时钟、电频钟与电网频率监测

走进新中国水电“长子”，我国第一座“三自”水电站——新安江水电站内设的博物馆，一座暗红色的落地大摆钟式样的文物赫然陈列在入口显眼处，这便是这座水电博物馆的镇馆之宝——电频钟。

在新安江水电站生产运行的上世纪60年代，电频钟是保障电站运行，特别是保障电能质量的核心装置。

1959年4月，周恩来总理视察处于建设期的新安江水电站，得知电站投产需要一台电频钟，而制造电频钟的技术在当时还属于“高精尖”，一般都需要从国外进口。周总理了解到相关情况后，指示由上海承担此项研制任务，强调要走“自力更生”之路。

△我国第一台自主研制的大型调频发电站专用电频钟

一、电频钟的产生

电频钟的出现源于一件民生应用转变成为电力应用的偶然事件。

一个1872年出生于波士顿，名叫沃伦（Henry Ellis Warren）的美国人，他于1894年从麻省理工学院获得电气工程学位毕业。沃伦爱好发明并申请到专利。1912年，沃伦成立公司生产由电池供电的摆钟。

人类很早就有计时的需求，从最早依靠太阳偏转计时的日晷，到后来依靠大致均衡流动的水漏、沙漏。早期的这些方法和发明只能让人们对时间有个大致的了解。

随后，人们发明了一些利用驱动机构的机械力（水力、重锤、发条等）推动指针旋转，从而计时的工具，如中国的水运浑天仪、欧洲的机械塔钟等。计时准确性在这一时期有了较大提高。

意大利人，欧洲近代自然科学创始人伽利略（1564-1642）在观察教堂吊灯摆动时，发现了摆的“等时性原理”，即当单摆在小角度摆动时（通常小于5°），其摆动周期与摆幅大小无关，完成一次全摆动的时间相同。

17世纪时，小伽利略65岁的荷兰科学家惠更斯（1629-1695），利用“等时性原理”于1656年发明了摆钟。摆钟的出现大幅提高了计时的精度，其计时误差每天缩小到10分钟左右。

摆钟是真正利用了物理学原理发明出来的计时工具。

1840年，英国钟表匠亚历山大·贝恩，将电磁铁应用在摆钟上，从而发明了电摆钟。

贝恩将钟表的传统重锤和弹簧动力装置替换为电池供电的电磁铁以驱动摆锤。摆锤摆动时形成电路闭合，为电磁铁供电，并连续循环，从而为摆锤的摆动衰减补充动力。贝恩开创了电技术在钟表领域的应用，极大地提高了摆钟的走时精度，促进了电摆钟应用的大发展。

时间来到1912年，美国人沃伦也成立公司生产电池供电的摆钟。沃伦设计的电摆钟以永磁体为摆锤，电池提供电脉冲以保持钟摆摆动。

与贝恩电摆钟面临同样问题的是，电摆钟保持时间准确性的能力会随着电池的消耗而变差。

沃伦随即开启可维持电摆钟准确性的实验改进。

既然摆钟会因为电池电力衰减而影响走时，那何不将摆钟连上当时已经出现的电力系统之上呢？

沃伦的电气工程专业背景此时发挥了作用。沃伦想到的不是利用电力系统的电力维持摆锤摆动，而是想到了当时交流发电机恒定的转速。

沃伦于是开始设计同步电机，沃伦想利用电力系统恒定频率的特性，带动同步电机恒定转动从而达到计时准确的效果。

沃伦的这个设想既是想解决此前电摆钟走时失准的技术性问题，也是想促进用电消费，获得商业利益。

在生产传统电摆钟4年后，沃伦发挥自己的专业能力和发明天才，于1916年发明了由转子和线圈组成的自启动同步电动机。沃伦的发明克服了此前同步电机需要手动辅助启动的问题，其自启动同步电动机后于1918年获得专利。

沃伦自启动同步电动机应用于时钟后，时钟走时准确性和使用方便性大为提高，其产品的商业价值也迅速放大。

美国GE公司也将沃伦的自启动同步电机集成到自己的时钟和其他仪器中。

利用自启动同步电机，沃伦创建了自己的Telechron电钟品牌，该型与电网同步的电钟，到1926年已售出2000万只。尽管相比其他时钟价格较高，但其美观的设计和可靠的性能使其在市场上依然大受欢迎。

△沃伦发明生产的Telechron电网同步电钟（带一根电线）

在销售电网同步电钟的同时，沃伦发现了一个因交流电频率不稳而导致的电钟计时不准的问题。

为解决这个问题，1916年10月，沃伦又发明了“主站时钟”，并安装在波士顿爱迪生电气公司的L街发电站中，来监测电流的频率，验证沃伦所判断的发电站电流频率不稳的事实。

从计时角度，“主站时钟”构建起一个主/从时钟网络。早期的从时钟自带计时机制，接受“主站时钟”的校正，后来从时钟完全显示“主站时钟”的计时信号。

“主站时钟”发明后，许多依赖准确计时的大型机构，如铁路网络、电话交换机、工厂等都使用了主/从时钟网络。

而沃伦以其电气工程的专业背景，发明的“主站时钟”不仅仅是计时、授时，更是瞄准校正电流的频率。沃伦想的是，只要电流频率稳定了，那么他发明的电网同步电钟就能走时准确。

沃伦不断革新他的“主站时钟”，从A型发展到E型。

1929年，沃伦公司更新迭代的“E型主站时钟”，定性为校准发电站，应用于互连电网。

△ 沃伦发明生产的Telechron E型主站时钟

从1930年代开始，沃伦的“E型主站时钟”在美国田纳西河谷管理局使用。到1947年，沃伦的主站时钟监管着美国95%以上的电力线。

“E型主站时钟”也称为电频钟，由两个时钟叠加在一个钟面上。表盘配备两根指针，一根黑色，一根金色，黑色指针连接着一只精准的机械摆钟，金指针则由同步电机驱动。

当发电机以60赫兹频率准确运行时，金色指针会与黑色指针会以完全相同的转速转动。

发电站操作员会观察时钟，并通过涡轮调速器调节发电机转速，从而发出规定的60赫兹交流电。

早期的发电站只为少数的客户提供服务，几乎不需要标准化或集成。而通过保持60赫兹标准，沃伦的“主站时钟”使集成电网成为可能，从而实现了电力对社会公众的普遍性服务。

沃伦发明的Telechron“E型主站时钟”也成为专门的发电站频率监测设备：电频钟。

二、电频钟的替代

沃伦生产的家用电钟以及电站用电频钟在1940年代后期之前一直占据着主导地位，但从1950年代开始，新出现的石英钟取代了电网同步电钟。

如同利用摆的等时性原理提高了计时精度一样，石英钟也是利用了振动的固定性（等时性）原理。

科技人员发现石英（二氧化硅晶体）在受到电信号刺激时，会产生规律性的机械振动；反之，石英晶体振动时也会产生电信号，这种特性称为石英的“压电效应”。通过给石英晶体施加电信号，可使其以固定频率振动（32768赫兹）。从这个较大振动频率数值可以看出，石英钟的计时准确性理论上就能远超电钟（60赫兹）。

1942年，格林威治天文台采用石英钟作为标准钟。

从电钟开始，计时的准确性取决于固定频率的大小，频率值（每秒振动往复或者旋转）越高，利用这种特性进行计时的准确性就越高。

石英钟出现后，与电网同步的电钟便逐步淡出人们的生活。

科学家们后来又发现，原子具有“能级迁越”特性。构建一个类似电子振荡器的装置，当振荡器产生的电磁波频率与原子固有的振动频率相匹配时，原子将经历“能级跃迁”，此时，原子会吸收能量并产生反馈信号。

原子固有的跃迁频率由原子的量子特性决定，几乎不受外界环境影响，这一特性十分适宜于用于高精度计时。

利用这些特征，科学家们于1955年制造出铯原子钟。

1967年起，以铯原子钟的跃迁频率为基础，国际计量大会定义了原子特性维度上的“秒长”，即：一秒=铯13原子振荡9192631770次。这一定义取代了由并不恒定的日长定义的秒长，是时间定义上的一个革命性创举。

原子钟的出现，使时间计量精度产生了重大飞跃，成为当前精准导航定位、电网授时，以及互联网时间的基础。

电频钟之后，更先进精准的电子设备用于发电站的频率监测。

如今，发电站使用原子钟授时，以此为基准，利用调速器全自动化地精准调节发电站与大电网的频率恒定、相位同步。

原子钟授时也是一种主/从时钟网络，这个网络中“主站时钟”即是原子钟，生活中的互联网时钟等各种精确计时工具都是从时钟。

当前，电站、电网运行对精准时间要求极高，除了反映电能质量的频率与精准时间有关，众多的自动化动作（继电保护动作）、电能计量等，都需要基于统一的高精度时间基准。一些保护跳闸顺序与故障分析需基于毫秒级（千分之一秒）时间差异进行判断。

△千分之一秒级差距记录的电站事件顺序

当前电站中，一般设置统一时钟源的时钟同步系统。时钟源来自外部的GPS或北斗原子钟，接受GPS或北斗授时的电站内部网络主钟则类似沃伦时代的“主站时钟”。

包括电站、电网在内的电力系统较大依赖高精度的原子钟授时。

但毫无疑问，沃伦是互联电网的一位奠基人。因为他的努力，在较长的时间里，电网与发电站一直是公众准确时间的来源。

在一般生活领域，即使在当前，许多电子设备，如洗衣机、烤箱和微波炉，依然在使用着来自电网与发电站的频率进行计时。

三、新安江水电站电频钟

1960年4月22日，新安江水电站第一台7.25万千瓦水轮发电机组投产，向浙西地区的110千伏系统送电。

同年9月26日，新安江水电站机组并入“新-杭-沪”220千伏系统向华东电网送电。华东电网也从此形成了真正意义上的跨三省一市大电网。

1962年11月5日，新安江水电站担任华东电网第一调频电厂，由上海研制的这款国产电频钟投入使用。

上海在接到周总理的指示后，由上海市仪表局和上海钟厂成立攻关组，前后花费三年半的时间进行研究攻关。

1958年，上海便已制造出第一只国产上海牌手表，在制造精准钟表的技术上，上海已无问题，但在研制具有自启动能力的同步电机上是一个挑战。

放在当前，启动同步电机具有三种方式。一是拖动启动

二是变频启动，三是同步电机异步启动。

第一种启动方法需借助外力（手动或额外的电机拖动），第二种启动方法在当时还不可行，因为变频器较晚才出现。第二种启动方法效能最好，也是攻关组选择的攻关方向。

同步电机异步启动的基本原理是在原同步电机转子上添加一个额外的类似异步电机的鼠笼式导条。启动初期时电机依靠鼠笼式导条以异步电机的方式运行，当转子的转速接近定子绕组旋转磁场转速时，定子通电产生励磁进而使得转子上的磁极与旋转磁场形成最终的磁力吸引锁定，进而达到转子与旋转磁场同步转动的效果。

攻关组最终选择了同步电机异步启动技术路线，也是美国人沃伦曾经申请过专利的技术路线。

攻关组历时两年制造出适用的自启动同步电机，又经过一年半，最终制造出电频钟成品，实现了自力更生的又一项突破。

新安江水电站的这台电频钟为暗红色木外框的落地摆钟，核心部件由标准钟和电频表两部分结合而成。带有闪电标志的红色指针由同步电机驱动，秒针由机械摆驱动，当两者的前进路径保持同步，则意味着电网频率在50赫兹的基准线上，超出就减少发电出力，不足则加开发电出力。

通过这台电频钟，可以直观监测华东电网频率状况。

这台电频钟时钟部分的钟摆设置在密封容器内，采用当时比较先进的电磁耦合技术，无需接触即可实现对钟摆的能量补给，使其维持恒定摆幅。

1968年，数字频率表上岗，依靠机械转动进行频率监测的新安江电频钟退役。

作为一个计时钟，其在新安江电站中央控制室则一直运行到1995年。

△陈列于博物馆中的新安江水电站电频钟