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导读: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50 Hz(或60 Hz)作为频率标准是收到多种因素影响,有技术层面的,更有商业竞争上的原因。这些都必须放到当时的历史背景下展开讨论。
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,是电力工业发展历程的重要一章。最后选取50 Hz(或60 Hz)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。这些还必须放到当时的历史背景下展开讨论。
1诸多技术元素左右着频率的选择
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。
决定因素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)。
在19世纪末20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。
决定因素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,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。
决定因素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)。
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,容易受到运行者青睐。
另外,还有同步电钟的问题,60进制有其优越性。当然后来也有交流噪音等问题。
2最终标准(50Hz/60Hz)并非技术上的最有频率
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。
˙ 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的作用。
欧洲历时40余年推行50 Hz标准
德国电机和变压器生产商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。
美国西屋公司强推60 Hz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。
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50 Hz。但迫于竞争压力,最终(1948)屈从于西屋的60 Hz标准。
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50 Hz和60 Hz。1938年,巴西试图通过立法,用8年时间将频率统一到50 Hz。
但这项计划最后没有成功,因为多数发达地区都采用60 Hz。20世纪60年代,巴西重新启用60 Hz的频率标准。
350Hz OR 60Hz,对于日常生活影响并不大
50 Hz与60 Hz,成就了现有交流电的基本格局。
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60 Hz标准,220V供电系统采用50 Hz标准。50 Hz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。
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)。
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,瞬时就会让世界跌入黑暗。
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。
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