在1331/3Hz系统运行的感应电机。因此,对于兼有多种负荷的系统,折中不失为现实方案。比如,建于1895年的英国考文垂的单相电力系统的频率就选取87 Hz,一直沿用至1906年。
决定因素2:输变电设施
从变电设施的角度趋于选择较高的频率,有利于减少变压器的体积和材料,这也是为什么飞机现在依然普遍采用400 Hz供电系统的主要原因,减轻重量是飞行器制造的首选目标。
但从输电的角度,尤其是长距离输电,则倾向于选择较低的频率,频率越低,线路的阻抗也越低,输电损耗就越少,仅此而言,直流输电有其优越性,兼顾两方面的特性,也需要寻求平衡。
决定因素3:原动机和驱动系统
在当时的机械制造水平,变速系统成本高昂。因此,原动机的转速直接成为发电机的转速。发电机的极数受制于材料,对频率的提高有诸多的限制。
西屋公司首建于1895年的尼加拉瓜瀑布水电站,选用的频率就是25 Hz(12极250RPM),主要因为水轮机的转速是限定的。由于该电站的重要性和西屋公司的统治地位,25 Hz也一度成为北美低频交流的频率标准(美国北部、加拿大渥太华、魁北克地区的一些配电系统一直沿用到20世纪50年代)。
其他技术上的影响因素
当然,技术上的影响因素还有很多。比如,由于频率低的系统同步并网的难度较小,在早期电网运行水平落后的情况下,容易受到运行者青睐。
另外,还有同步电钟的问题,60进制有其优越性。当然后来也有交流噪音等问题。
2 最终标准(50Hz/60Hz)并非技术上的最有频率
技术分析表明,根据20世纪上半叶的实践情况,40 Hz可能是最好的选择,也确实有很多系统采用了40 Hz。
由于旧中国发电设备全部来自外国,其中欧洲各国大多采用50赫兹,北美采用60赫兹,这导致20世纪20年代末中国的发电设备半数以上采用50赫兹。1928年,民族资本企业上海亚浦耳公司建议国民政府把50赫兹作为中国供用电标准频率。1930年9月,国民政府建设委员会采用世界多数国家采用的50赫兹作为供用电标准频率,制订了"电气事业电压周率标准规则",从而诞生了中国第一个供用电频率标准。建国后至今,中央政府电业主管机关在制订全国供用电的规定、法规或标准时,也都顺延将供用电标准频率规定为50赫兹。从目前技术条件出发,假如我们能够重新选择一次供用电频率,作者的看法是:60赫兹优于50赫兹,以几百赫兹为上限,数值越大越好;如果电力网实现超导化,这个上限数值还会进一步提高。
我们国家电压的频率,为什么都是在五十赫兹的呢?今天算长见识了
外国的是60HZ,和老一辈有关。50HZ比60HZ好实现,比较安全