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为什么电网的频率是50Hz或60Hz?

文章来源:文章来源 抓取时间:2019-05-18 11:25:19 浏览量:20 作者:yahoohaha88 返回文章列表

 
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摘要截稿日期:2017年3月13日

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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,是一段漫长而艰苦的过程,也是电力工业发展历程的重要篇章。最后选取50Hz(或60Hz)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。这些也必须放到当时的历史背景下展开讨论。因此我们可以按以下几点讨论,并在末尾给出我国电网频率的发展概况。

1. 交流电的来源与定义

从历史上追朔,麦克斯韦发现了经典电磁理论、赫兹为麦克斯韦的理论添上了至关重要的一笔、法拉第的法拉第电磁感应定律及其世界上第一台电磁感应发电机、英国工程师瓦特金首先制出了电动机,法国人皮克希制成了发电机、西门子发现了发电机的原理,完成了发电机领域第一例实际应用。此后人们发现总结出来的定理为,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,为了纪念德国物理学家赫兹的贡献,人们把频率的单位命名为赫兹,简称“赫”,符号为Hz,也为秒分之一,物理表达式中常用fv表示。

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,需原动机拖动。

2. 诸多实际应用角度的技术因素影响

影响交流电网频率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。

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)。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。

在19世纪末20世纪初的制造条件下,可生产在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。

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。

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:

I. 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;

II. 飞机上发电机的动力取自航空发动机,转速较高;

III. 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,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,选择较高频率则反之;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,更好处理。

从输电的角度,如果采用较低的频率,譬如30 Hz,变压效率低,那么将不利于交流电的变压和传输。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。

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)。

4) 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,容易受到运行者的青睐。

另外,还有同步电钟(电钟:利用电力运转的时钟,现在用的电钟多采用有旋转轴的电磁感应装置)的问题,60进制有其优越性。当然后来也有交流噪音等问题。

3. 商业竞争及历史发展方面的影响

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。例如:

·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。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。设备制造商和电网经营者起到了决定性的作用。

欧洲历时40余年推行50Hz标准

德国电机和变压器生产商VDE公司推荐25Hz和50Hz两项标准,到1914年放弃了25Hz,全力推动50Hz。

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发电设施,采用50Hz,之后依托其垂直垄断力,携手在欧洲推行50Hz标准,历时40余年,直到二战之后才真正形成。

美国西屋公司强推60Hz标准

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60Hz的较高频率的标准(相对25Hz低频交流的频率标准),在美国系统沿用至今。1920年,美国联邦政府成立了电力调查会,推荐60Hz为美国的标准频率。

其中1893年,美国GE公司曾计划按照其爱迪生系的频率标准在加州部分供电系统采用50Hz。但迫于竞争压力,最终(1948)屈从于西屋的60 Hz标准。

当时美国的技术人员认为,60Hz优于欧洲普遍采用的50Hz,60Hz的发电机尺寸小,变压器的转换效率高。而欧洲的技术人员认为,输电线路60Hz时电抗增大,无负荷充电电流增加,而且当时电气列车使用的整流装置是旋转交流机,60Hz的变流机在过负荷时整流子容易闪络。

殖民地国家主要依附宗主国或制造商的选择

以巴西为例,该国一开始兼有50Hz和60Hz。1938年,巴西试图通过立法,用8年时间将频率统一到50Hz。

但这项计划最后没有成功,因为多数发达地区都采用60Hz。20世纪60年代,巴西重新启用60Hz的频率标准。

不同区域人民计算习惯的影响

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。

50Hz或60Hz,对于日常生活影响并不大 

对于平常百姓,频率标准是否统一其实并不重要,甚至看似无关紧要。一般而言,110V供电系统采用60Hz标准,220V供电系统采用50Hz标准。50Hz与60Hz,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一种标准,其难度是难以想象的。

但是,对于电力行业自身,频率的重要性便是不言自明的。因为,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,我们还需要考虑频率偏差的问题。

4. 频率偏差的问题

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。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。

例如,我国60~70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。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,瞬间就会让世界跌入黑暗。

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。

5. 频率互换对电气元件的影响

所谓电气交变频率影响无非是电磁能的相互转化与损耗。主要表现形式为交变磁场在导体通电过程中产生磁场和感应电动势,或者通电导体周围形成磁场。所以交流元件与直流元件的区别在于交变和感应。实际工作中无论从旋转电机、变压器、交流接触器来分析,都可以归为感性元件的影响。当然50 Hz/60 Hz的阻性元件亦有区别。

1) 频率互换对灯、加热器等阻性元件影响

多数人经常认为,这些元件无非就是一个电阻,无论通入直流与交流都可以满足其发光与发热,只要满足电压等级要求即可满足其功率。其实不然。把灯及加热器比作规则导体(以圆形为例),理论电流在导体中是均匀分布的,当我们通入交流电时由于电磁感应,在导体中心处会感应出阻碍电流的电动势,此时电流趋于导体的外环和外表面,分布开始不均匀,这是一种“集肤效应”现象。故而不难推断,当电压一定时,频率由50 Hz 更换到60 Hz 应用中,感应电动势增加,导体中心环面积增大,导体电流流通的有效面积减小,相应的导体电阻增加,电流减小,功率下降。

严格意义上讲,并非阻性元件没有影响,只是某些时候由于低电压等级对其性能影响不明显而不予考虑。

2) 频率互换对交流接触器的影响

交流接触器主要是靠线圈通电后产生磁场,动、静磁铁在电磁力的作用下吸合,在失磁后通过弹簧的反向阻力进行关断。

小型接触器的阻抗很小,在忽略阻抗压降的情况下,电动势成正比关系,当频率由50 Hz 变为60 Hz 时,感应电动势增加到1.2 倍,所以相应控制电压应提高到1.2 倍,则根据麦克斯韦公式知50Hz变60Hz时接触器的吸合力减小。为了满足吸合力要求,应该增加控制电压幅值。否则,吸合力不够将导致继电器会跳动、接触不良,最后导致损坏。

3) 频率互换对旋转机构的影响

主要针对电机旋转体进行探讨,例如60 Hz 电机通入50Hz 电源,电压保持不变的情况下,根据可知频率下降1.2 倍转速下降1.2 倍。磁通密度增加1.2 倍,空载电流增加,根据 可知电抗值下降,启动电流则相应增加,供电电压若不进行降压,则输出扭矩会增大,电机绕组温升会升高,长时间运行会损坏电机。同时,由于电机转速的折损,其空气流通性降低,导致通风量减少,散热性能变差。

对于电动机来讲除了型式试验必须满足参数一致测试外,对于项目中的电机验收工作,温升试验、振动试验、噪声试验,在50 Hz/60 Hz 工作中不可以互换,其余影响并不大。因为电机在设计过程中对参数均留有裕度。

4) 频率对其他设备和元件的影响

50 Hz/60Hz对于变压器和互感器的影响,和接触器类似,频率的改变对其性能影响不大,主要体现在损耗和温升上,一定设计容差范围内可以通用。另外,相同容量的变压器或互感器以50Hz 频率设计时比以60 Hz 设计的尺寸偏大,因为满足相同电压等级U≈E=4.44Fnbs,频率小,匝数N增大或有效面积增加。

对断路器或者空气开关的影响,同等电压等级下,随着交变周期(频率)的变化,断路器的关断时间,灭弧区间等有所影响,多数断路器的关断时间以区间界定,并非针对某一点且动作电流可以按要求整定,故在控制、保护需求精度不高的情况下可以通用,仅从使用角度讲性能存在差异但不会有较大影响。

附:我国电网频率的发展历史

时间

事迹

1890年

2月

上海新申电气公司从英国引入交流白炽灯,并加装1 台25kW 的单相100Hz 交流发电机,于当年4 月投入运行,开始了中国交流电供用电的历史。

1928年

7月16日

鉴于1956 年以前中国大陆的汽轮发电机组全部来自国外,供用电的电压和频率繁杂,给电力设备的制造、使用和管理带来极大不便这种状况,位于上海的中国第一家民族资本电灯泡制造厂——亚浦耳公司向上海社会局公用局呈文,呈请上海特别市政府转呈中央主管机关建议规定200V 和50Hz 作为中国的标准电压和标准频率。

1930年

9月12日

以建设委员会会令形式公布“电气事业电压周率标准规则”,从而诞生了中国第一个电压频率标准,采用50Hz 作为我国的标准频率。

1953年

6月

新中国成立后最早规定50Hz为供用电标准频率的文件是1953 年6月由中央人民政府燃料工业部颁布的《电力系统调度管理暂行条例》,其中第97 条规定:“电力系统的周率应连续不断地保持在五十周波的水平上。其差别不得大于±0.5(50.5~49.5)周波。”

2005年

7月29日

由国家质量监督检验检疫总局发布的GB/T 1980—2005《标准频率》,规定单相和三相交流电力系统的标准频率是50Hz。

参考资料:

1. 为什么用电频率是50Hz. 能源观察网. http://www.wusuobuneng.com/archives/12338.

2. 雷银照, LeiYinzhao. 我国供用电频率50Hz的起源[J]. 电工技术学报, 2010(3):20-26.

3. 王亚辉. 为何将交流电频率定为50Hz或60Hz[J]. 农村电工, 2007(3):50-50.

4. 张春峰, 孙中凯, 张岩. 50Hz/60Hz频率互换对不同电气元件的影响[J]. 电站系统工程, 2014(2):79-80.

5. 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会. GB/T1980—2005 标准频率[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.

6. 燃料工业部. 电业规程汇编[M]. 北京:燃料工业出版社, 1954.

作者介绍


齐路,男,西安交通大学电气工程系硕士研究生,研究方向为电力电子器件可靠性与直流断路器。 

2016年6月获得西北工业大学学士学位。

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