淺談為什么電力系統(tǒng)供電會(huì)用50HZ的頻率

淺談為什么電力系統(tǒng)供電會(huì)用50HZ的頻率：

  揚(yáng)州市蘇中電力設(shè)備有限公司是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)于一體的多元化企業(yè)，公司主要產(chǎn)品有高低壓試驗(yàn)設(shè)備、儀器儀表、滑觸線、電纜橋架、母線槽等，下面就我們一直在用的交流電頻率問題解釋如下：

只解釋了為什么頻率不能太高或太低，并沒有說明為什么一定要50Hz或60Hz，有讀者還問過小編此事。其實(shí)小編不是不想解釋，而是才疏學(xué)淺，無法解釋。此篇《從歷史到明天》為聊東一叟的讀者來信，有的放矢地精準(zhǔn)回答了為什么是50Hz或60Hz的問題，讀后深受裨益，刊登此稿，以饗讀者。

能夠?qū)λ究找姂T的現(xiàn)實(shí)存在提出質(zhì)疑，是學(xué)者一種可貴的特質(zhì)。透過“能源政乾方”的一系列文章，展現(xiàn)了能源院有一批青年才俊，他們充滿了追根溯源的探索精神，值得贊賞。

交流電網(wǎng)的頻率，是電能質(zhì)量的重要標(biāo)志之一，直接關(guān)系許多電能驅(qū)動(dòng)設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量，如紡織業(yè)、電子業(yè)、航空航天業(yè)等;也是電網(wǎng)調(diào)度賴以控制電力系統(tǒng)運(yùn)行的核心參數(shù)，比如調(diào)峰調(diào)頻和互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域控制誤差(ACE)。如此關(guān)鍵的指標(biāo)，為什么選取50赫茲(或60赫茲)，教科書上少有述及，也罕見有人對(duì)此刨根問底，《為什么用電頻率是50Hz?》一文，對(duì)電網(wǎng)頻率的前世今生，給出了較為科學(xué)的分析，令人耳目一新。

交流電網(wǎng)頻率從零亂到趨同，是電力工業(yè)發(fā)展歷程的重要一章，恰恰也是容易被忽略的一篇。供電系統(tǒng)有史以來究竟出現(xiàn)多少種頻率恐怕難以說清，有限的文獻(xiàn)記載，除航空器外，高的有1331/3Hz(雙極8000轉(zhuǎn))，低的有161/3Hz(雙極1000轉(zhuǎn))，千差萬別。究其原因，影響交流電網(wǎng)頻率選擇的因素復(fù)雜化是根本，但主要集中在用電設(shè)施、輸變電設(shè)施和原動(dòng)機(jī)方面，對(duì)相關(guān)因素的分析，必須放到當(dāng)時(shí)的歷史背景下展開討論。

負(fù)荷特性是決定因素之一，以供照明負(fù)荷為主的電網(wǎng)趨于選擇較高的頻率，白熾燈在40 Hz下就存在明顯的閃爍;而以供感應(yīng)電機(jī)負(fù)荷為主的電網(wǎng)趨于選擇較低的頻率(目前有些電力機(jī)車供電系統(tǒng)還采用25 Hz，通過換流器與大電網(wǎng)連接)，在19世紀(jì)末29世紀(jì)初的制造條件下，可以生產(chǎn)在50Hz系統(tǒng)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)良好的電機(jī)，卻難造出在1331/3Hz系統(tǒng)運(yùn)行的感應(yīng)電機(jī)，因此，對(duì)于兼有多種負(fù)荷的系統(tǒng)，折中不失為現(xiàn)實(shí)方案，比如建于1895年的英國考文垂的單相電力系統(tǒng)的頻率就選取87 Hz，一直沿用至1906年。

輸變電設(shè)施是決定因素之二，從變電設(shè)施的角度趨于選擇較高的頻率，有利于減少變壓器的體積和材料，這也是為什么飛機(jī)現(xiàn)在依然普遍采用400 Hz供電系統(tǒng)的主要原因，減輕重量是飛行器制造的優(yōu)選目標(biāo)。但從輸電的角度，尤其是長距離輸電，則傾向于選擇較低的頻率，頻率越低，線路的阻抗也越低，輸電損耗就越少，僅此而言，直流輸電有其優(yōu)越性，兼顧兩方面的特性，也需要尋求平衡。

原動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是決定因素之三，在當(dāng)時(shí)的機(jī)械制造水平，變速系統(tǒng)成本高昂，因此，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速直接成為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)的極數(shù)受制于材料，對(duì)頻率的提高有諸多的限制，西屋公司首建于1895年的尼加拉瓜瀑布水電站，選用的頻率就是25 Hz(12極250RPM)，主要就是水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速限定的。由于該電站的重要性和西屋公司的統(tǒng)治地位，25 Hz也一度成為北美低頻交流的頻率標(biāo)準(zhǔn)(美國北部、加拿大渥太華、魁北克地區(qū)的一些配電系統(tǒng)一直沿用到20世紀(jì)50年代)。淺談為什么電力系統(tǒng)供電會(huì)用50HZ的頻率呢。

回溯交流電網(wǎng)頻率的統(tǒng)一過程，不純粹是技術(shù)之爭，其中也可窺見權(quán)力角逐。技術(shù)分析表明，根據(jù)20世紀(jì)上半葉的實(shí)際，綜合上述各項(xiàng)影響因素，40 Hz可能是*好的選擇，也確實(shí)有很多系統(tǒng)采用了40 Hz，德國早期的勞芬--法蘭克福聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用的是40 Hz(1891年，輸電距離長達(dá)175公里)，英格蘭東北部電網(wǎng)在20世紀(jì)20年代成立英國國家電網(wǎng)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)，但該頻率*終沒能成為標(biāo)準(zhǔn)，顯然技術(shù)不是**的原因。

在標(biāo)準(zhǔn)的形成過程中，設(shè)備制造商和電網(wǎng)經(jīng)營者起到了決定性的的作用。在歐洲，電機(jī)、變壓器生產(chǎn)商，德國的VDE公司推薦25 Hz和50 Hz兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，到1914年放棄了25Hz，全力推動(dòng)50 Hz。同時(shí)，愛迪生德國公司設(shè)立的AEG公司19世紀(jì)末**建造德國的發(fā)電設(shè)施，采用50Hz，之后依托其垂直壟斷力，攜手在歐洲推行50 Hz標(biāo)準(zhǔn)，歷時(shí)40余年，直到二戰(zhàn)之后才真正形成;而在美國，兼有制造和運(yùn)行交流供電技術(shù)優(yōu)勢的西屋公司，在1890年后力推60 Hz的較高頻率的標(biāo)準(zhǔn)(相對(duì)25 Hz低頻交流的頻率標(biāo)準(zhǔn))，在美國系統(tǒng)沿用至今，期間，1893年，美國GE公司按照其愛迪生系的頻率標(biāo)準(zhǔn)，在加州部分供電系統(tǒng)采用50 Hz，但因競爭壓力，*終(1948)屈從于西屋的60 Hz標(biāo)準(zhǔn)。欠發(fā)達(dá)國家，尤其是殖民地國家則主要是依附宗主國和制造商的選擇，如巴西一開始就兼有50和60 Hz，1938年通過立法，力圖通過8年的時(shí)間，統(tǒng)一到50 Hz，但*后沒有成功，因?yàn)槎鄶?shù)發(fā)達(dá)地區(qū)都采用60 Hz，20世紀(jì)60年代又改為60 Hz。50與60，成就了現(xiàn)有基本格局，一般而言，110V供電系統(tǒng)采用60 Hz標(biāo)準(zhǔn)，220V供電系統(tǒng)采用50 Hz標(biāo)準(zhǔn)。

50與60 Hz，技術(shù)上難分伯仲，大多數(shù)家用電器也能混用，由于電力系統(tǒng)的地域性，似乎也沒有統(tǒng)一成一種標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)力，而且要從一種標(biāo)準(zhǔn)變更到另一種標(biāo)準(zhǔn)，其難度是難以想象的。對(duì)于平常百姓，頻率的重要甚至其存在看似無關(guān)緊要，但對(duì)于將電能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能的設(shè)備，它的輸出功率是與頻率的高低正相關(guān)的(因種類不同從1次冪到4次冪不等)。因此對(duì)于電力行業(yè)自身，頻率的重要性便是不言自明的，我國60~70年代，汽輪機(jī)葉片斷裂的事是經(jīng)常發(fā)生的，其罪魁禍?zhǔn)拙褪穷l率偏差。當(dāng)時(shí)由于電力嚴(yán)重短缺，電網(wǎng)長時(shí)間低頻率運(yùn)行(經(jīng)常低到48 Hz)，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)都是按照50 Hz設(shè)計(jì)的，長時(shí)間偏差運(yùn)行，除降低效率，還帶來加速疲勞等問題，造成葉片斷裂。對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行而言，*嚴(yán)重的事故莫過于頻率崩潰，瞬時(shí)就會(huì)讓光明世界跌入黑暗。

因此了解頻率，歷史地觀察頻率，不無補(bǔ)益。脫離當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件討論標(biāo)準(zhǔn)形成的對(duì)與錯(cuò)顯然是有失公允的，漠視舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新技術(shù)發(fā)展的障礙也并非科學(xué)精神?；厮蓊l率標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，是否還覺得理所當(dāng)然，在制造技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)日新月異的今天，變頻技術(shù)的節(jié)能效果、雙頻技術(shù)對(duì)影像效果的改良，新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，頻率的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)還會(huì)不會(huì)一成不變，試問誰來續(xù)寫頻率的明天。