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电力标准之争-世界电力频率及电压格局的塑造(下篇)

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  频率方面,我们先来看下频率的由来。

  交流电在变化过程中,它的瞬时值经过一次循环又变化到原来的瞬时值所需的时间,即交流电变化一个循环所需要的时间称交流电的周期。交流电在变化过程中,它的瞬时值经过一次循环又变化到原来的瞬时值所需的时间,即交流电变化一个循环所需要的时间称交流电的周期。交流电的频率是由发电机的磁极对数m和转速n决定的,它们的关系为:f=mn/60,因此发电机的转速与磁极对数成反比,当m=1(两极电机)时,转速n=3000r/min;当m=2(四极电机)时,n=1500r/min。而周期与频率之间的关系为:T=1/f或者f=1/T。

  在电力发展早期,因设备制造商的差异(转速及磁极对数等原因),标准实在是太多了,这里可见一斑:

  

  早期大约有20种赫兹数

  这些频率都是怎么来的呢,还有很多奇怪的分数?这里面一部分是因为硬件导致的,另一部分是考虑到了常用计量单位的使用。以60Hz为例,这就意味着磁极对数m和转速n的乘积是3600,磁极对数肯定是整数,那么转速就需要控制在一个3600能整除的一个比较好控制的转速,如果是50Hz,同理就要找一个能被3000整除的一个转速。而美国大规模发电较早,当时的计算工具主要是英制(12进制),显然没办法被3000整除,因此选择60Hz会更加便于计算。而后发展起来的电网,基本都是50Hz了。像是频率为分数的这些情况,就是mn的乘积不能被60整除情况下导致的,这个也没办法,对于这种磁极对数不合理的设备,你要是想最后频率是整数,那你可能转速就得是带分数的,显然不可能。

  (1)美国大陆

  频率方面,特斯拉交流电打败爱迪生直流电后,西屋公司与特斯拉合作初期,西屋公司期望特斯拉的电动机能够与公司133+1/3赫兹电流工作的单相电路整合,尝试失败后,西屋公司的员工还是改变了中央电站频率以适应特斯拉电机的频率。这一频率既需要高到使电灯不再闪烁,又可以带动电动机进行有效运转,最终定在60赫兹(英制单位原因,50Hz的转速无法被整除,故没采用50Hz)。不到十年,60赫兹成为了美国电力生产标准。

  电压方面,爱迪生制作出效果比较好的碳丝白炽灯,当时的白炽灯在110V直流电压下运行良好,爱迪生认为这是配电中安全经济的电压。爱迪生创立的通用电力公司首先在美国使用了110V的电压为美国客户供给直流电。但此后没有几年,特斯拉就通过三相交流电技术发明了最初的220V三相交流电(没错,就是跟我们现在居民家里的一样)。不过由于爱迪生的通用电力公司此时已经占据了美国市场,将使用110V电压的线路架构了出来,所以特斯拉也只能把220V的电压,降到了美国规定的110V标准安全电压。后来美国在电力系统的发展过程中其实出现过很多电压类型,但以110V和220V为主,并在发展过程中110V逐渐胜出。

  提到通用电气公司,比较有意思的是最开始这个公司被音译为了“奇异”(GE)公司,这个从一些影像书籍资料种可以看到:

  

  (2)欧洲

  频率方面,商用交流电技术在美国大获成功之后,特斯拉的交流电系统迅速成为了美国的标准供电技术,又因为美国采用的一直是英制12进制作为单位,为了方便计算,交流电系统就以110V/60Hz的规格确立了标准。当这一项技术相对成熟之后,欧洲迅速引进了交流电的发电、馈电技术。但是欧洲多数国家的公制单位与英国公制单位还是有着不小的差异的,于是在欧洲,美国110V/60Hz的标准就改成了110V/50Hz。

  电压方面,在欧洲降低了频率,采用50Hz之后,发现降低了赫兹的110V交流电电压太低,在相同功率之下,电流不仅比220V的电流大,使用的铜金属还多,电网传输中的损耗也相对较大。所以,在经过了考虑之后,当时垄断了整个欧洲电力使用的德国AEG公司开始着手对电压规格进行修整,并最终全部改为了220V。于是,110V电压和220V电压的差异初步产生。美国其实也不是没有试过把110V的标准电压改成220V,但是那个时候,美国的大部分家庭都已经完全适配了110V的电压,如果要改,就得连着家用电器一起进行修改。最后,无奈的美国只能给每一个家庭配发变压器,将电压改为220V之后,直接接入到变压器中,使得220V的电压在进入家庭中的时候,通过变压器转换成110V来进行供电。

  推动欧洲电气标准的工业巨头们,应该说都是百年老字号了,现在可能大家还耳熟能详,这里简单说下:

  瑞士ABB:两个百年老字号的瑞典的阿西亚公司(ASEA)和瑞士的布朗勃法瑞公司(BBCBrownBoveri)在1988年合并而成。1989年ABB还收购了美国西屋电气的输配电资产。

  德国西门子:1847年由维尔纳·冯·西门子建立(发明家及物理学家,导纳的单位西门子)。西门子于1872年洋务运动时期进入中国市场,提供了中国最早的直流电机和电报设备。

  法国施耐德:1836年由施耐德兄弟建立。主要是以钢铁和武器制造发家的,一战后逐渐涉足工业电气设备领域。

  法国阿尔斯通:1928年由汤姆孙-豪斯顿电气公司(Sociétéalsacienne de constructions mécaniques)与阿尔萨斯机械制造公司(Sociétéalsacienne de constructions mécaniques)合并成立阿尔斯通(Alsthom),前者在交直流之争的一开始就坚持站队交流电(不过标准用的是125Hz)。随后阿尔斯通在交通领域也相当牛逼。

  三、中国电力频率及电压标准的演变

  我国使用220V/50Hz的电压为标准则是在1949年新中国成立之后,此前的中国处于半殖民时期,应用在国内的交流电电网不仅通通是小型的局域电网,种类还五花八门,根本无法形成统一。1949年以后,随着我国的工业化全面转向前苏联模式,在电网上的建设模式自然也以前苏联作为了标准。作为老大哥的前苏联,一半的国土都处在欧洲的,所采用的电压标准自然也就是欧洲标准,以前苏联为模板的中国,自然也就形成了以220V/50Hz电压为标准的情况。其中,由于一些历史遗留原因,建国之后的东北地区和上海市的租界部分使用的仍旧是110V电压标准。所以,直到六十年代末,我国才完成电压标准的统一化。

  这其中的过程说来也是比较有意思,旧中国的发电设备来自外国,电压和频率繁杂,给制造、使用、管理、发展带来了极大不便。1928年7月16日,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请中央主管机关,建议规定200伏和50赫兹为中国电压频率标准。亚浦耳公司在呈文中说:

  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,欧洲制者十之七八,美洲制者仅十之二三,舍寡就众,更正较易。

  1929年2月,国民政府建设委员会电气处分六个步骤开始制订我国电压频率标准。当时旧中国的自办电厂中,105家采用50Hz,73家采用60Hz,全国发电总容量方面,50Hz占据62%。1930年,50Hz方案向以下单位征询意见并获得通过:中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。

 

  1932年3月,日本控制的伪“满洲国”成立。1933年“満洲年鑑”记载,东北有发电企业143家,其中频率为50赫兹的有49家,直流的有38家,60赫兹的有23家,25赫兹的有2家。

  1935年“満洲年鑑”记载,关东军要求满洲电气委员会统一频率,规定50周波为标准频率:

  图片

  新中国最早规定50赫兹为标准频率的文件是1953年6月由燃料工业部颁布的《电力系统调度管理暂行条例》,其中第97条这样规定:

  图片

  我国这样规定,一方面是考虑到当时的国情是50Hz占据主流,另一方面旧中国生产力低下、经济不行,能减少一点损耗、减少一点铜等金属的消耗,当然是很好的,220V容易被供电运营商接受。

  四、特例电力标准国家盘点及原因分析

  先附图便于观察:

 

  (1)日本

  在日本,1896年东京电灯公司(现东京电力公司)从德国(AGE公司)订购了6台50赫兹的发电机,1897年大阪电灯公司从美国(通用电气公司)订购了5台60赫兹发电机,因此,日本东部是50赫兹,西部是60赫兹。两个电网并存,对一些重要性能试验,标准规定的允许频率偏差放宽到±20%,也就是说50Hz和60Hz产品基本通用。但是两个电网联网还是很困难的,需要通过换流站连接不同频率的电网,先变成直流再逆变成交流,也就是我们传说中的背靠背换流站。电力输送通道比较有限,这也是为什么在福岛地震的时候,核电站故障,引起的东部电力缺口为1000万千瓦。所以,当时即使日本关西人民都省电来支援东部,也过不来,通道卡着。

  

  (2)韩国、菲律宾

  这两个国家的特殊之处在于,他们采用了220V,60Hz的电力标准,并非亚洲主流。但是其实非常好解释,美、英、法是世界上最先有电的三个国家。世界上的电压标准大致都从这三国沿袭而来。美国最先普及电力,当时的发动机还不能产生那么大的电压,所以主打110V,60Hz。日本、韩国、菲律宾这三个国家,意识形态都有一定的美国色彩,而日本呢,学美国又比较早,所以就原封不动的继承了美式设备和标准,即60Hz和110V标准。日本精明的地方还在于,它不光学美国,也学欧洲,所以就导致了关东和关西设备标准的差异。韩国和菲律宾不同,他们既不是继承了欧洲的220V,50Hz标准,也不是继承了美国的110V,60Hz标准,而是创造了个新的产物,220V,60Hz标准,这个标准在世界都算少数。继续深挖,其实可以从其电力工业的发展中找到蛛丝马迹。

  韩国方面,经阅读一篇学术论文,得知韩国电力工业的发展,来源于1870-80年代,当时派遣学员去日本和清朝开设的讲学班学习电力(没错,去清朝的时候的天津,那时候正洋务运动),但是该阶段并没有实质成果(看来中日韩历来交往都不太顺哈哈)。看到这段韩国去日本的学习经历我非常想笑哈哈(看来日本还是不会轻易传授技术的,只想卖产品):

  后来韩国(确切的说应该叫朝鲜?这里不深究了,请见谅)向美国派遣学员学习,韩国最早的照明系统是韩国电力公社(KEPCO,彼时叫Hansung Electric Power Company)利用美国技术(工程师:William McKay)设计的,后续一段时间里面的设备也是基本都在美国爱迪生电灯公司采购,用的直流标准。到了1900年代,Hansung Electric Power Company被卖给了日本,并在国内进行了基础设施的扩展。个人推测也就是在这个时期,因为电力工业的能力足以制造220V发电机了,所以才换成了220V,60Hz的标准。无奈语言不通,资料比较少。

  菲律宾方面,菲律宾电网主要受美国影响(尽管西班牙从1571年开始殖民菲律宾,自1898年美国通过美西战争取代西班牙的宗主地位,但是并没有对其电力标准有太大影响。在后面太平洋战争期间,菲律宾还有一段时间日本占据)。最开始是110V,60Hz的民用电标准。后来为了减少成本和更远距离传输,在1970年统一升级了电力系统,改为的240V,60Hz。

  (3)台湾省

  这个非常好解释了,大概链条就是这样:美国-日本-台湾省。宝岛台湾目前还是采用110V,60Hz的标准,与美国和日本关西一致。

  (4)沙特阿拉伯

  沙特的特殊之处在于,他周围全是220V,50Hz的中东国家,只有它是110V,60Hz。这个原因就要追溯到国家工业的发展和沙特与美国的关系了。石油工业是沙特阿拉伯的支柱产业,虽然现在美国和沙特还比较僵,但是在911及伊拉克战争之前,两国基本都属于坚定的盟友关系。特别是在阿富汗战争和海湾战争中,这两个国家是反对苏联的盟友。现在的沙特阿拉伯国家石油公司(沙特阿美),其前身就是美国的加利福尼亚标准石油公司,应该说美国一直掌握着该国的油气资源开采,那么作为支柱产业,电气设备用量巨大,电网也是跟随它起来的,而且设备从美国进口,自然而然地就导致该国电气标准的美国化。1988年,加利福尼亚-阿拉伯标准石油公司才被沙特阿拉伯政府全部收购并成为沙特阿美石油公司。

  小科普:飞机和军用的电气设备电压及频率不遵循上述标准。与民用电气不同,飞机的电压为115V,频率为400Hz,主要原因一是系统频率高时,发电机或电动机由于转速高,转矩小而体积、重量较小。二是飞机发电机动力来源于航空发动机,转速较高,三是直流用电设备多,频率高有利于减小整流纹波(附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号)。缺点就是电气设备和线路的感应电阻增大,电容电阻减少,损耗增加,输电效率下降。这也是为什么民用领域不继续提高频率的原因,400Hz的电无法远距离传输,另外一方面发电机和电动机转速太高,不适合民用(要保障其可靠性额外付出的经济成本高)。