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浅谈为什么电网频率偏偏是50Hz
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2017-11-14
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摘要：
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。
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。
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