我国供用电频率50Hz的起源

2010年3月第25卷第3期

电工技术学报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL

SOCIETY

Vol.25 No. Mar. 2010

3

我国供用电频率50Hz的起源

雷银照

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院

摘要

北京 100191)

在电力工业的发展初期,世界上存在许多种供电频率;旧中国的汽轮发电机组全部来

1928年,中国民族资本企业上海亚浦耳公司建议国民政府把1930年9月,国民政府建设委员会鉴于当时中国发电厂中半数以上

50Hz作为中国的供用电标准频率,制定了“电气事

50Hz。从目前技术条件出发,

如果能够重新选取

50Hz

自外国,因此有多种供电频率。作为中国供用电的标准频率。的供电频率是

50Hz,把世界多数国家采用的

业电压周率标准规则”,这是中国第一个供用电电压频率标准。中华人民共和国成立后至今,中央政府电业主管机关也都将供用电标准频率规定为

关键词:50Hz

标准频率 来源 中国

一次电力系统供用电标准频率,频率最优值可能是几百赫兹。

中图分类号:TM1

The Origins of 50Hz Power Frequency in Mainland China

Lei Yinzhao

(Beihang University Beijing 100191 China)

Abstract

This paper is concerned with the origins of 50Hz power frequency used in Mainland

China. In the early development stage of the power industry, there were various kinds of power frequencies in the world. All the turbogenerators used in Old China imported from abroad, thus there existed different kinds of power frequencies. In 1928, OPPEL Lamp Manufacturers Ltd. in China suggested that the government should prescribe 50Hz as the standard power frequency of China. Then, in September 1930, the government prescribed 50Hz used by more than half the power generation stations of China and many regions of the world as the standard power frequency of China, and the first standard rule of China was constituted. 50Hz has still been prescribed as the standard frequency of China since the foundation of the People

’s Republic of China. Based on science and technology

conditions at present, if we could choose the standard power frequency once again, the viewpoint of author is that the most appropriate frequency may be several hundred hertz.

Keywords:50Hz, standard power frequency, origin ,China

1引言

频率是描述周期现象的一个参数,它表示完整

电力系统频率的变迁问题,并有研究结果发表,例如文献[1-4]。从1996年起至今,中国的发电装机容量和年发电量一直位居世界前列,这些电能都是50Hz正弦交流电。为什么中国电力系统频率采用50Hz?它有怎样的历史渊源?如果我们今天选取新的电力系统频率,是否还应采用

50Hz?截至目前

尚未见到探讨这些问题的文献。供用电频率的大小涉及人们的日常生活,事关国民经济的所有用电行业,因此研究我国供用电频率的制定及其演变情况,不仅有助于了解我国电力工业发展历程,而且对于

的循环次数与所需时间之比。在国际单位制中,频率的单位是赫兹,符号是

Hz,它表示周期函数在

50Hz和

1s时间内完成的循环次数。目前世界各国电力系统都采用正弦交流电流,所用频率主要有

60Hz。在美国、欧洲和日本,都分别有学者研究过

收稿日期 2008-04-20 改稿日期 2009-03-30

第25卷第3期雷银照我国供用电频率50Hz的起源 21

今天选取新的供用电频率也有一定的启示。情况,而无需先耗资建造无把握的电力系统。正弦波立即在电力系统中得到应用。采用正弦交流电后,发电机容易并联运行,长距离送电线路上的高次谐波对电报线路的干扰减弱,送电线路因费兰

此后,

2 西方国家供用电频率的演变

2.1 交流电的起因

1831年,英国物理学家法拉第(律,为电能的大规模应用奠定了基础。国电气工程师格拉姆(年,塞尔维亚人特斯拉(研制出第一台感应电动机,

M. Faraday,1869年,法

1883

1791—1867年)通过大量实验发现了电磁感应定

Z. T. Gramme,1826—1901N. Tesla,1856—1943年)1884年他移民到美国,

[3]

梯效应(见正文后附注①)引起的过电压减弱,感应电动机中由高次谐波旋转磁场引起的铁损减少;并且变压器的一次和二次的电压波形一致,与其他波形相比,正弦波的传输特性更好广泛采用。

2.3 交流电频率的选取

交流电的波形确定后进一步需要确定频率。在电力工业发展早期,欧美各国曾采用了多种供用电频率(单位Hz):15,16(见正文后附注②),20,

32

[7]

。于是,从1893

年)制成了世界上第一台实用的直流发电机。

年之后正弦波作为交流电的标准波形在欧美各国被

在爱迪生电灯公司工作,不久与主张直流输电的爱迪生(T.A. Edison,1847—1931年)发生争执1885年,特斯拉把他的交流发电机专利卖给了威斯汀豪斯(G. Westinghouse,1846—1914),并加入了威斯汀豪斯公司。这笔交易触发了爱迪生的直流体系和威斯汀豪斯公司的交流体系的竞争

[5]

25,30,33,40,42,46,50,60,66

3

123

,80,

1886年,美国威斯汀豪斯公司在麻省的大巴令顿建造了一座实验性的单相交流发电站,这一成就使交流电力系统将电能输送到直流电力系统从未达到的远距离,促进了交流电力系统的迅速发展。年,在芝加哥举办的纪念发现新大陆

界博览会上,威斯汀豪斯公司用交流电力系统供电点亮了18万只电灯。其后,利用变压器变换电压的交流电力系统以其长距离、低损耗的优势在世界电力系统中被广泛采用。2.2 供用电波形的选取

1880年以前,发电机的负荷主要是电灯,对交流电的波形要求不高。以后随着电灯数量的增多,发电厂不仅需要提供更多的电能,保证高的供电品质,而且还要经济、可靠运行,这就需要多台发电机并联运行;1890年以后开始长距离输电,感应电动机也开始在欧美普及。这样,在交流电力系统中对波形、频率和相数都提出了需要统一的要求。

当时,电灯电路中电压和电流之间关系复杂,计算交流电路非常困难。年)发表了一篇论文“

1893年4月,印度出生的Impedance”,他说如果交流

美国电气工程师肯涅利(A.E. Kennelly,1861—1939电采用正弦波,就可以引入“阻抗”概念,从而就能和直流电路一样利用欧姆定律计算交流电路。1893年8月,德国出生的美国电气工程师施泰因梅茨(C. P. Steinmetz, 1865—1923年)在第5届国际电气会议上作了“用相量法计算交流电路”的报告

[6]

83.3,87,100,125,133等。

3

1

频率的选取要同时兼顾照明和感应电动机。如果频率高,电灯的闪烁程度就弱,变压器和发电机

1893

的铁心体积都会减少。如果频率低,就能和直流一样使用整流子电动机;交流电路特有的电抗效应就会减弱。1900年,巴黎举办世界博览会,大会向欧洲各国订购了靠拢。

在美国,威斯汀豪斯和特斯拉实验了不同频率的正弦交流电,结果表明,频率低时输电线上的电能损耗也低,他们打算采用50Hz时人的眼睛才觉察不到。

20Hz交流电,但照明而威斯汀豪斯看中的

8个极,汽轮

133.3Hz

设备在20Hz时产生了令人苦恼的闪烁,频率至少频率是133.3Hz,因为他的发电机有

20套发电设备,其中

16套是50Hz,

3套是42Hz,1套是25Hz。此后,欧洲逐渐向50Hz

400周年的世

机以2000r/min来驱动时效益最佳。虽然电源频率固定为技术人员认为,

可用于照明,但电力传输效率不高,因此,他们把

60Hz。自此以后,特斯拉的感应电

60Hz来设计。当时美国的

50Hz,而欧

60Hz优于欧洲普遍采用的

动机和其他发明都围绕

60Hz的发电机尺寸小,变压器的转换效率高。洲的技术人员认为,输电线路

无负荷充电电流增加,而且当时电气列车用的整流

60Hz时电抗增大,

装置是旋转交流机,60Hz的变流机在过负荷时整流子容易闪络。1904年在美国圣路易斯市召开国际电工技术会议的预备会议,会上美国代表施泰因梅茨热情地向英国代表介绍

60Hz的优点,建议英国采

。利用相量法设计电力系统,可事先预测运行

22 电工技术学报 2010年3月

用60Hz作为标准频率。尽管这样,美国的频率统一仍比欧洲晚,

1919年美国仍存在多种供用电频

率,其中以25Hz和60Hz所占的发电容量比例最大。1920年,美国联邦政府成立了电力调查会,推荐60Hz为美国的标准频率

[4]

洲制者十之七八,美洲制者仅十之二三,更正较易。”

舍寡就众,

1928年9月4日,上海特别市政府将此建议转呈国民政府交通部,后附有上海特别市各电厂频率及电压调查表一份,共有50Hz,1家是60Hz。3.2

标准频率的制定经过

1929年2月,国民政府建设委员会从交通部接收主管全国电气事业。为制定电压和频率标准,建设委员会依次开展了以下工作

[11]

。8家电厂,其中7家是

随着欧洲、美国各自供用电频率的统一,世界其他国家和地区也都分别以这两个频率作为各自的标准频率。在日本,AEG公司订购了年大阪电灯公司从美国

1896年东京电灯公司从德国GE公司订购了5台150kW、6台265kW、50Hz的发电机,1897

参加调查的有建设

60Hz发电机,因此,至今日本仍采用两个供用电频率,以静冈县富士山和新泻县的丝鱼川市为界,东部是50Hz,西部是60Hz

[1,8]

(1)调查国内外电气标准。

委员会电气处和上海各洋行(蔼益吉、斯可达、新通、茂和、怡和、慎昌、安利、西门子、万泰、三井、三菱、通用)。各洋行负责调查本国电机制造标准。调查表明,虽然历史上曾使用近但当时最通行的频率是分是25Hz和16电厂中,采用商经营的

23

3 中国第一个供用电标准频率的制定

3.1

亚浦耳公司的建议

1879年5月28日,上海公共租界英国工部局电气工程师毕晓浦(

J. D. Bishop,生卒年不详)在

以1台10马力蒸汽

上海虹口乍浦路的一幢仓库里,地上的第一盏电灯

[9]

20种不同频率,

50Hz和60Hz,还有一小部

Hz,其余都已淘汰。在中国自办

50Hz者105家,60Hz者73家;洋

50Hz;在全国发电总装

机为动力,带动自励式直流发电机,点亮了中国土

。1890年2月,上海新申电气

1台25kW的4月投入运行,开。

公司从英国引入交流白炽灯,并加装单相100Hz交流发电机,于当年始了中国交流电供用电的历史自国外

[10]

[9]

35家电厂中,除南满铁道有一部分采用

25Hz外,其余大多数采用

机容量方面,50Hz交流电占61.9%。

(2)起草标准方案。当时中国口岸城市多数使用了美国的机转速比合算的

[12]

60Hz设备,美国专家说,50Hz的电动机快

60Hz的电动

1956年以前中国大陆的汽轮发电机组全部来

,供用电的电压和频率繁杂,给电力设备

鉴于这种状况,

的制造、使用和管理带来极大不便。本电灯泡制造厂——亚浦耳公司呈中央主管机关建议规定标准电压和标准频率

[11]

20%,转换效率高,因

此采用美国的标准频率60Hz是先进的,经济上是

50Hz,所

。电气处认为,我国发电总装机容量的大

1928年7月16日,位于上海的中国第一家民族资

(见正文后附注③)

向上海社会局公用局呈文,呈请上海特别市政府转

200V和50Hz作为中国的。

部分是50Hz,而且世界大多数国家也是

以应采用50Hz作为我国的标准频率。1930年3月,建设委员会电气处着手起草电压和频率标准方案,建议标准频率为

50Hz。

1930年4月4

5家单位征求意见:中

(3)函请各有关学术团体审查。日,标准方案由电气处抄送

亚浦耳公司在呈文中说:

“窃因现下各城镇发电厂所供给之电压,有二百伏而次(见正文后附注④)及一百伏而次之分,周波有五十与六十之异。

盖因发电机有购诸欧洲者,

其电压为二百,其周波为五十。有购诸美洲者,其电压为一百十,其周波为六十。此种流弊,使国内电器业制造出品时一物须备数种式样,方可适合各城镇之用,因之手续繁而成本重。至于用户,损失更多,有在甲地所用之电器,迨迁至乙地,变不适用而束之高阁,即勉强应用,或致该电器生命发生危险,而受无形损失,欲除此弊,亟须规定划一标准。”“现下国内各城镇发电厂所采用之发电机,欧

国工程学会工程研究委员会、交通大学电机工程学院、浙江大学工学院、中央大学工学院电机科、浙江省电气局。各方一致同意以

50Hz作为我国的标

25Hz

准频率,浙江省电气局主张电气铁道应用的频率不在此例,浙江大学工学院也主张电气铁道适用应规定为第二标准。

(4)汇总各方意见、修正草案,向有关公私团体、专家、洋行征求意见。发出

(5)经过一年多的起草,图1),最后呈送行政院,于

28件,回复14件。建设委员会参酌各方

(见

1930年9月12日以建

意见,制定了“电气事业电压周率标准规则”

第25卷第3期雷银照我国供用电频率50Hz的起源 23

设委员会会令形式公布,从而诞生了中国第一个电压频率标准。

对于这个标准的重要性,当时任职于建设委员会电气处的恽震(

1901—1994年)在其

[13]

有发电公司143家,其中频率为50Hz的49家,直

,其他记载(原文

流的38家,60Hz的23家,25Hz的2家(南满洲电气株式会社鞍山支店、哈尔滨东支铁道)30多家频率不详。

据1935年出版的《満洲年鑑》为日文,见图

[15]

1934年5

月的著作《电气事业经营要略》中说:

“中国标准周率,现为五十周波。六十周波之机器,久后必归淘汰。故今后建设新厂,万不可再购六十周波之发电机。至现在已用六十周波之电厂,其于添购新机时,亦毅然改用五十周波。盖不能忍一时之痛者,日后积重难返,愈趋愈远,及至事实上非改不可之时,电厂及用户双方之损失,且将不可计量。”

顺便指出,截止到1935年5月,国民政府建设委员会制定了多个电气事业条例和规则

[13]

2),满洲电气委员会经过广泛调查和

讨论,决定:①全满电气设备的标准频率统一为50Hz。②今后电气设备除特殊情况外一律采用标准频率。③已建电气设施不符合标准频率的按以下办法统一:抚顺、鞍山、本溪湖等自用发电设备仍可使用,但向外部供电时必须是相联时要符合标准频率。

50Hz;现在尚无采用

50Hz输电系统

标准频率的地方如果今后扩建或与

,例如

《电气事业条例》、《电气事业注册规则》、《电气事业取缔规则》、《屋内电灯线装置规则》、《屋外供电线路装置规则》、《电力装置规则》、《电气事业人处理窃电规则》等。

图2 1935Fig.2

年“满洲年鉴”中的“周波数统制”

[15]

The control on power frequency in Manzhou yearbook

[15]

published in 1935

4 新中国供用电标准频率制定情况

中华人民共和国成立后至今,中央人民政府电业主管机关在制定全国供用电的规定、法规或标准时,也都顺延将供用电频率规定为

50Hz。新中国最

1953年6

3):

早规定50Hz为供用电标准频率的文件是度管理暂行条例》

图1 “电气事业电压周率标准规则”照片Fig.1 Photo

of voltage and frequency standard

[11][11]

[16]

月由中央人民政府燃料工业部颁布的《电力系统调

,其中第97条规定(见图

“电力系统的周率应连续不断地保持在五十周波的水平上。其差别不得大于周波。”

其后,1954年颁布的《电力工业技术管理暂行法规》

[17]

±0.5(50.5~49.5)

3.3 东北沦陷区的频率

1931年日本制造“九一八”事变后,以武力占领了中国东北三省;的伪“满洲国”成立。

据1933年出版的《満洲年鑑》

[14]

、1959年修订的《电力工业技术管理法规》

[18][19]

1932年3月1日,由日本控制

记载,东北

以及1962年颁布的《动力系统调度管理规程》也都规定供用电频率为

年由水利电力部制定的《全国供用电规则》

[20]

50Hz。值得注意的是,1963

在第

24 电工技术学报 2010年3月

9条中规定:

“电业局供给电能的周率为交流别地区为25周/秒或60周/秒)。”

50周/秒(个

(2)频率升高后旋转机械的离心力增大,强度要求高,制造难度增大。

(3)现代电力系统发生接地故障时,振频率大约在电压

[22]

材料

电路的谐

300~600Hz之间,因此当电源频率

接近谐振频率时,电网发生接地故障时容易产生过

(4)涡流损耗会增大。涡流损耗表现在硅钢片的涡流损耗和导线的涡流损耗两方面。硅钢片的涡流损耗与频率的二次方成正比。对于导线,设材料是钢芯铝绞线中的其中一根铝线,取铝线直径的典型值是4.8mm,经计算

[24]

,在50Hz、200Hz两种情

1.000倍、1.001

况下的导线电阻分别是直流电阻的

图3 新中国第一个涉及供用电频率的条例Fig.3

[16]

倍,即频率从几十赫兹上升到几百赫兹后,导线内的电流仍大体均匀分布,因此导线的涡流损耗的增加并不显著。5.3

频率最优值的估计

频率升高还有许多优点和缺点,一直存在两个供用电频率,

但综合起来看,

The first regulation related to the standard power

frequency in New China

[16]

这说明,1963年中国大陆供用电频率的主流是50Hz,但个别地区的供用电频率是

目前,我国最新国家标准是由国家质量监督检验检疫总局发布的2005《标准频率》统的标准频率是

[21]

25Hz和60Hz。2005年7月29日

GB/T 1980—

还是频率高一些为好。例如,日本自明治时代以来

第二次世界大战结束后,

7年时间统一

[4]

日本提出放弃50Hz,把全国频率统一到更高的60Hz,执行的结果是:除九州地区用到60Hz外,其他地方都没有实现系统的频率采用

400Hz。

。再例如,为了

,规定单相和三相交流电力系

50Hz。

5 频率选取的思考

历史上确定供用电频率为

50Hz或60Hz的因素

(电气设备、技术水平等)在今天已经发生了巨大变化,如果今天允许重新选取一次频率,究竟多少才是最好?下面简单分析频率升高的利弊。5.1 频率升高的有利因素

(1)发电机、变压器、电动机的体积都与频率成反比,频率升高后铜材和铁心的用量减少整个电力系统的电气设备造价减少。

(2)透平机的体积减少

[23]

[22-23]

减少飞机质量、提高电能转换效率,飞机交流电源

以目前的技术条件,若取大容量发电机的极对数为3,转速为6000r/min,则频率为300Hz;另一方面,发电机和变压器的线圈匝数、铁心用量的减少会使电网发生接地故障时的谐振频率上升。因此电力系统的最优频率估计在

100~300Hz之间。确

切数值需要作大量的研究后才能得出。

如果输电距离长,可将系统分段,以不同的频率输电:在发电端和用户端采用较高频率,中间电网部分仍用

50Hz输电或用直流输电。如果是小型

,则

独立电力系统(例如飞机、舰船上的电力系统)整个电力系统可采用较高频率。提高频率后,整个动力系统(动力设备与电力系统的合称)就成为一个高效、紧凑的系统。

[22]

。透平机的转速越

高效率越高,质量越小,例如航空发动机的转速都在10 000r/min以上。重要的透平机有:汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机、风力机、通风机、透平压缩机、离心泵和轴流泵等。

(3)电动机的输出转矩与频率成正比率越高输出转矩越大。

(4)由于集肤效应的影响,性减少。

5.2 频率升高的不利因素

(1)输电线的电抗增大,少。

从而电网输电容量减人身触电后的危险

,频

6 结论

(1)历史上采用交流输电的重要原因是交流电可通过变压器变换电压、低损耗长距离输电。

(2)交流电采用正弦波后,

可改善电路的传输

变压

特性,并可以使用相量法简单地计算电路。

(3)频率的选取要同时兼顾电灯的闪烁、

第25卷第3期雷银照我国供用电频率50Hz的起源 25

器和电机的体积、电网的传输能力。综合多种因素,欧洲采用

50Hz,美国采用

60Hz。受欧美影响,目

其中50Hz

前全世界只有这两个供用电频率。

(4)旧中国供用电频率的种类繁多,政府规定50Hz作为中国标准频率。

(5)1930年9月国民政府建设委员会经过广泛调查、咨询和研究后,制定了中国第一个“电气事业电压周率标准规则”,规定50Hz作为中国的标准频率。

(6)新中国成立后,中央政府电业主管机关顺延将供用电频率规定为国最早规定

50Hz。1953年6月燃料工

业部颁布的《电力系统调度管理暂行条例》是新中

50Hz为供用电标准频率的文件。

(7)假如能够重新选取一次供用电标准频率,最优频率估计是几百赫兹。

致谢:在考察新中国供用电标准频率制定情况时,作者曾向林海雪高级工程师电话请教,在此致谢。

说明:本文部分内容曾在国电气工程高等教育会”上报告。

(Sebastian

2008年4月召开的“中

100周年纪念大会暨第五届全

发电厂比例最大。1928年中国亚浦耳公司建议国民

2006年出版)。

④“伏而次”是电压单位,它是英语的汉语音译,也称为“伏而脱”特”。

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①费兰梯效应是英国工程师费兰梯

Ziani Ferranti,1864—1930年)发现的,是指长距离输电线路无负荷或轻负荷时线路终端电压大于始端电压的现象。

②赫兹数带有小数是由于当时采用的计量单位与今天的计量单位不同造成的。正负交替改变的次数。在

19世纪频率的单

1min时间内

位是Alternations/min,它表示电流在

1960年第11届国际计量

23

大会上,决定采用赫兹作为频率的单位名称。因此1Alternations/min=120Hz,16Hz=2000Alternations/ min。以往频率单位“周后都不再使用。

③亚浦耳公司是年),浙江宁波人,校电机专业,同年

1923年在上海创办的中国第

1897—1981

一家电灯泡制造厂。创办者胡西园(

/秒(cycle)”和“周波”此

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1921年毕业于浙江高等工业学4月4日他制造出了国产第一只

(中国文史出版社,

电灯泡。有关亚浦耳公司的情况可参考胡西园撰写的回忆录《追忆商海往事前尘》

26

21(3): 189-206.

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2008.

[M]. 北京:中

作者简介雷银照

男,1956年生,教授,博士生导师,研究方向为电磁场

[M]. 北京:中国工业

理论及其应用、中国电气发展史。

2010年3月第25卷第3期

电工技术学报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL

SOCIETY

Vol.25 No. Mar. 2010

3

我国供用电频率50Hz的起源

雷银照

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院

摘要

北京 100191)

在电力工业的发展初期,世界上存在许多种供电频率;旧中国的汽轮发电机组全部来

1928年,中国民族资本企业上海亚浦耳公司建议国民政府把1930年9月,国民政府建设委员会鉴于当时中国发电厂中半数以上

50Hz作为中国的供用电标准频率,制定了“电气事

50Hz。从目前技术条件出发,

如果能够重新选取

50Hz

自外国,因此有多种供电频率。作为中国供用电的标准频率。的供电频率是

50Hz,把世界多数国家采用的

业电压周率标准规则”,这是中国第一个供用电电压频率标准。中华人民共和国成立后至今,中央政府电业主管机关也都将供用电标准频率规定为

关键词:50Hz

标准频率 来源 中国

一次电力系统供用电标准频率,频率最优值可能是几百赫兹。

中图分类号:TM1

The Origins of 50Hz Power Frequency in Mainland China

Lei Yinzhao

(Beihang University Beijing 100191 China)

Abstract

This paper is concerned with the origins of 50Hz power frequency used in Mainland

China. In the early development stage of the power industry, there were various kinds of power frequencies in the world. All the turbogenerators used in Old China imported from abroad, thus there existed different kinds of power frequencies. In 1928, OPPEL Lamp Manufacturers Ltd. in China suggested that the government should prescribe 50Hz as the standard power frequency of China. Then, in September 1930, the government prescribed 50Hz used by more than half the power generation stations of China and many regions of the world as the standard power frequency of China, and the first standard rule of China was constituted. 50Hz has still been prescribed as the standard frequency of China since the foundation of the People

’s Republic of China. Based on science and technology

conditions at present, if we could choose the standard power frequency once again, the viewpoint of author is that the most appropriate frequency may be several hundred hertz.

Keywords:50Hz, standard power frequency, origin ,China

1引言

频率是描述周期现象的一个参数,它表示完整

电力系统频率的变迁问题,并有研究结果发表,例如文献[1-4]。从1996年起至今,中国的发电装机容量和年发电量一直位居世界前列,这些电能都是50Hz正弦交流电。为什么中国电力系统频率采用50Hz?它有怎样的历史渊源?如果我们今天选取新的电力系统频率,是否还应采用

50Hz?截至目前

尚未见到探讨这些问题的文献。供用电频率的大小涉及人们的日常生活,事关国民经济的所有用电行业,因此研究我国供用电频率的制定及其演变情况,不仅有助于了解我国电力工业发展历程,而且对于

的循环次数与所需时间之比。在国际单位制中,频率的单位是赫兹,符号是

Hz,它表示周期函数在

50Hz和

1s时间内完成的循环次数。目前世界各国电力系统都采用正弦交流电流,所用频率主要有

60Hz。在美国、欧洲和日本,都分别有学者研究过

收稿日期 2008-04-20 改稿日期 2009-03-30

第25卷第3期雷银照我国供用电频率50Hz的起源 21

今天选取新的供用电频率也有一定的启示。情况,而无需先耗资建造无把握的电力系统。正弦波立即在电力系统中得到应用。采用正弦交流电后,发电机容易并联运行,长距离送电线路上的高次谐波对电报线路的干扰减弱,送电线路因费兰

此后,

2 西方国家供用电频率的演变

2.1 交流电的起因

1831年,英国物理学家法拉第(律,为电能的大规模应用奠定了基础。国电气工程师格拉姆(年,塞尔维亚人特斯拉(研制出第一台感应电动机,

M. Faraday,1869年,法

1883

1791—1867年)通过大量实验发现了电磁感应定

Z. T. Gramme,1826—1901N. Tesla,1856—1943年)1884年他移民到美国,

[3]

梯效应(见正文后附注①)引起的过电压减弱,感应电动机中由高次谐波旋转磁场引起的铁损减少;并且变压器的一次和二次的电压波形一致,与其他波形相比,正弦波的传输特性更好广泛采用。

2.3 交流电频率的选取

交流电的波形确定后进一步需要确定频率。在电力工业发展早期,欧美各国曾采用了多种供用电频率(单位Hz):15,16(见正文后附注②),20,

32

[7]

。于是,从1893

年)制成了世界上第一台实用的直流发电机。

年之后正弦波作为交流电的标准波形在欧美各国被

在爱迪生电灯公司工作,不久与主张直流输电的爱迪生(T.A. Edison,1847—1931年)发生争执1885年,特斯拉把他的交流发电机专利卖给了威斯汀豪斯(G. Westinghouse,1846—1914),并加入了威斯汀豪斯公司。这笔交易触发了爱迪生的直流体系和威斯汀豪斯公司的交流体系的竞争

[5]

25,30,33,40,42,46,50,60,66

3

123

,80,

1886年,美国威斯汀豪斯公司在麻省的大巴令顿建造了一座实验性的单相交流发电站,这一成就使交流电力系统将电能输送到直流电力系统从未达到的远距离,促进了交流电力系统的迅速发展。年,在芝加哥举办的纪念发现新大陆

界博览会上,威斯汀豪斯公司用交流电力系统供电点亮了18万只电灯。其后,利用变压器变换电压的交流电力系统以其长距离、低损耗的优势在世界电力系统中被广泛采用。2.2 供用电波形的选取

1880年以前,发电机的负荷主要是电灯,对交流电的波形要求不高。以后随着电灯数量的增多,发电厂不仅需要提供更多的电能,保证高的供电品质,而且还要经济、可靠运行,这就需要多台发电机并联运行;1890年以后开始长距离输电,感应电动机也开始在欧美普及。这样,在交流电力系统中对波形、频率和相数都提出了需要统一的要求。

当时,电灯电路中电压和电流之间关系复杂,计算交流电路非常困难。年)发表了一篇论文“

1893年4月,印度出生的Impedance”,他说如果交流

美国电气工程师肯涅利(A.E. Kennelly,1861—1939电采用正弦波,就可以引入“阻抗”概念,从而就能和直流电路一样利用欧姆定律计算交流电路。1893年8月,德国出生的美国电气工程师施泰因梅茨(C. P. Steinmetz, 1865—1923年)在第5届国际电气会议上作了“用相量法计算交流电路”的报告

[6]

83.3,87,100,125,133等。

3

1

频率的选取要同时兼顾照明和感应电动机。如果频率高,电灯的闪烁程度就弱,变压器和发电机

1893

的铁心体积都会减少。如果频率低,就能和直流一样使用整流子电动机;交流电路特有的电抗效应就会减弱。1900年,巴黎举办世界博览会,大会向欧洲各国订购了靠拢。

在美国,威斯汀豪斯和特斯拉实验了不同频率的正弦交流电,结果表明,频率低时输电线上的电能损耗也低,他们打算采用50Hz时人的眼睛才觉察不到。

20Hz交流电,但照明而威斯汀豪斯看中的

8个极,汽轮

133.3Hz

设备在20Hz时产生了令人苦恼的闪烁,频率至少频率是133.3Hz,因为他的发电机有

20套发电设备,其中

16套是50Hz,

3套是42Hz,1套是25Hz。此后,欧洲逐渐向50Hz

400周年的世

机以2000r/min来驱动时效益最佳。虽然电源频率固定为技术人员认为,

可用于照明,但电力传输效率不高,因此,他们把

60Hz。自此以后,特斯拉的感应电

60Hz来设计。当时美国的

50Hz,而欧

60Hz优于欧洲普遍采用的

动机和其他发明都围绕

60Hz的发电机尺寸小,变压器的转换效率高。洲的技术人员认为,输电线路

无负荷充电电流增加,而且当时电气列车用的整流

60Hz时电抗增大,

装置是旋转交流机,60Hz的变流机在过负荷时整流子容易闪络。1904年在美国圣路易斯市召开国际电工技术会议的预备会议,会上美国代表施泰因梅茨热情地向英国代表介绍

60Hz的优点,建议英国采

。利用相量法设计电力系统,可事先预测运行

22 电工技术学报 2010年3月

用60Hz作为标准频率。尽管这样,美国的频率统一仍比欧洲晚,

1919年美国仍存在多种供用电频

率,其中以25Hz和60Hz所占的发电容量比例最大。1920年,美国联邦政府成立了电力调查会,推荐60Hz为美国的标准频率

[4]

洲制者十之七八,美洲制者仅十之二三,更正较易。”

舍寡就众,

1928年9月4日,上海特别市政府将此建议转呈国民政府交通部,后附有上海特别市各电厂频率及电压调查表一份,共有50Hz,1家是60Hz。3.2

标准频率的制定经过

1929年2月,国民政府建设委员会从交通部接收主管全国电气事业。为制定电压和频率标准,建设委员会依次开展了以下工作

[11]

。8家电厂,其中7家是

随着欧洲、美国各自供用电频率的统一,世界其他国家和地区也都分别以这两个频率作为各自的标准频率。在日本,AEG公司订购了年大阪电灯公司从美国

1896年东京电灯公司从德国GE公司订购了5台150kW、6台265kW、50Hz的发电机,1897

参加调查的有建设

60Hz发电机,因此,至今日本仍采用两个供用电频率,以静冈县富士山和新泻县的丝鱼川市为界,东部是50Hz,西部是60Hz

[1,8]

(1)调查国内外电气标准。

委员会电气处和上海各洋行(蔼益吉、斯可达、新通、茂和、怡和、慎昌、安利、西门子、万泰、三井、三菱、通用)。各洋行负责调查本国电机制造标准。调查表明,虽然历史上曾使用近但当时最通行的频率是分是25Hz和16电厂中,采用商经营的

23

3 中国第一个供用电标准频率的制定

3.1

亚浦耳公司的建议

1879年5月28日,上海公共租界英国工部局电气工程师毕晓浦(

J. D. Bishop,生卒年不详)在

以1台10马力蒸汽

上海虹口乍浦路的一幢仓库里,地上的第一盏电灯

[9]

20种不同频率,

50Hz和60Hz,还有一小部

Hz,其余都已淘汰。在中国自办

50Hz者105家,60Hz者73家;洋

50Hz;在全国发电总装

机为动力,带动自励式直流发电机,点亮了中国土

。1890年2月,上海新申电气

1台25kW的4月投入运行,开。

公司从英国引入交流白炽灯,并加装单相100Hz交流发电机,于当年始了中国交流电供用电的历史自国外

[10]

[9]

35家电厂中,除南满铁道有一部分采用

25Hz外,其余大多数采用

机容量方面,50Hz交流电占61.9%。

(2)起草标准方案。当时中国口岸城市多数使用了美国的机转速比合算的

[12]

60Hz设备,美国专家说,50Hz的电动机快

60Hz的电动

1956年以前中国大陆的汽轮发电机组全部来

,供用电的电压和频率繁杂,给电力设备

鉴于这种状况,

的制造、使用和管理带来极大不便。本电灯泡制造厂——亚浦耳公司呈中央主管机关建议规定标准电压和标准频率

[11]

20%,转换效率高,因

此采用美国的标准频率60Hz是先进的,经济上是

50Hz,所

。电气处认为,我国发电总装机容量的大

1928年7月16日,位于上海的中国第一家民族资

(见正文后附注③)

向上海社会局公用局呈文,呈请上海特别市政府转

200V和50Hz作为中国的。

部分是50Hz,而且世界大多数国家也是

以应采用50Hz作为我国的标准频率。1930年3月,建设委员会电气处着手起草电压和频率标准方案,建议标准频率为

50Hz。

1930年4月4

5家单位征求意见:中

(3)函请各有关学术团体审查。日,标准方案由电气处抄送

亚浦耳公司在呈文中说:

“窃因现下各城镇发电厂所供给之电压,有二百伏而次(见正文后附注④)及一百伏而次之分,周波有五十与六十之异。

盖因发电机有购诸欧洲者,

其电压为二百,其周波为五十。有购诸美洲者,其电压为一百十,其周波为六十。此种流弊,使国内电器业制造出品时一物须备数种式样,方可适合各城镇之用,因之手续繁而成本重。至于用户,损失更多,有在甲地所用之电器,迨迁至乙地,变不适用而束之高阁,即勉强应用,或致该电器生命发生危险,而受无形损失,欲除此弊,亟须规定划一标准。”“现下国内各城镇发电厂所采用之发电机,欧

国工程学会工程研究委员会、交通大学电机工程学院、浙江大学工学院、中央大学工学院电机科、浙江省电气局。各方一致同意以

50Hz作为我国的标

25Hz

准频率,浙江省电气局主张电气铁道应用的频率不在此例,浙江大学工学院也主张电气铁道适用应规定为第二标准。

(4)汇总各方意见、修正草案,向有关公私团体、专家、洋行征求意见。发出

(5)经过一年多的起草,图1),最后呈送行政院,于

28件,回复14件。建设委员会参酌各方

(见

1930年9月12日以建

意见,制定了“电气事业电压周率标准规则”

第25卷第3期雷银照我国供用电频率50Hz的起源 23

设委员会会令形式公布,从而诞生了中国第一个电压频率标准。

对于这个标准的重要性,当时任职于建设委员会电气处的恽震(

1901—1994年)在其

[13]

有发电公司143家,其中频率为50Hz的49家,直

,其他记载(原文

流的38家,60Hz的23家,25Hz的2家(南满洲电气株式会社鞍山支店、哈尔滨东支铁道)30多家频率不详。

据1935年出版的《満洲年鑑》为日文,见图

[15]

1934年5

月的著作《电气事业经营要略》中说:

“中国标准周率,现为五十周波。六十周波之机器,久后必归淘汰。故今后建设新厂,万不可再购六十周波之发电机。至现在已用六十周波之电厂,其于添购新机时,亦毅然改用五十周波。盖不能忍一时之痛者,日后积重难返,愈趋愈远,及至事实上非改不可之时,电厂及用户双方之损失,且将不可计量。”

顺便指出,截止到1935年5月,国民政府建设委员会制定了多个电气事业条例和规则

[13]

2),满洲电气委员会经过广泛调查和

讨论,决定:①全满电气设备的标准频率统一为50Hz。②今后电气设备除特殊情况外一律采用标准频率。③已建电气设施不符合标准频率的按以下办法统一:抚顺、鞍山、本溪湖等自用发电设备仍可使用,但向外部供电时必须是相联时要符合标准频率。

50Hz;现在尚无采用

50Hz输电系统

标准频率的地方如果今后扩建或与

,例如

《电气事业条例》、《电气事业注册规则》、《电气事业取缔规则》、《屋内电灯线装置规则》、《屋外供电线路装置规则》、《电力装置规则》、《电气事业人处理窃电规则》等。

图2 1935Fig.2

年“满洲年鉴”中的“周波数统制”

[15]

The control on power frequency in Manzhou yearbook

[15]

published in 1935

4 新中国供用电标准频率制定情况

中华人民共和国成立后至今,中央人民政府电业主管机关在制定全国供用电的规定、法规或标准时,也都顺延将供用电频率规定为

50Hz。新中国最

1953年6

3):

早规定50Hz为供用电标准频率的文件是度管理暂行条例》

图1 “电气事业电压周率标准规则”照片Fig.1 Photo

of voltage and frequency standard

[11][11]

[16]

月由中央人民政府燃料工业部颁布的《电力系统调

,其中第97条规定(见图

“电力系统的周率应连续不断地保持在五十周波的水平上。其差别不得大于周波。”

其后,1954年颁布的《电力工业技术管理暂行法规》

[17]

±0.5(50.5~49.5)

3.3 东北沦陷区的频率

1931年日本制造“九一八”事变后,以武力占领了中国东北三省;的伪“满洲国”成立。

据1933年出版的《満洲年鑑》

[14]

、1959年修订的《电力工业技术管理法规》

[18][19]

1932年3月1日,由日本控制

记载,东北

以及1962年颁布的《动力系统调度管理规程》也都规定供用电频率为

年由水利电力部制定的《全国供用电规则》

[20]

50Hz。值得注意的是,1963

在第

24 电工技术学报 2010年3月

9条中规定:

“电业局供给电能的周率为交流别地区为25周/秒或60周/秒)。”

50周/秒(个

(2)频率升高后旋转机械的离心力增大,强度要求高,制造难度增大。

(3)现代电力系统发生接地故障时,振频率大约在电压

[22]

材料

电路的谐

300~600Hz之间,因此当电源频率

接近谐振频率时,电网发生接地故障时容易产生过

(4)涡流损耗会增大。涡流损耗表现在硅钢片的涡流损耗和导线的涡流损耗两方面。硅钢片的涡流损耗与频率的二次方成正比。对于导线,设材料是钢芯铝绞线中的其中一根铝线,取铝线直径的典型值是4.8mm,经计算

[24]

,在50Hz、200Hz两种情

1.000倍、1.001

况下的导线电阻分别是直流电阻的

图3 新中国第一个涉及供用电频率的条例Fig.3

[16]

倍,即频率从几十赫兹上升到几百赫兹后,导线内的电流仍大体均匀分布,因此导线的涡流损耗的增加并不显著。5.3

频率最优值的估计

频率升高还有许多优点和缺点,一直存在两个供用电频率,

但综合起来看,

The first regulation related to the standard power

frequency in New China

[16]

这说明,1963年中国大陆供用电频率的主流是50Hz,但个别地区的供用电频率是

目前,我国最新国家标准是由国家质量监督检验检疫总局发布的2005《标准频率》统的标准频率是

[21]

25Hz和60Hz。2005年7月29日

GB/T 1980—

还是频率高一些为好。例如,日本自明治时代以来

第二次世界大战结束后,

7年时间统一

[4]

日本提出放弃50Hz,把全国频率统一到更高的60Hz,执行的结果是:除九州地区用到60Hz外,其他地方都没有实现系统的频率采用

400Hz。

。再例如,为了

,规定单相和三相交流电力系

50Hz。

5 频率选取的思考

历史上确定供用电频率为

50Hz或60Hz的因素

(电气设备、技术水平等)在今天已经发生了巨大变化,如果今天允许重新选取一次频率,究竟多少才是最好?下面简单分析频率升高的利弊。5.1 频率升高的有利因素

(1)发电机、变压器、电动机的体积都与频率成反比,频率升高后铜材和铁心的用量减少整个电力系统的电气设备造价减少。

(2)透平机的体积减少

[23]

[22-23]

减少飞机质量、提高电能转换效率,飞机交流电源

以目前的技术条件,若取大容量发电机的极对数为3,转速为6000r/min,则频率为300Hz;另一方面,发电机和变压器的线圈匝数、铁心用量的减少会使电网发生接地故障时的谐振频率上升。因此电力系统的最优频率估计在

100~300Hz之间。确

切数值需要作大量的研究后才能得出。

如果输电距离长,可将系统分段,以不同的频率输电:在发电端和用户端采用较高频率,中间电网部分仍用

50Hz输电或用直流输电。如果是小型

,则

独立电力系统(例如飞机、舰船上的电力系统)整个电力系统可采用较高频率。提高频率后,整个动力系统(动力设备与电力系统的合称)就成为一个高效、紧凑的系统。

[22]

。透平机的转速越

高效率越高,质量越小,例如航空发动机的转速都在10 000r/min以上。重要的透平机有:汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机、风力机、通风机、透平压缩机、离心泵和轴流泵等。

(3)电动机的输出转矩与频率成正比率越高输出转矩越大。

(4)由于集肤效应的影响,性减少。

5.2 频率升高的不利因素

(1)输电线的电抗增大,少。

从而电网输电容量减人身触电后的危险

,频

6 结论

(1)历史上采用交流输电的重要原因是交流电可通过变压器变换电压、低损耗长距离输电。

(2)交流电采用正弦波后,

可改善电路的传输

变压

特性,并可以使用相量法简单地计算电路。

(3)频率的选取要同时兼顾电灯的闪烁、

第25卷第3期雷银照我国供用电频率50Hz的起源 25

器和电机的体积、电网的传输能力。综合多种因素,欧洲采用

50Hz,美国采用

60Hz。受欧美影响,目

其中50Hz

前全世界只有这两个供用电频率。

(4)旧中国供用电频率的种类繁多,政府规定50Hz作为中国标准频率。

(5)1930年9月国民政府建设委员会经过广泛调查、咨询和研究后,制定了中国第一个“电气事业电压周率标准规则”,规定50Hz作为中国的标准频率。

(6)新中国成立后,中央政府电业主管机关顺延将供用电频率规定为国最早规定

50Hz。1953年6月燃料工

业部颁布的《电力系统调度管理暂行条例》是新中

50Hz为供用电标准频率的文件。

(7)假如能够重新选取一次供用电标准频率,最优频率估计是几百赫兹。

致谢:在考察新中国供用电标准频率制定情况时,作者曾向林海雪高级工程师电话请教,在此致谢。

说明:本文部分内容曾在国电气工程高等教育会”上报告。

(Sebastian

2008年4月召开的“中

100周年纪念大会暨第五届全

发电厂比例最大。1928年中国亚浦耳公司建议国民

2006年出版)。

④“伏而次”是电压单位,它是英语的汉语音译,也称为“伏而脱”特”。

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①费兰梯效应是英国工程师费兰梯

Ziani Ferranti,1864—1930年)发现的,是指长距离输电线路无负荷或轻负荷时线路终端电压大于始端电压的现象。

②赫兹数带有小数是由于当时采用的计量单位与今天的计量单位不同造成的。正负交替改变的次数。在

19世纪频率的单

1min时间内

位是Alternations/min,它表示电流在

1960年第11届国际计量

23

大会上,决定采用赫兹作为频率的单位名称。因此1Alternations/min=120Hz,16Hz=2000Alternations/ min。以往频率单位“周后都不再使用。

③亚浦耳公司是年),浙江宁波人,校电机专业,同年

1923年在上海创办的中国第

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一家电灯泡制造厂。创办者胡西园(

/秒(cycle)”和“周波”此

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作者简介雷银照

男,1956年生,教授,博士生导师,研究方向为电磁场

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理论及其应用、中国电气发展史。


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