科普|我们为什么要选用50Hz的交流电?

时间:2017-04-14
来源:电气观察
我们为什么要选用50Hz的交流电,而不是5Hz或400Hz呢?

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。。。

那么,我们为什么要选用50Hz的交流电,而不是5Hz或400Hz呢?且听小编慢慢道来。

交流电

如果频率低了会怎么样?

频率最低就是0,也就是直流。当年爱迪生为了证明特斯拉的交流电有危险,用交流电电死了一票小动物,如果大象也算小动物的话…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。

可爱迪生最后也还是输给了特斯拉,交流电凭借方便改变电压等级的优势战胜了直流电。在输送功率相同的情况下,提高电压,送电电流会减小,消耗在线路上的能量也会随之降低。

而直流送电另一个问题是难以开断,直到现在这个问题依旧是个困扰。直流输电的问题同平时拔电器插销时会出现电火花一样,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,我们想要灭弧就很难了。

交流电1

低频交流电有什么问题?

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。

二是用电设备功率问题。举个例子来说,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。

同理,电动机(或者说一切转动机械)既要求个头小,有要求输出功率大,只有一个办法——提高转速,这也就是为什么交流电频率不能太低的原因,因为我们需要个头小但功率大的电动机。

变频空调也是同样的道理,通过变换交流电的频率,来控制空调压缩机的输出功率。总之,功率与频率在一定范围内正相关。

交流电2

再说说频率大了会怎么样?

比如定在400Hz怎么样?

两个问题,一是线路和设备的损耗增加,二是发电机转速过快。

先来讲损耗,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。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。

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,这也是发电厂的噪音很大的原因。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。

如此重的转子具有相当大的惯性,这也是电力系统被称为惯性系统,能保持安全稳定运行的前提。同样也是为什么风电和太阳能这种间歇性电源对传统电源提出挑战的原因。

因为风光变化很快,几十吨重的转子由于巨大的惯性,要减少出力或增加出力的速度很慢(爬坡率的概念),跟不上风电和光伏发电的变化,所以有时不得不弃风和弃光。

综上所述

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。

因此根据经验和习惯,我们的电能就被定在在50或60Hz。

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