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电网频率是电能质量的重要标志之一
作者:ert100a    发布于:2017-02-15 16:03    点击:

       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)。
       供电系统有史以来究竟出现多少种频率恐怕难以说清。据有限的文献记载,除航空器外,历史上出现过的交流电网频率高的有1331/3Hz(双极8000转),低的有161/3Hz(双极1000转),千差万别。

       影响交流电网频率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。
1) 负荷特性
       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。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)。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。
       在19世纪末20世纪初的制造条件下,可生产在50Hz系统能够运转良好的电机,却难以造出在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。
2) 输变电设施
       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。
机场的特殊情况是:机载发电机要求体积小重量轻,只有提高频率才能满足功率要求,所以相应的机载电气设备用400Hz,与飞机相关的电源要400 Hz,一般军用的会更高。航空器上的电源采用400Hz就是为了减小体积和重量。军电、航电的400Hz主要取决于以下几点:
I. 频率高的发电机或电动机由于转速高、转矩小而体积、重量较小;
II. 飞机上发电机的动力取自航空发动机,转速较高;
III. 直流用电设备较多,频率高有利于减小整流纹波。
       不用100Hz或120Hz是因为频率太高,一方面传输困难,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,选择较高频率则反之;另一方面,发电机和电动机的转速太高或极数太多都不可取。400Hz的电不能远距离传输,用户订购400Hz发电机时要给定传输距离及方式,整流效率也差,但整流后纹波较小,纹波频率较高,更好处理。
        从输电的角度,如果采用较低的频率,譬如30 Hz,变压效率低,那么将不利于交流电的变压和传输。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。
3) 原动机和驱动系统
       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。
4) 其他技术上的影响因素
       当然,技术上的影响因素还有很多。比如由于频率低的系统同步并网的难度较小,在早期电网运行水平落后的情况下,容易受到运行者的青睐。

频率偏差的问题


       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。大多数国家规定频率偏差±0.1~0.3Hz之间。在我国,300万kW以上的电力系统频率偏差规定不得超过±0.2Hz;而300万kW以下的小电力系统的频率偏差规定不得超过±0.5Hz。由于大机组的运行对电力系统频率偏差要求比较严格,因此有些国家对电力系统故障运行方式的频率偏差也作了规定,一般规定在±0.5~±1Hz之间。超过允许的频率偏差,大机组将跳闸,这不利于系统的安全稳定运行。
       例如,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,瞬间就会让世界跌入黑暗。
       在电力系统内,发电机发出的功率与用电设备及送电设备消耗的功率不平衡,将引起电力系统频率变化。当系统负荷超过或低于发电厂的出力时,系统频率就要降低或升高,发电厂出力的变化同样也将引起系统频率变化。另外,我国电网的频率变化范围是±1Hz。因为频率调节惯量较大,范围小容易引起电网振荡。在大网并网前,兰州地区的电网频率在50.5Hz以上,上海地区在49.5Hz左右。现在的大网并网有利于电网频率及电压稳定。显然,载波频率越高,正弦波型越好,电机绕组的谐波越少。但是辐射干扰能量提高,干扰周边电气设备。

频率互换对电气元件的影响



       所谓电气交变频率影响无非是电磁能的相互转化与损耗。主要表现形式为交变磁场在导体通电过程中产生磁场和感应电动势,或者通电导体周围形成磁场。所以交流元件与直流元件的区别在于交变和感应。实际工作中无论从旋转电机、变压器、交流接触器来分析,都可以归为感性元件的影响。当然50 Hz/60 Hz的阻性元件亦有区别。
1) 频率互换对灯、加热器等阻性元件影响
       多数人经常认为,这些元件无非就是一个电阻,无论通入直流与交流都可以满足其发光与发热,只要满足电压等级要求即可满足其功率。其实不然。把灯及加热器比作规则导体(以圆形为例),理论电流在导体中是均匀分布的,当我们通入交流电时由于电磁感应,在导体中心处会感应出阻碍电流的电动势,此时电流趋于导体的外环和外表面,分布开始不均匀,这是一种“集肤效应”现象。故而不难推断,当电压一定时,频率由50 Hz 更换到60 Hz 应用中,感应电动势增加,导体中心环面积增大,导体电流流通的有效面积减小,相应的导体电阻增加,电流减小,功率下降。
严格意义上讲,并非阻性元件没有影响,只是某些时候由于低电压等级对其性能影响不明显而不予考虑。
2) 频率互换对交流接触器的影响
       交流接触器主要是靠线圈通电后产生磁场,动、静磁铁在电磁力的作用下吸合,在失磁后通过弹簧的反向阻力进行关断。
       小型接触器的阻抗很小,在忽略阻抗压降的情况下,电动势成正比关系,当频率由50 Hz 变为60 Hz 时,感应电动势增加到1.2 倍,所以相应控制电压应提高到1.2 倍,则根据麦克斯韦公式知50Hz变60Hz时接触器的吸合力减小。为了满足吸合力要求,应该增加控制电压幅值。否则,吸合力不够将导致继电器会跳动、接触不良,最后导致损坏。
3) 频率互换对旋转机构的影响
       主要针对电机旋转体进行探讨,例如60 Hz 电机通入50Hz 电源,电压保持不变的情况下,根据可知频率下降1.2 倍转速下降1.2 倍。磁通密度增加1.2 倍,空载电流增加,根据 可知电抗值下降,启动电流则相应增加,供电电压若不进行降压,则输出扭矩会增大,电机绕组温升会升高,长时间运行会损坏电机。同时,由于电机转速的折损,其空气流通性降低,导致通风量减少,散热性能变差。
        对于电动机来讲除了型式试验必须满足参数一致测试外,对于项目中的电机验收工作,温升试验、振动试验、噪声试验,在50 Hz/60 Hz 工作中不可以互换,其余影响并不大。因为电机在设计过程中对参数均留有裕度。
4) 频率对其他设备和元件的影响
        50 Hz/60Hz对于变压器和互感器的影响,和接触器类似,频率的改变对其性能影响不大,主要体现在损耗和温升上,一定设计容差范围内可以通用。另外,相同容量的变压器或互感器以50Hz 频率设计时比以60 Hz 设计的尺寸偏大,因为满足相同电压等级U≈E=4.44Fnbs,频率小,匝数N增大或有效面积增加。
对断路器或者空气开关的影响,同等电压等级下,随着交变周期(频率)的变化,断路器的关断时间,灭弧区间等有所影响,多数断路器的关断时间以区间界定,并非针对某一点且动作电流可以按要求整定,故在控制、保护需求精度不高的情况下可以通用,仅从使用角度讲性能存在差异但不会有较大影响。

附:我国电网频率的发展历史

时间

事迹

1890年

2月

上海新申电气公司从英国引入交流白炽灯,并加装1 台25kW 的单相100Hz 交流发电机,于当年4 月投入运行,开始了中国交流电供用电的历史。

1928年

7月16日

鉴于1956 年以前中国大陆的汽轮发电机组全部来自国外,供用电的电压和频率繁杂,给电力设备的制造、使用和管理带来极大不便这种状况,位于上海的中国第一家民族资本电灯泡制造厂——亚浦耳公司向上海社会局公用局呈文,呈请上海特别市政府转呈中央主管机关建议规定200V 和50Hz 作为中国的标准电压和标准频率。

1930年

9月12日

以建设委员会会令形式公布“电气事业电压周率标准规则”,从而诞生了中国第一个电压频率标准,采用50Hz 作为我国的标准频率。

1953年

6月

新中国成立后最早规定50Hz为供用电标准频率的文件是1953 年6月由中央人民政府燃料工业部颁布的《电力系统调度管理暂行条例》,其中第97 条规定:“电力系统的周率应连续不断地保持在五十周波的水平上。其差别不得大于±0.5(50.5~49.5)周波。”

2005年

7月29日

由国家质量监督检验检疫总局发布的GB/T 1980—2005《标准频率》,规定单相和三相交流电力系统的标准频率是50Hz。


本文属于转载
原作者:齐路

      北京欧罗特高科电力设备有限公司针对电网中的电能质量问题,组织研发组在系统应用中专项开发出电能质量模块,监测电网系统中异常波动。

脚注信息

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