為什麼我國電網交流電是50Hz?

2021-01-12 電子工程專輯

目前世界上大多數國家使用50Hz作為電網工作頻率,但也有美國、部分亞洲國家和地區使用60Hz工頻。 在選擇電網的工作頻率時需要考慮許多因素,包括照明設備、電動機、變壓器、發電機和輸電線路在內的設備的工作特性都與電網頻率有關。這些因素相互影響,使得工頻的選擇具有相當的重要性:需要在儘量滿足互相矛盾的性能要求的基礎上進行妥協。

下面就來看看交流電的發展以及為什麼今天我們使用220V、50Hz的交流電。 1831年,英國物理學家法拉第通過大量實驗發現了電磁感應定律,為電能的大規模應用奠定了基礎。

1893年,在芝加哥舉辦的世界博覽會上,用交流電點亮了18萬隻電燈。之後,利用變壓器變換的交流電力系統以其長距離、低損耗的優勢在世界上被廣泛採用。

1893年4月,美國電氣工程師A.E.Kennelly發表了一篇論文,他說如果交流電採用正弦波,就可以引入「阻抗」概念,和直流電路一樣利用歐姆定律計算交流電路。這篇文章發表後,正弦波立即在電氣工程領域得到應用。


3.交流電頻率的選取

在電力發展早期,有大約20種赫茲數:


頻率究竟是高好還是低好呢?

如果頻率高,電燈的閃爍就少,變壓器和發電機的鐵心體積都會減少;如果頻率低,交流電路特有的電抗效應就會減弱,對於二極感應電機而言,如果頻率為60赫茲,電機轉速就接近3600轉/分,這在當時的技術條件下是過高了。

1887年英國的發電廠概貌


1900年,巴黎舉辦世界博覽會,大會向歐洲各國訂購了20套發電設備,其中16套是50赫茲,3套是42赫茲,1套是25赫茲。此後,歐洲逐漸向50赫茲靠攏。

在美國,威斯汀豪斯和特斯拉進行了不同頻率的交流電實驗,結果表明,頻率低輸電線上的電能損耗也低,他們打算採用20赫茲的交流電,但20赫茲時照明設備產生了閃爍,至少50赫茲人才感覺不到閃爍。因此,他們把電源頻率定為60赫茲。


在日本,1896年東京電燈公司從德國訂購了6臺50赫茲的發電機,1897年大阪電燈公司從美國訂購了5臺60赫茲發電機,因此,日本東部是50赫茲,西部是60赫茲。


二、舊中國標準頻率制訂情況

在第二次工業革命過程中,許多不同的頻率和電壓曾被使用過,由於建設電網的設備投資巨大,電網規格的標準化進展緩慢。儘管如此,21世紀以來,使用50 Hz工頻的電網趨向於使用220–240伏電壓;使用60 Hz工頻的電網趨向於100–127 V供電。


1.亞浦耳公司的建議

舊中國的發電設備來自外國,電壓和頻率繁雜,給製造、使用、管理、發展帶來了極大不便。


1928年7月16日,亞浦耳公司向上海社會局公用局呈文,呈請上海特別市政府轉請中央主管機關,建議規定200伏和50赫茲為中國電壓頻率標準。

亞浦耳公司在呈文中說:

此種流弊,使國內電器業製造出品時一物須備數種式樣,方可適合各城鎮之用,因之手續繁而成本重。至於用戶,損失更多,有在甲地所用之電器,迨遷至乙地,變不適用而束之高閣,即勉強應用,或致該電器生命發生危險,而受無形損失,欲除此弊,亟須規定劃一標準。


現下國內各城鎮發電廠所採用之發電機,歐洲制者十之七八,美洲制者僅十之二三,舍寡就眾,更正較易。


2.50Hz標準頻率的制訂經過

1929年2月,國民政府建設委員會電氣處分六個步驟開始制訂我國電壓頻率標準。

① 調查國內外電氣標準。

② 起草方案。

③ 函請各有關學術團體審查。

④ 匯總各方意見,修正草案。

⑤ 函送修正案,向有關團體、專家徵求意見。

⑥ 制訂「電氣事業電壓周率標準規則」,呈送行政院,於1930年9月12日以建設委員會會令形式公布,「自民國20年1月1日起施行」。


3.東北淪陷區的頻率

1932年3月,日本控制的偽「滿洲國」成立。1933年「満洲年鑑」記載,東北有發電企業143家,其中頻率為50赫茲的有49家,直流的有38家,60赫茲的有23家,25赫茲的有2家。


1935年「満洲年鑑」記載,關東軍要求滿洲電氣委員會統一頻率,規定50周波為標準頻率:


三、新中國標準頻率制訂情況

全國解放後至今,電業主管機關在制訂全國供用電的規定或標準時,也都順延將供用電頻率規定為50赫茲。


新中國最早規定50赫茲為標準頻率的文件是1953年6月由燃料工業部頒布的《電力系統調度管理暫行條例》,其中第97條這樣規定:


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