电网电压和频率确定原因.doc

为什么用电频率是50Hz？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）。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。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，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，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，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（412/3Hz），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。50与60 Hz，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。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6070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。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0.10.3Hz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0.51Hz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，18561943）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发电机。因此，至今日本仍采用两种供电频率，以静冈县富士山和新泻县的丝鱼川市为界，东部50Hz，西部60Hz。在电力使用早期，爱迪生的通用电力公司首先在美国使用110V电压为客户提供直流电。而后，特斯拉发明了3相的240V交流电，但出于安全考虑，电压被降低到110V。在西屋电气公司的资助下，特斯拉交流电体系最终击败爱迪生的直流电体系成为美国供电新标准。标准电压和标准频率不过110V电压较低，同功率下，比220V时电流大，用铜多，电网传输损耗较大。当时处于欧洲垄断地位的德国AEG公司发现了这一问题，将电压规格改为220V，于是欧洲国家就形成了220V/50Hz的交流电网标准。后来，美国也一度考虑改用220V来提供城市用电，但由于美国家庭中适配110V电压的家电过多，此时更改电压规格会造成大量浪费，于是不得不继续采用110v标准至今。110v电压后来也影响到日本，并通过日本影响了台湾。美国周边加拿大、墨西哥也采用了110V-120V左右的标准。英国早期电压是240V，后来为了和欧盟标准统一，改为230V。大多数英联邦国家和英国海外领地都继承这一标准，如澳大利亚、新西兰、印度等。法国电压标准为230V，受其影响，几乎整个欧洲大陆的电压都在220V-230V上下。它们在亚、非、拉的前殖民地多数也采用这一标准。中国使用的电压和频率标准，是由电力工业基础较好的地区直接继承而来的。二十世纪早期中国大陆的汽轮发电机组全部来自国外，电压频率繁杂，给电力设备制造、使用和管理带来极大不便。当时使用电力最普遍的上海共有8家电厂，其中7家采用50Hz频率，只有1家是60Hz。1928年7月16日，上海的灯泡制造商亚浦耳公司向上海社会局公用局呈文，建议规定220V和50Hz作为中国标准电压和标准频率。东北的日满政府更是主动规定：全满电气设备的标准频率统一为50Hz，今后电气设备除特殊情况外一律采用标准频率。基于这些，1949之后制定的全国供用电标准，也都采用了220v/50Hz制式。