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为什么电网的频率是50Hz或60Hz?

记者:地方新闻网 时间:2018-10-25 16:23  来源:网络整理
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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f或v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。

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