电网电压和频率确定原因.docx

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40Hz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25Hz，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87Hz，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400Hz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25Hz（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，25Hz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，40Hz可能是最好的选择，也确实有很多系统采用了40Hz，德国早期的劳芬--法兰克福联网系统采用的是40Hz（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40Hz，意大利也是使用40Hz系列（42Hz），匈牙利也是接近使用40Hz（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50Hz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，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50Hz，但因竞争压力，最终（1948）屈从于西屋的60Hz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60Hz，1938年通过立法，力图通过8年的时间，统一到50Hz，但最后没有成功，因为多数发达地区都采用60Hz，20世纪60年代又改为60Hz。50与60，成就了现有基本格局，一般而言，110V供电系统采用60Hz标准，220V供电系统采用50Hz标准。50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。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