我国交流电的频率是多少hz,我国交流电的周期是多少hz

中国的家用交流电是50Hz,这是初中物理里面就已经普及的一个常识,但是为什么是50Hz呢?估计很多人未必就知道了,作为一个学电力系统的人来说,我也大二才思考这个问题。现做简单的阐述。

首先要明确的一点是电力系统只能有一个频率(个别国家,如日本西安存50、60Hz两种并存的现象,但是很危险,后面阐述),而且频率的波动范围一般要控制在±1Hz以内,这是考虑系统频率稳定的问题,如果失去同步,那么电力系统将会出现震荡,严重导致整个电力系统崩溃,对于电力系统崩溃的严重性,按照美国814大停电的数据来看,大的电力系统崩溃是以每分钟千万元损失来记得(题外话:美国当年停电几个小时,直接损失达到几千亿刀啊,还不算停电导致的后续影响,想当年如果拉登要是知道电力系统的重要性和脆弱性,当年炸他个50万数量级的变电站,但带来的冲击和造成的损失那可以说是当年的数倍,如果是个重要的中枢点就更加了),可见电力系统的频率是一个敏感的东西,并不是简单说了算的。选什么频率也是有特定的要求。

电力线路

扯回来,中国为什么是50Hz呢?因为当年上海进口的中国第一台发电机,来自德国的西门子公司制造,设计的就是50Hz的(欧洲当时都是50Hz的),所以后来就一直沿用这个频率了,虽然一些个小地方还有其他频率的电机,但是后来为了系统的统一,都改成了50Hz,所以说这是一个偶然的选择,如果当年刚开始的时候用的是60Hz,那么也许今天用的就是60Hz的交流电了。

那为什么又出现了50、60这两个特别的派系,而没有出现其他的频率呢?

首先说一下交流电和世界上第一台实用发电机,

50 Hz 概念从绿线和插头。3d 渲染

交流电的发明者Nikola Tesla(尼古拉·特斯拉)受美国西屋电气公司老板的资助实现,商用交流电网也是在美国首次投入运营。美国是采用英制单位的,十二进制,为计算方便采用了60Hz/110V的规格。这个就是商用/民用交流电的始祖。所以说一开始的交流电是60Hz的,后来欧洲引进交流电后,为了传输和能源及资金的节省,改成220V,而频率因为改成十进制方便计算,也改成了50Hz。其实50H和60HZ的区别不是很大,没有实质性的问题。不过是发电机的转速略有差别。应当引起人们关注的倒是,为什么要采用50HZ或60HZ,而不是更高或更低。

火力发电机

前面已经提到在电气系统里,频率是一个很重要的基本要素,并不是随意确定的。这一个问题看起来简单,实际上是一个比较复杂的问题,涉及的方面比较多,从原理上追朔,应当从麦克斯韦发现了经典电磁理论、赫兹为麦克斯韦的理论添上了至关重要的一笔、法拉第的法拉第电磁感应定律及其世界上第一台电磁感应发电机、英国工程师瓦特金首先制出了电动机,法国人皮克希制成了发电机、西门子发现了发电机的原理,发明了发电机,这是发电机领域的第一例实际应用等说起。此后人们发现总结出来的定理为,周期性地改变方向的电流叫做交流电,电流发生1个周期性变化的时间叫做周期,每秒电流发生变化的次数做频率,单位是赫兹(为了纪念赫兹的贡献)。交流电的频率为50(60)赫,电流方向每秒钟发50(60)个周期性的变化,每秒改变的次数为100(120)次。

电动机是根据通电线圈在磁场中转动的基本原理制成的。如果将电动机线圈两端加两个铜制滑环及分别与滑环接触的两个电刷就成为交流发电机(原理)。发电机是实现将机械能转化为电能的装置,需要原动机拖动。频率大小的确定与发电机、电动机及变压器等的构造、材料等有关。50赫的两极发电机的同步转速是3000转/分,而如果频率上升一倍达到100赫,那么同步转速将会是6000转/分。如此高的速度将会给发电机的制造带来很多问题,特别是转子表面的线速度太高,必将大大限制容量的增加。另外,从使用角度看,频率过高,使得电抗增加,电磁损耗大,加剧了无功的数量。譬如以三相电机为例,其电流大大下降,输出功率及转矩也大大下降,实在没有益处。另外,如果采用较低的频率譬如30赫,变压效率低,那么将不利于交流电的变压和传输。从发电机的制造工艺以及电机在不同频率下的电气特性来看,转速在3000转/分—3600转/分时能够达到最佳的效果,由公式f=PN/60,对于一个极对的电机来说对应的频率就是50、60赫兹。此外,美洲的大规模发电较早,当时的计算工具主要是英制(12进制)计算尺,为便于计算,用60Hz,稍晚一点的规模电网都用10进制数据,50Hz更方便些。

现代电力系统的频率即电力系统中的同步发电机产生的正弦基波电压的频率。频率是整个电力系统统一的运行参数,一个电力系统只有一个频率。我国和世界上大多数欧洲国家电力系统的额定频率为50Hz。美洲地区多数是60Hz。大多数国家规定频率偏差±0.1~0.3Hz之间。在我国,300万kW以上的电力系统频率偏差规定不得超过±0.2Hz;而300万kW以下的小电力系统的频率偏差规定不得超过±0.5Hz。由于大机组的运行对电力系统频率偏差要求比较严格,因此有些国家对电力系统故障运行方式的频率偏差也作了规定,一般规定在±0.5~±1Hz之间。超过允许的频率偏差,大机组将跳闸,这不利于系统的安全稳定运行。

另外还有一些特殊的场合采用特殊的频率,如机场的特殊情况是:机载发电机要求体积小重量轻,只有提高频率才能满足功率要求,所以相应的机载电气设备用400Hz,与飞机相关的电源要400赫兹!军用得更高的也有。航空器上的电源采用400Hz就是为了减小体积和重量,是一个复杂的系统工程。军电和航电的400Hz主要取决于以下几点:1、频率高的发电机或电动机由于转速高、转矩小而体积、重量较小;2、飞机上发电机的动力取自航空发动机,转速较高;3、直流用电设备较多,频率高有利于减小整流纹波。

最后来说一下日本。日本电源标准的起源,在网上见到以下叙述: “日本有两个周波数,关东是50赫兹,关西是60赫兹!怎么会有这种邪门事?很简单,日本人向老外学发电时,关东人跟欧洲人学,买50赫兹的发电机,而关西人则跟美国人学,买60赫兹的发电机!”“关东指的是首都圈,也就是东京都23区和周围的神奈川,琦玉等好几个县的一部分,而关西指京阪神(京都,大阪,神户)及周围地区。”这个在一个国家用两种频率不多见,好像只听说过日本有这种奇葩的现象。这个问题随着发展引发的问题我觉得会越来越严重,现在日本这两个地区的并网只能通过几回直流输电或者“背靠背式”的方式来实现(交流由于频率不同不可能并网),但是两个这么大的电网只能用几回直流交换功率,必然受到功率传输极限的影响,日本现在已经开始重视这个问题,曾经电力体制改革的时候就提出来过要统一频率,但这和中国政治经济体制改革一样,是一个割肉的过程,很多人不愿意改,因为改频率意味着和原来的按照60Hz设计的设备几乎都要换一遍,这确实相当于是在放血。但是不统一的话,随着电网规模的发展,受到这个的制约将越来越严重。或许将来可能会有新的技术来解决这个问题,但就目前而言,还不大可能,一旦一个电网崩溃,由于调节能力的限制,如果两个电网的电源和负荷不相匹配,那么后果是灾难性的。

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