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    为什么我国要选用50Hz的交流电?而不是60Hz或400Hz?

    发布日期:2013-10-27

      世界上有些国家,比如英国和美国,用60Hz交流电,因为他们用的是十二进制,也就是12个星座,12个小时,12先令等于1英镑,等等。后来国家采用十进制,所以频率是50Hz。当然还有一个国家,东边50Hz,西边60Hz。。。

      那么,我们为什么要选用50Hz的交流电,而不是60Hz或400Hz呢?


    假设频率低了会怎么样?

    频率为0,即直流电。那一年,爱迪生为了证明特斯拉的交流电存在危险,用交流电杀死了一只小动物,如果大象也算小动物的话…客观地说,在相同电流大小的情况下,人体承受直流电的时间比承受交流电的时间长,与心室震颤或更危险有关。可爱迪生还是输给了特斯拉,交流电凭借方便改变电压等级而战胜了直流电。当传输功率相同时,当电压升高时,送电电流会减少,同时线路所消耗的能量也会减少。

    此外,直流送电的另一个问题是很难开断,直到现在这个问题仍然很困扰。在直流输电中,就像通常在拔电器插头时会出现电火花一样,当电流大到一定程度,这种电火花就不能熄灭,我们称之为“电弧”。对交流电来说,电流会改变方向,因此在电流过零的时候,利用小电流时间点,我们可以用灭弧装置将线路电流切断。但是直流电流的方向是不变的,没有这个过零点,我们很难灭弧。

    频率太低的交流电有什么问题?

    一、变压器效率的问题
    变压器依靠原边的磁场变化而感应到副边的升降压力。磁变的频率越慢,感应就越弱,极端情况下是直流,根本没有感应,所以感应频率太低不能用。


    二、用电设备功率问题

    举例来说,汽车发动机的转速就是它的频率,比如转速时为500转/分钟,加速时为3000转/分钟,这两个频率分别为8.3 Hz和50 Hz。这个结果表明,转速越高,发动机的动力就越大。同理,在同样的频率下,发动机的功率越大,输出就越大,这就是为什么柴油机的个头比汽油大,个头大的柴油机就能驱动大客车等重型车辆。


    同样地,电动机既要求体积小,又要求输出功率大,只有一种方法,即提高转速,所以交流电的频率不能太低,因为我们需要体积小、功率大的电动机。调频空调也是如此,它通过变换交流电的频率,来控制空调压缩机的输出功率。总的来说,功率和频率在一定范围内是正相关的。

    假设定在400Hz怎么样?

    其中之一是线路和设备损耗增加,另一个是发电机转速过高。首先讲一下损耗,输电线路、变电设备、用电设备,都有电抗,电抗与频率成正比,频率越高,电抗越大,所消耗的无功就越多,所能传递的有功就越少。现在输电线路中50 Hz的电抗值在0.4欧姆左右,大约是电阻的10倍,如果增加到400 Hz,则电抗值为3.2欧姆,大约是电阻的80倍。对高电压线路而言,降低电抗是提高传输功率的关键。


    与电抗相对应的还有容抗,容抗和频率成反比,频率越高,容抗越小,线路的泄漏电流越大。如果频率高了,则线路的泄漏电流也会增加。

    另一个问题是发电机的转速。现在的发电机组基本是单级机,也就是一对磁极。为了发出50Hz的电,转子每分钟转速要达到3000转。汽车发动机转速达到3000转时,就能明显感觉引擎在振动作响了,转到六七千转时,你就会觉得发动机快跳出引擎盖了。

    现在的汽车引擎更是如此,除了汽轮机和转子之外,还有一个重达百吨的固体铁疙瘩,这就是造成电厂噪音的原因。一台100吨的钢制转子,每分钟转3000转,如果频率再高三到四倍,估计发电机就会飞出工厂。这种重转子具有很大的惯性,也就是所谓的惯性系统,它能够保证电力系统安全稳定运行。这也是风电、太阳能等间歇电源对传统电源构成挑战的原因。由于风景画变化无常,数十吨重的旋翼由于极强的惯性,使出力减小或增大的速度极慢(这种爬坡速度的概念),无法跟上风能和光伏的变化,因此有时不得不弃风弃光。

    总之频率不能过低的原因:变压器能提效率,电机可个头小,功率大。频率不宜过高的原因:线路及设备损耗小,发电机转速不必过高。所以我国降频率定为50Hz.

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