电网电压和频率确定原因

为什么用电频率是为什么用电频率是 50Hz50Hz 交流电网的频率 是电能质量的重要标志之一交流电网的频率 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也是电网调度赖以控制电 力系统运行的核心参数 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 如 此关键的指标 为什么选取 50 赫兹 或 60 赫兹 教科书上少有述及 也罕 见有人对此刨根问底 为什么用电频率是 50Hz 一文 对电网频率的前 世今生 给出了较为科学的分析 令人耳目一新 交流电网频率从零乱到趋同 是电力工业发展历程的重要一章 恰恰也是 容易被忽略的一篇 供电系统有史以来究竟出现多少种频率恐怕难以说清 有 限的文献记载 除航空器外 高的有 1331 3Hz 双极 8000 转 低的有 161 3Hz 双极 1000 转 千差万别 究其原因 影响交流电网频率选择的究其原因 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 对相因素复杂化是根本 但主要集中在用电设施 输变电设施和原动机方面 对相 关因素的分析 必须放到当时的历史背景下展开讨论 关因素的分析 必须放到当时的历史背景下展开讨论 负荷特性是决定因素之一负荷特性是决定因素之一 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 而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 29 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 输变电设施是决定因素之二输变电设施是决定因素之二 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 原动机和驱动系统是决定因素之三 原动机和驱动系统是决定因素之三 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 主要就是水轮机的转速限 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 当然 技术上还有很多影响因素当然 技术上还有很多影响因素 比如早期电网的运行水平 频率低的系 统 同步并网的难度就小 受到运行者的青睐 还有同步电钟的问题 60 进制 显示了优越性 后来还有交流噪音问题 林林总总 可见 诸多的技术元素左 右着频率的选择 回溯交流电网频率的统一过程 不纯粹是技术之争 其中也可窥见权力角回溯交流电网频率的统一过程 不纯粹是技术之争 其中也可窥见权力角 逐 逐 技术分析表明 根据 20 世纪上半叶的实际 综合上述各项影响因素 40 Hz 可能是最好的选择 也确实有很多系统采用了 40 Hz 德国早期的劳芬 法 兰克福联网系统采用的是 40 Hz 1891 年 输电距离长达 175 公里 英格 兰东北部电网在 20 世纪 20 年代成立英国国家电网之前也一直使用 40 Hz 意 大利也是使用 40 Hz 系列 42 Hz 匈牙利也是接近使用 40 Hz 412 3 Hz 但该频率最终没能成为标准 显然技术不是唯一的原因 在标准的形成过程中 设备制造商和电网经营者起到了决定性的的作用 在标准的形成过程中 设备制造商和电网经营者起到了决定性的的作用 在欧洲 电机 变压器生产商 德国的 VDE 公司推荐 25 Hz 和 50 Hz 两项标 准 到 1914 年放弃了 25Hz 全力推动 50 Hz 同时 爱迪生德国公司设立 的 AEG 公司 19 世纪末首次建造德国的发电设施 采用 50Hz 之后依托其垂 直垄断力 携手在欧洲推行 50 Hz 标准 历时 40 余年 直到二战之后才真正 形成 而在美国 兼有制造和运行交流供电技术优势的西屋公司 在 1890 年 后力推 60 Hz 的较高频率的标准 相对 25 Hz 低频交流的频率标准 在美 国系统沿用至今 期间 1893 年 美国 GE 公司按照其爱迪生系的频率标准 在加州部分供电系统采用 50 Hz 但因竞争压力 最终 1948 屈从于西屋的 60 Hz 标准 欠发达国家 尤其是殖民地国家则主要是依附宗主国和制造商的 选择 如巴西一开始就兼有 50 和 60 Hz 1938 年通过立法 力图通过 8 年 的时间 统一到 50 Hz 但最后没有成功 因为多数发达地区都采用 60 Hz 20 世纪 60 年代又改为 60 Hz 50 与 60 成就了现有基本格局 一般而 言 110V 供电系统采用 60 Hz 标准 220V 供电系统采用 50 Hz 标准 5050 与与 6060 HzHz 技术上难分伯仲 大多数家用电器也能混用 由于电力系 技术上难分伯仲 大多数家用电器也能混用 由于电力系 统的地域性 似乎也没有统一成一种标准的动力 而且要从一种标准变更到另统的地域性 似乎也没有统一成一种标准的动力 而且要从一种标准变更到另 一种标准 其难度是难以想象的 一种标准 其难度是难以想象的 对于平常百姓 频率的重要甚至其存在看似 无关紧要 但对于将电能转变成动能的设备 它的输出功率是与频率的高低正 相关的 因种类不同从 1 次幂到 4 次幂不等 因此对于电力行业自身 频率 的重要性便是不言自明的 我国我国 60 7060 70 年代 汽轮机叶片断裂的事是经常发生年代 汽轮机叶片断裂的事是经常发生 的 其罪魁祸首就是频率偏差 的 其罪魁祸首就是频率偏差 当时由于电力严重短缺 电网长时间低频率运 行 经常低到 48 Hz 汽轮机的转速 振动都是按照 50 Hz 设计的 长时间 偏差运行 除降低效率 还带来加速疲劳等问题 造成叶片断裂 对电力系统 运行而言 最严重的事故莫过于频率崩溃 瞬时就会让光明世界跌入黑暗 因此了解频率 历史地观察频率 不无补益 因此了解频率 历史地观察频率 不无补益 脱离当时的技术条件讨论标 准形成的对与错显然是有失公允的 漠视旧标准对新技术发展的障碍也并非科 学精神 回溯频率标准的演进 是否还觉得理所当然 在制造技术 控制技术 信息技术日新月异的今天 变频技术的节能效果 双频技术对影像效果的改良 新能源发电技术的发展 频率的现行标准还会不会一成不变 试问谁来续写频 率的明天 从本质上说 50Hz 和 60Hz 的区别不是很大 只不过是发电机的转速略 有差别 选择 50Hz 或 60Hz 在一个国家里 日本除外 总得一致 我们应 当关注的是 为什么要采用 50Hz 或 60Hz 而不是更高或更低 在电力系统 里 频率是一个很重要的基本要素 并不是随意确定的 这一问题看起来简单 实际上是比较复杂的问题 涉及的方面比较多 人 们总结出来的定理为 周期性地改变方向的电流叫做交流电 电流发生 1 个周 期性变化的时间叫做周期 每秒电流发生变化的次数做频率 单位是赫兹 为 了纪念赫兹的贡献 交流电的频率为 50 60Hz 电流方向每秒钟发生 50 60 个周期性的变化 每秒改变的次数为 100 120 次 电动机是根据 通电线圈在磁场中转动的基本原理制成的 如果将电动机线圈两端加两个铜制 滑环及分别与滑环接触的两个电刷就成为交流发电机 原理 发电机是实现 将机械能转化为电能的装置 需要原动机拖动 频率大小的确定与发电机 电动机及变压器等的构造 材料等有关 50Hz 的两极发电机的同步转速是 3000 转 分 而如果频率上升一倍达到 100Hz 那么同步转速将会是 6000 转 分 如此高的速度将会给发电机的制 造带来很多问题 特别是转子表面的线速度太高 必将大大限制容量的增加 另外 从使用角度看 频率过高 使得电抗增加 电磁损耗大 加剧了无功的 数量 以三相电机为例 其电流大大下降 输出功率及转矩也大大下降 实在 没有益处 另外 如果采用较低的频率 譬如 30Hz 变压效率低 那么将不 利于交流电的变压和传输 现代电力系统的频率即电力系统中的同步发电机产生的正弦基波电压的频 率 频率是整个电力系统统一的运行参数 一个电力系统只能有一个频率 我 国和世界上大多数欧洲国家电力系统的额定频率为 50Hz 美洲地区多数是 60Hz 日本有两个周波数 关东是 50Hz 关西是 60Hz 日本向老外学发电 时 关东人跟欧洲人学 买 50Hz 的发电机 而关西人则跟美国人学 买 60Hz 的发电机 大多数国家规定频率偏差 0 1 0 3Hz 之间 在我国 300 万 kW 以上的电力系统频率偏差规定不得超过 0 2Hz 而 300 万 kW 以下的 小电力系统的频率偏差规定不得超过 0 5Hz 由于大机组的运行对电力系统 频率偏差要求比较严格 因此有些国家对电力系统故障运行方式的频率偏差也 作了规定 一般规定在 0 5 1Hz 之间 超过允许的频率偏差 大机组将 跳闸 这不利于系统的安全稳定运行 在电力系统内 发电机发出的功率与用电设备及送电设备消耗的功率不平 衡 将引起电力系统频率变化 当系统负荷超过或低于发电厂的出力时 系统 频率就要降低或升高 发电厂出力的变化同样也将引起系统频率变化 另外 我国电网的频率变化范围是 1Hz 因为频率调节惯量较大 范围小容易引起 电网振荡 在大网并网前 兰州地区的电网频率在 50 5Hz 以上 上海地区在 49 5Hz 左右 现在的大网并网有利于电网频率及电压稳定 显然 载波频率 越高 正弦波型越好 电机绕组的谐波越少 但是辐射干扰能量提高 干扰周 边电气设备 还有 电网频率的差异取决于人们的计算习惯 美洲的大规模发电较早 当时的计算工具主要是英制 12 进制 计算尺 为便于计算用 60Hz 稍晚一 点的规模电网都用 10 进制数据 50Hz 更方便些 关于电压等级 分为发电 机和电动机两个系列 我们常说的电压是电动机电压 是基本系列 220V 为 基础 每乘 1 414 并圆整后为一个等级 变频器电压除外 发电机电压为同等 级的电动机电压加 5 并圆整 所以只有 230V 或 400V 的发电机而没有 220V 或 380V 的发电机 机场的特殊情况是 机载发电机要求体积小重量轻 只有提高频率才能 满足功率要求 所以相应的机载电气设备用 400Hz 与飞机相关的电源要 400 Hz 一般军用的会更高 航空器上的电源采用 400Hz 就是为了减小体积和重 量 军电 航电的 400Hz 主要取决于以下几点 1 频率高的发电机或电动机 由于转速高 转矩小而体积 重量较小 2 飞机上发电机的动力取自航空发 动机 转速较高 3 直流用电设备较多 频率高有利于减小整流纹波 不用 100Hz 或 120Hz 是因为频率太高 一方面传输困难 做变频器的对 线路感抗及容抗的理解应该是深刻的 另一方面 发电机和电动机的转速太高 或极数太多都不可取 400Hz 的电不能远距离传输 用户在订购 400Hz 发电 机时要给定传输距离及方式 整流效率也差 但整流后纹波较小 纹波频率较 高 好处理 如果 50Hz 投入需要 60Hz 的生产线 交流电机速度降低 电机速度与频 率成正比 电机发热 长时间工作必烧无疑 控制系统一般通过整流和开关 电源 应该没事 还要看一下对频率敏感的器件 如果要研究将 50Hz 电源直 接供电给需要 60Hz 电源的生产线上使用 主要考虑电磁器件的电磁特性 如 电动机 变压器 其次是与电源频率有关的采样信号 对于前者 研究的方法 可以找到这两个器件的电磁表达式 分别将 50Hz 和 60Hz 带进去 就可以发 现一些问题 对于异步电机而言 将 50Hz 的电源供给 60Hz 的负载时 转速 降低是肯定的 电压应按电机铭牌电压降低 1 6 供应 此时电机可长期运行 且转矩 电流不变 功率减小了 1 6 若电压不降低 会造成电机磁路饱和 空载电流和空载损耗增大很多 对于电感器 感抗减小 1 6 对于 60Hz 专用 的接触器 改为 50Hz 容易误脱扣 但目前一般都是 50 60Hz 通用的 大家平时家里用的电是 50Hz 的 Hz 是赫兹的缩写 代表一秒钟电流周期性变换方 向的次数 50Hz 表示 1 秒钟电流有 50 个周期 方向改变 100 次 世界上有些国家 例如英美用的是 60Hz 的交流电 因为采用的是十二进制 什么 12 星座 12 小时 12 先令等于 1 英镑等等 后来的国家都采用十进制了 所以频率是 50Hz 当然还有某奇葩的漆器国 东边用 50Hz 西边用 60Hz 总体来说 50Hz 和 60Hz 差别不大 以下就用 50Hz 代表吧 那为什么要选用 50Hz 的交流电 而不是 5Hz 或 400Hz 呢 先说频率低了会怎么样吧 频率最低就是 0 也就是直流 史上最经典的就是爱迪生和特斯拉的直流交流大战 爱 迪生为了证明特斯拉的交流电有危险 用交流电电死了若干动物 其中还包括一头大象 爱老先生也是蛮拼的 客观上说 同样的电流大小下 人体耐受直流电的时间是要长于 耐受交流电的时间 跟心室震颤什么的有关系 也就是交流电更危险 不过最后爱迪生还是输给了特斯拉 凭借交流电方便改变电压等级的优势 交流电战胜 了直流电 在输送功率相同的情况下 提高电压 送电电流就能减小 消耗在线路上的能 量就能降低 而直流电当时无法变压 发电机出口端电压只有几百伏 为了减少损耗 只 能减少送电功率和距离 所以爱迪生当时建的电厂有点像现在的分布式电源 到处都是 直流送电另一个问题是难以开断 直到现在这个问题还困扰着直流输电 我们平时在拔 一些电器的插销时 还会打电火花 直流输电的问题同电火花一样 当电流大到一定程度 时 这个电火花是无法熄灭的 我们称之为 电弧 对于交流电而言 电流会改变方向 因而有电流过零的时刻 利用这个小电流时间点 我们可以通过灭弧装置切断线路电流 但直流电流方向不会改变 没有这个过零点 我们想要灭弧就难了 直流讲明白了 那低频交流 比如 5Hz 的交流电有什么问题呢 一是变压器效率的问题 变压器是靠原边的磁场变化 感应到副边升压或降压的 磁场 变化的频率越慢 感应是越弱的 极端情况就是直流 根本没有感应 所以频率太低了不 行 当然 太高了也会有漏磁太多的问题 后面会讲到 学过电机学的朋友可以回忆 变压器等效电路中间有个励磁支路 励磁电抗 Xm 是与频率乘正比的 只有频率足够大 励磁电抗才能足够大 以至于忽略励磁电流的分流作用 忽略励磁损耗 二是用电设备功率问题 举个身边的例子吧 汽车发动机的转速就是他的频率 比如怠 速时 500 转 分钟 加速换挡时是 3000 转 分钟 换算成频率分别是 8 3Hz 和 50Hz 这就看出来了 转速越高 发动机的劲儿 功率 越大 同样道理 在相同频率 下 发动机越大 输出功率越大 这也是为什么柴油机个头都比汽油大的原因 个儿大劲 儿大的柴油机才能带动公交卡车等重型汽车 同理 电动机 或者说一切转动机械 既要求个头小 有要求输出功率大 只有一个办 法 提高转速 这也就是为什么交流电频率不能太低的原因 因为我们需要个头小但功 率大的电动机 类似的如 飞机的航空发动机 每分钟转速高达上万转 就是为了 小身 体大能量 飞机的电源也是 400Hz 的 24000 转 分 因为发动机转速太高 发电 的频率就高了 变频空调也是同样的道理 通过变换交流电的频率 来控制空调压缩机的 输出功率 总之 功率与频率在一定范围内正相关 这里顺便说下现在汽车厂商的发动机功率参数 有些厂商为了表明今年的车型比去年 的性能提高了 就把发动机的最大功率调高了 比如把 240kW 调高到 260kW 乍一看 以为发动机更先进了 其实各位还要再看一个参数 最大功率转速 有时候这个参数也 同步调高了 去年的车型是 5000 转时达到最大功率 今年改成 6000 转了 实际是用 转速的提高带来了输出功率的增加 而不是性能真正提高 发动机每分钟 6000 转什么概 念呢 大概是狠狠的地板油吧 再说说频率大了会怎么样 比如定在 400Hz 怎么样 会有两个问题 一是线路和设备的损耗增加 二是发电机转速过快 先说损耗的事情 输电线路 变电设备 用电设备 都是有电抗的 电抗与频率成正比 频率越高 电抗越大 消耗的无功就越大 能传递的有功功率就越少 回复 无功 参见 为啥功率还分有功功率和无功功率 目前 50Hz 输电线路的电抗约 0 4 欧姆 约是 电阻的 10 倍 如果提高到 400Hz 那电抗将是 3 2 欧姆 约是电阻的 80 倍 对于高 压输电线路 降低电抗是提高输电功率的关键 与电抗相对应的还有容抗 容抗和频率成 反比 频率越高 容抗越小 线路的泄漏电流越大 因为电缆的电容效应较大 所以这 也是电缆线路送电距离不能过长的原因 如果频率高了 则线路的泄漏电流也会增加 另一个问题是发电机的转速 现在的发电机组基本是单级机 也就是一对磁极 为了发 出 50Hz 的电 转子每分钟转速要达到 3000 转 咱们的汽车发动机转速达到 3000 转 时 就能明显感觉引擎在振动作响了 转到六七千转时 你会觉得发动机要跳出引擎盖 小小的汽车发动机尚且如此 更何况是一个重达百吨的实心铁疙瘩转子与汽轮机 也因此 发电厂的噪音都很大 一个重达百吨的钢转子每分钟转 3000 转谈何容易 如果频率再高 三四倍 估计发电机能飞出厂房了 如此重的转子具有相当大的惯性 这也是电力系统被称为惯性系统 能保持安全稳定运 行的前提 同样也是为什么风电和太阳能这种间歇性电源对传统电源提出挑战的原因 因 为风光变化很快 但几十吨重的转子由于巨大的惯性 要减少出力或增加出力的速度很慢 爬坡率的概念 跟不上风电和光伏发电的变化 所以有时不得不弃风和弃光 另外 光伏电池不是旋转设备 即非惯性系统 大量接入后 降低了电力系统的惯性 这也会对 安全稳定运行造成影响 总结一下 频率不能太低的原因 变压器能效率高 电动机可以个头小功率大 频率不 能太高的原因 线路和设备可以损耗小 发电机转速不必过高 所以根据经验和习惯 我 们的电能就被定在在 50 或 60Hz 美国是 110V 的主要是因为大量采用交流发电机最早的是美国 当时受发电机绝缘材 料的限制 只能造出 110V 的交流发电机 并建立 110V 电网 日本用的美国技术 后来随着技术进步 造出了 220V 的交流发电机 现在的交流发电机可直接电 1 万伏 因此后建立电网的欧洲国家就直接采用了当时最先进的 220V 240V 技术 而已 采用 110V 127V 的国家由于全部更换为 220V 的电力系统代价过高 因而他们就 只好沿用至今 客观地说 220V 系统要比 110V 的更经济 还可以不用变压器直接从动力电 380V 中分相 比 110V 的更先进 这就象后建立电视广播的国家采用德国研制的更先进的 PAL 制 而先建立电视广播的国家已采用了美国早期研制的 NTSC 制一样 1885 年 塞尔维亚人特斯拉 N Tesla 1856 1943 将交流发电机专利卖给美 国西屋电气公司 八年后在芝加哥举办的纪念发现新大陆 400 周年世界博览会上 西 屋公司用特斯拉交流系统点亮了 18 万只电灯 此后 利用变压器变换电压的交流电 系统以其长距离 低损耗优势逐渐被广泛采用 交流电地位确立后 频率问题便摆在了欧美各国面前 在电力工业发展早期 一度出 现了多种供用电频率并行的局面 西屋公司曾经实验了不同频率正弦交流电 结果表 明 频率低时输电线电能损耗也低 但照明设备在低频率环境下很容易产生闪烁 频 率至少达到 50Hz 才能避免 而过高的频率会导致电力传输效率下降 反复实验后 西屋公司将电源频率固定为 60Hz 美国联邦政府也开始在国内推广 60Hz 频率标准 但在 1900 年巴黎举办世界博览会上 欧洲各国订购了 20 套发电设备 其中 16 套 频率为 50Hz 3 套 42Hz 1 套 25Hz 以此为基础 欧洲供电频率逐渐向 50Hz 靠拢 随着欧洲 美国各自供电频率的统一 世界其他国家和地区也都分别以这两个频率作 为各自标准频率 以日本为例 1896 年东京电灯公司从德国 AEG 公司订购了 6 台 265kW 50Hz 发电机 1897 年大阪电灯公司从美国 GE 公司订购了 5 台 150kW 60Hz