电网电压和频率确定原因

为什么用电频率是50Hz？

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，如纺织业、电子业、航空航天业等；也是电网调度赖以控制电力系统运行的核心参数，比如调峰调频和互联网的区域控制误差（ACE）。如此关键的指标，为什么选取50赫兹（或60赫兹），教科书上少有述及，也罕见有人对此刨根问底，《为什么用电频率是50Hz？》一文，对电网频率的前世今生，给出了较为科学的分析，令人耳目一新。

交流电网频率从零乱到趋同，是电力工业发展历程的重要一章，恰恰也是容易被忽略的一篇。供电系统有史以来究竟出现多少种频率恐怕难以说清，有限的文献记载，除航空器外，高的有1331/3Hz（双极8000转），低的有161/3Hz （双极1000转），千差万别。究其原因，影响交流电网频率选择的因素复杂化是根本，但主要集中在用电设施、输变电设施和原动机方面，对相关因素的分析，必须放到当时的历史背景下展开讨论。

负荷特性是决定因素之一，以供照明负荷为主的电网趋于选择较高的频率，白炽灯在40 Hz下就存在明显的闪烁；而以供感应电机负荷为主的电网趋于选择较低的频率（目前有些电力机车供电系统还采用25 Hz，通过换流器与大电网连接），在19世纪末29世纪初的制造条件下，可以生产在50Hz系统能够运转良好的电机，却难造出在1331/3Hz系统运行的感应电机，因此，对于兼有多种负荷的系统，折中不失为现实方案，比如建于1895年的英国考文垂的单相电力系统的频率就选取87 Hz，一直沿用至1906年。

输变电设施是决定因素之二，从变电设施的角度趋于选择较高的频率，有利于减少变压器的体积和材料，这也是为什么飞机现在依然普遍采用400 Hz供电系统的主要原因，减轻重量是飞行器制造的首选目标。但从输电的角度，尤其是长距离输电，则倾向于选择较低的频率，频率越低，线路的阻抗也越低，输电损耗就越少，仅此而言，直流输电有其优越性，兼顾两方面的特性，也需要寻求平衡。

原动机和驱动系统是决定因素之三，在当时的机械制造水平，变速系统成本高昂，因此，原动机的转速直接成为发电机的转速，发电机的极数受制于材料，对频率的提高有诸多的限制，西屋公司首建于1895年的尼加拉瓜瀑布水电站，选用的频率就是25 Hz（12极250RPM），主要就是水轮机的转速限定的。由于该电站的重要性和西屋公司的统治地位，25 Hz也一度成为北美低频交流的频率标准（美国北部、加拿大渥太华、魁北克地区的一些配电系统一直沿用到20世纪50年代）。

当然，技术上还有很多影响因素，比如早期电网的运行水平，频率低的系统，同步并网的难度就小，受到运行者的青睐，还有同步电钟的问题，60进制显示了优越性，后来还有交流噪音问题，林林总总。可见，诸多的技术元素左右着频率的选择。

回溯交流电网频率的统一过程，不纯粹是技术之争，其中也可窥见权力角逐。技术分析表明，根据20世纪上半叶的实际，综合上述各项影响因素，40 Hz 可能是最好的选择，也确实有很多系统采用了40 Hz，德国早期的劳芬--法兰克福联网系统采用的是40 Hz（1891年，输电距离长达175公里），英格兰东北部电网在20世纪20年代成立英国国家电网之前也一直使用40 Hz，意大利也是使用40 Hz系列（42 Hz），匈牙利也是接近使用40 Hz（412/3 Hz），但该频率最终没能成为标准，显然技术不是唯一的原因。

在标准的形成过程中，设备制造商和电网经营者起到了决定性的的作用。在欧洲，电机、变压器生产商，德国的VDE公司推荐25 Hz和50 Hz两项标准，到1914年放弃了25Hz，全力推动50 Hz。同时，爱迪生德国公司设立的AEG公司19世纪末首次建造德国的发电设施，采用50Hz，之后依托其垂直垄断力，携手在欧洲推行50 Hz标准，历时40余年，直到二战之后才真正形成；而在美国，兼有制造和运行交流供电技术优势的西屋公司，在1890年后力推

60 Hz的较高频率的标准（相对25 Hz低频交流的频率标准），在美国系统沿用至今，期间，1893年，美国GE公司按照其爱迪生系的频率标准，在加州部分供电系统采用50 Hz，但因竞争压力，最终（1948）屈从于西屋的60 Hz标准。欠发达国家，尤其是殖民地国家则主要是依附宗主国和制造商的选择，如巴西一开始就兼有50和60 Hz，1938年通过立法，力图通过8年的时间，统一到50 Hz，但最后没有成功，因为多数发达地区都采用60 Hz，20世纪60年代又改为60 Hz。50与60，成就了现有基本格局，一般而言，110V供电系统采用60 Hz标准，220V供电系统采用50 Hz标准。

50与60 Hz，技术上难分伯仲，大多数家用电器也能混用，由于电力系统的地域性，似乎也没有统一成一种标准的动力，而且要从一种标准变更到另一种标准，其难度是难以想象的。对于平常百姓，频率的重要甚至其存在看似无关紧要，但对于将电能转变成动能的设备，它的输出功率是与频率的高低正相关的（因种类不同从1次幂到4次幂不等）。因此对于电力行业自身，频率的重要性便是不言自明的，我国60~70年代，汽轮机叶片断裂的事是经常发生的，其罪魁祸首就是频率偏差。当时由于电力严重短缺，电网长时间低频率运行（经常低到48 Hz），汽轮机的转速、振动都是按照50 Hz设计的，长时间偏差运行，除降低效率，还带来加速疲劳等问题，造成叶片断裂。对电力系统运行而言，最严重的事故莫过于频率崩溃，瞬时就会让光明世界跌入黑暗。

因此了解频率，历史地观察频率，不无补益。脱离当时的技术条件讨论标准形成的对与错显然是有失公允的，漠视旧标准对新技术发展的障碍也并非科学精神。回溯频率标准的演进，是否还觉得理所当然，在制造技术、控制技术、信息技术日新月异的今天，变频技术的节能效果、双频技术对影像效果的改良，新能源发电技术的发展，频率的现行标准还会不会一成不变，试问谁来续写频率的明天。

从本质上说，50Hz和60Hz的区别不是很大，只不过是发电机的转速略有差别。选择50Hz或60Hz，在一个国家里（日本除外）总得一致。我们应当关注的是，为什么要采用50Hz或60Hz，而不是更高或更低。在电力系统里，频率是一个很重要的基本要素，并不是随意确定的。

这一问题看起来简单，实际上是比较复杂的问题，涉及的方面比较多。人们总结出来的定理为，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50/60Hz，电流方向每秒钟发生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。50Hz 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100Hz，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。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30Hz，变压效率低，那么将不利于交流电的变压和传输。

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，一个电力系统只能有一个频率。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。日本有两个周波数，关东是50Hz，关西是60Hz！日本向老外学发电时，关东人跟欧洲人学，买50Hz的发电机，而关西人则跟美国人学，买60Hz的发电机！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