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(小编注:之前《为什么用电频率是50Hz?》一文只解释了为什么频率不能太高或太低,并没有说明为什么一定要50Hz或60Hz,有读者还问过小编此事。其实小编不是不想解释,而是才疏学浅,无法解释。此篇《从历史到明天》为聊东一叟的读者来信,有的放矢地精准回答了为什么是50Hz或60Hz的问题,读后深受裨益,刊登此稿,以飨读者。
能够对司空见惯的现实存在提出质疑,是学者一种可贵的特质。透过“能源政乾方”的一系列文章,展现了能源院有一批青年才俊,他们充满了追根溯源的探索精神,值得赞赏。
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。
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