中国交流电的频率
那么,为什么要选择50Hz交流电而不是5Hz或400Hz呢?听边肖的!
频率低会怎样?
最低频率是0,这是DC。为了证明特斯拉的交流电是危险的,爱迪生用交流电电死了一群小动物,如果大象也是小动物的话...客观来说,在同样的电流下,人体能耐受交流电的时间比能耐受交流电的时间长,这跟心室震颤什么的有关,就是交流电更危险。
但是爱迪生最终输给了特士拉,而交流电以容易改变电压等级的优势击败了DC。在传输功率相同的情况下,如果提高电压,传输电流会降低,线路上消耗的能量也会降低。
DC电力输送的另一个问题是难以切断,这个问题直到现在仍然是个问题。DC传输的问题和平时拔掉电器插头产生电火花的问题是一样的。当电流达到一定程度时,这种电火花就无法熄灭,这种电火花就叫做“电弧”。
对于交流电来说,电流会改变方向,所以存在电流过零的时刻。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。但是DC洋流的方向不会改变。没有这个过零点,我们将很难熄灭电弧。
低频交流电怎么了?
一是变压器的效率。变压器通过初级侧磁场的变化来升压或降压。磁场频率变化越慢,感应越弱。极端的情况是DC,根本没有感应,所以频率太低。
二是用电设备的功率问题。比如汽车发动机的转速就是它的频率,比如怠速500转,加速换挡3000转,分别换算成8.3Hz和50Hz的频率。这说明转速越高,发动机的功率越大。
同样,在相同频率下,发动机越大,输出功率越大,这也是柴油发动机比汽油大的原因。只有大的柴油机才能驱动像公共汽车和卡车这样的重型车辆。
同样,电机(或所有旋转机械)既要求体积小,又要求输出功率大,只有一个办法——提高转速,这就是为什么交流电的频率不能太低,因为我们需要体积小但功率大的电机。
变频空调也是如此。通过改变交流电的频率,控制空调压缩机的输出功率。总之,功率和频率在一定范围内是正相关的。
先说频率高了会怎么样。
比如400赫兹怎么样?
两个问题,一是线路和设备损耗增加,二是发电机转速过快。
先说损失。输电线路、变电设备、电气设备都有电抗,电抗与频率成正比。频率越高,电抗越大,消耗的无功功率越大,可传输的有功功率越少。
目前50Hz输电线路的电抗约为0.4欧姆,约为电阻的10倍。如果提高到400Hz,电抗为3.2欧姆,约为电阻的80倍。对于高压输电线路,降低电抗是提高传输功率的关键。
与电抗相对应的是容抗,容抗与频率成反比。频率越高,线路的容抗越小,漏电流越大。如果频率高,线路的漏电流也会增加。
另一个问题是发电机的速度。现在的发电机组基本都是单级机,也就是一对磁极。为了产生50Hz的电力,转子速度应该达到每分钟3000转。当发动机转速达到3000转时,可以明显感觉到发动机在震动。当它转到6000转的时候,你会觉得发动机快要跳出发动机罩了。
汽车发动机尚且如此,何况一个坚固的铁结转子和重达100吨的汽轮机,这也是电厂噪音大的原因。一个重达100吨的钢制转子每分钟旋转3000转是不容易的。频率再高三四倍,估计发电机就能飞出工厂了。
这么重的转子有相当大的惯性,这也是动力系统被称为惯性系统,能够保持安全稳定运行的前提。也是风电、太阳能等间歇性供电挑战传统供电的原因。
因为景色变化很快,几十吨重的转子由于其巨大的惯性(爬升率的概念),减少或增加出力的速度很慢,跟不上风力和光伏发电的变化,所以有时不得不弃风弃光。
总而言之:
频率不能太低的原因:变压器能效高,电机可以小功率。
频率不能太高的原因:线路和设备损耗可以小,发电机转速不需要太高。
所以根据经验和习惯,我们的电能设置在50或者60Hz。