为什么电网频率偏偏是50Hz？

赵玉田

为什么电网频率偏偏是50Hz？ [复制链接]

 

刚刚看到一篇科普，记得刚学物理的时候读过类似的文章，现在读起来还挺亲切的，转过来给大家看看，来自于周立功致远电子

        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。为什么我国的电源是采用50hz的,而外国有的国家采用60hz的电源?制定此标准时的依据什么呢?

　　大家平时家里用的电是50Hz的，Hz是赫兹的缩写，代表一秒钟电流周期性变换方向的次数，50Hz表示1秒钟电流有50个周期，方向改变100次。

　　世界上有些国家，例如英美用的是60Hz的交流电，因为采用的是十二进制，什么12星座、12小时、12先令等于1英镑等等。后来的国家都采用十进制了，所以频率是50Hz。当然还有某奇葩的漆器国，东边用50Hz，西边用60Hz。

　　总体来说50Hz和60Hz差别不大，以下就用50Hz代表吧。那为什么要选用50Hz的交流电，而不是5Hz或400Hz呢?

　　

　　1.1 先说频率低了会怎么样

　　频率最低就是0，也就是直流。史上最经典的就是爱迪生和特斯拉的直流交流大战，爱迪生为了证明特斯拉的交流电有危险，用交流电电死了若干动物，其中还包括一头大象，爱老先生也是蛮拼的~(客观上说，同样的电流大小下，人体耐受直流电的时间是要长于耐受交流电的时间，跟心室震颤什么的有关系，也就是交流电更危险)

　　不过最后爱迪生还是输给了特斯拉，凭借交流电方便改变电压等级的优势，交流电战胜了直流电。在输送功率相同的情况下，提高电压，送电电流就能减小，消耗在线路上的能量就能降低。而直流电当时无法变压，发电机出口端电压只有几百伏，为了减少损耗，只能减少送电功率和距离，所以爱迪生当时建的电厂有点像现在的分布式电源，到处都是。

　　直流送电另一个问题是难以开断，直到现在这个问题还困扰着直流输电。我们平时在拔一些电器的插销时，还会打电火花。直流输电的问题同电火花一样，当电流大到一定程度时，这个电火花是无法熄灭的，我们称之为“电弧”。对于交流电而言，电流会改变方向，因而有电流过零的时刻，利用这个小电流时间点，我们可以通过灭弧装置切断线路电流。但直流电流方向不会改变，没有这个过零点，我们想要灭弧就难了。

　　1.2 低频交流呢? 5Hz的交流电有什么问题?

　　一是变压器效率的问题。变压器是靠原边的磁场变化，感应到副边升压或降压的。磁场变化的频率越慢，感应是越弱的，极端情况就是直流，根本没有感应，所以频率太低了不行。当然，太高了也会有漏磁太多的问题。

　　二是用电设备功率问题。举个身边的例子吧，汽车发动机的转速就是他的频率，比如怠速时500转/分钟，加速换挡时是3000转/分钟，换算成频率分别是8.3Hz和50Hz。这就看出来了，转速越高，发动机的劲儿(功率)越大。同样道理，在相同频率下，发动机越大，输出功率越大，这也是为什么柴油机个头都比汽油大的原因，个儿大劲儿大的柴油机才能带动公交卡车等重型汽车。

　　

　　1.3 高频交流呢?比如定在400Hz怎么样?

　　首先是线路和设备的损耗增加，先说损耗的事情，输电线路、变电设备、用电设备，都是有电抗的，电抗与频率成正比，频率越高，电抗越大，消耗的无功就越大，能传递的有功功率就越少。目前50Hz输电线路的电抗约0.4欧姆，约是电阻的10倍，如果提高到400Hz，那电抗将是3.2欧姆，约是电阻的80倍。对于高压输电线路，降低电抗是提高输电功率的关键。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。(因为电缆的电容效应较大，所以这也是电缆线路送电距离不能过长的原因。)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。咱们的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，你会觉得发动机要跳出引擎盖。小小的汽车发动机尚且如此，更何况是一个重达百吨的实心铁疙瘩转子与汽轮机，也因此发电厂的噪音都很大。一个重达百吨的钢转子每分钟转3000转谈何容易，如果频率再高三四倍，估计发电机能飞出厂房了。

　　总结一下，频率不能太低的原因：变压器能效率高，电动机可以个头小功率大。频率不能太高的原因：线路和设备可以损耗小，发电机转速不必过高。所以根据经验和习惯，我们的电能就被定在在50或60Hz。

　　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，例如：若电流频率由50HZ降到48HZ，电动机的转速将降低4%，致使冶金、化工、机械、纺织造纸等工业的产量和质量都会受到影响。而供给工厂的电能频率是由电力系统决定的。

maychang

以当前的材料、工艺和技术，使用400Hz是比较合理的。
凡不与公共电网联接的独立供电系统，例如轮船、飞机等(包括军用)，往往采用400Hz。
现有电网仍使用50/60Hz，是因为“改不过来”，因为电网频率变化，电力变压器、电动机……一系列设备都要改，这个成本，谁也承担不起，只好不改。

snoweaglemcu

400Hz的有啊，航空地面电源，也叫中频静变电源

qwqwqw2088

北美用110-120伏特，60赫兹,欧洲标准用220-240伏特，50赫兹。我国主要是向苏联学习的结果，用的也是这种标准。

我不懂

学习 了，科普文啊

tianshuihu

学习叻

shuihe112

科普。。。

dll_epdc

涨知识啦

启点2014

学习了

chunyang

50Hz是欧陆标准，60Hz是英美标准。中国早先是50Hz、60Hz共存，49年以后因苏联的影响统一为50Hz欧陆标准。大型市电网受早期技术条件的制约，所以频率不高，局部交流供电并讲究效率时则采用400Hz标准，这在航空界非常重要，体积、重量是核心。另外，对频率不敏感的交流发电，比如汽车发电机，工作频率也远高于交流市电网。

白手梦想家

电压是220,110什么原因呢？

maychang

白手梦想家 发表于 2015-6-24 16:14
电压是220,110什么原因呢？

那是某一国家或者地区开始建立电力网络时电力公司在安全和成本之间的选择，而一旦选定，就难以改动。
不是110V和220V两种，太多了。

赵玉田

maychang 发表于 2015-6-23 20:37
以当前的材料、工艺和技术，使用400Hz是比较合理的。
凡不与公共电网联接的独立供电系统，例如轮船、飞机 ...

是啊，现在都是按照50/60Hz设计的，要是都改，这个成本真是无法承担的

赵玉田

snoweaglemcu 发表于 2015-6-23 20:57
400Hz的有啊，航空地面电源，也叫中频静变电源

这个还真不了解，这回长见识了

赵玉田

qwqwqw2088 发表于 2015-6-23 21:18
北美用110-120伏特，60赫兹,欧洲标准用220-240伏特，50赫兹。我国主要是向苏联学习的结果，用的也是这种标 ...

原来是学习老大哥的

赵玉田

chunyang 发表于 2015-6-24 12:03
50Hz是欧陆标准，60Hz是英美标准。中国早先是50Hz、60Hz共存，49年以后因苏联的影响统一为50Hz欧陆标准。大 ...

又学习到了新的知识

wsmysyn

了解了。当年上电力电子时候，老王教授就讲了一个非常形象的例子，工频变压器4个壮汉才能抬得动，高频变压器一个壮汉可以拿四个
到现在我都记得，哈哈。不过其他的忘得差不多了

maychang

wsmysyn 发表于 2015-6-24 18:41
了解了。当年上电力电子时候，老王教授就讲了一个非常形象的例子，工频变压器4个壮汉才能抬得动，高频变压 ...

现代工频变压器，设计时首先考虑铁路是否能够运输。
如果铁路无法运输，那就需要这样

nmg

maychang 发表于 2015-6-24 16:46
那是某一国家或者地区开始建立电力网络时电力公司在安全和成本之间的选择，而一旦选定，就难以改动。
不 ...

记得上学的时候讲PLC的老师说过，110V和60Hz其实更利于工程设计中的计算
后来还讲了为什么我国选择了220,50Hz，原因倒是忘记了，为啥不改的原因就是成本太高

wsmysyn

maychang 发表于 2015-6-24 21:30
现代工频变压器，设计时首先考虑铁路是否能够运输。
如果铁路无法运输，那就需要这样

好长的车。