走進新中國水電“長子”，我國第一座“三自”水電站——新安江水電站內(nèi)設(shè)的博物館，一座暗紅色的落地大擺鐘式樣的文物赫然陳列在入口顯眼處，這便是這座水電博物館的鎮(zhèn)館之寶——電頻鐘。

在新安江水電站生產(chǎn)運行的上世紀60年代，電頻鐘是保障電站運行，特別是保障電能質(zhì)量的核心裝置。

1959年4月，周恩來總理視察處于建設(shè)期的新安江水電站，得知電站投產(chǎn)需要一臺電頻鐘，而制造電頻鐘的技術(shù)在當時還屬于“高精尖”，一般都需要從國外進口。周總理了解到相關(guān)情況后，指示由上海承擔此項研制任務(wù)，強調(diào)要走“自力更生”之路。

△我國第一臺自主研制的大型調(diào)頻發(fā)電站專用電頻鐘

一、電頻鐘的產(chǎn)生

電頻鐘的出現(xiàn)源于一件民生應用轉(zhuǎn)變成為電力應用的偶然事件。

一個1872年出生于波士頓，名叫沃倫（Henry Ellis Warren）的美國人，他于1894年從麻省理工學院獲得電氣工程學位畢業(yè)。沃倫愛好發(fā)明并申請到專利。1912年，沃倫成立公司生產(chǎn)由電池供電的擺鐘。

人類很早就有計時的需求，從最早依靠太陽偏轉(zhuǎn)計時的日晷，到后來依靠大致均衡流動的水漏、沙漏。早期的這些方法和發(fā)明只能讓人們對時間有個大致的了解。

隨后，人們發(fā)明了一些利用驅(qū)動機構(gòu)的機械力（水力、重錘、發(fā)條等）推動指針旋轉(zhuǎn)，從而計時的工具，如中國的水運渾天儀、歐洲的機械塔鐘等。計時準確性在這一時期有了較大提高。

意大利人，歐洲近代自然科學創(chuàng)始人伽利略（1564-1642）在觀察教堂吊燈擺動時，發(fā)現(xiàn)了擺的“等時性原理”，即當單擺在小角度擺動時（通常小于5°），其擺動周期與擺幅大小無關(guān)，完成一次全擺動的時間相同。

17世紀時，小伽利略65歲的荷蘭科學家惠更斯（1629-1695），利用“等時性原理”于1656年發(fā)明了擺鐘。擺鐘的出現(xiàn)大幅提高了計時的精度，其計時誤差每天縮小到10分鐘左右。

擺鐘是真正利用了物理學原理發(fā)明出來的計時工具。

1840年，英國鐘表匠亞歷山大·貝恩，將電磁鐵應用在擺鐘上，從而發(fā)明了電擺鐘。

貝恩將鐘表的傳統(tǒng)重錘和彈簧動力裝置替換為電池供電的電磁鐵以驅(qū)動擺錘。擺錘擺動時形成電路閉合，為電磁鐵供電，并連續(xù)循環(huán)，從而為擺錘的擺動衰減補充動力。貝恩開創(chuàng)了電技術(shù)在鐘表領(lǐng)域的應用，極大地提高了擺鐘的走時精度，促進了電擺鐘應用的大發(fā)展。

時間來到1912年，美國人沃倫也成立公司生產(chǎn)電池供電的擺鐘。沃倫設(shè)計的電擺鐘以永磁體為擺錘，電池提供電脈沖以保持鐘擺擺動。

與貝恩電擺鐘面臨同樣問題的是，電擺鐘保持時間準確性的能力會隨著電池的消耗而變差。

沃倫隨即開啟可維持電擺鐘準確性的實驗改進。

既然擺鐘會因為電池電力衰減而影響走時，那何不將擺鐘連上當時已經(jīng)出現(xiàn)的電力系統(tǒng)之上呢？

沃倫的電氣工程專業(yè)背景此時發(fā)揮了作用。沃倫想到的不是利用電力系統(tǒng)的電力維持擺錘擺動，而是想到了當時交流發(fā)電機恒定的轉(zhuǎn)速。

沃倫于是開始設(shè)計同步電機，沃倫想利用電力系統(tǒng)恒定頻率的特性，帶動同步電機恒定轉(zhuǎn)動從而達到計時準確的效果。

沃倫的這個設(shè)想既是想解決此前電擺鐘走時失準的技術(shù)性問題，也是想促進用電消費，獲得商業(yè)利益。

在生產(chǎn)傳統(tǒng)電擺鐘4年后，沃倫發(fā)揮自己的專業(yè)能力和發(fā)明天才，于1916年發(fā)明了由轉(zhuǎn)子和線圈組成的自啟動同步電動機。沃倫的發(fā)明克服了此前同步電機需要手動輔助啟動的問題，其自啟動同步電動機后于1918年獲得專利。

沃倫自啟動同步電動機應用于時鐘后，時鐘走時準確性和使用方便性大為提高，其產(chǎn)品的商業(yè)價值也迅速放大。

美國GE公司也將沃倫的自啟動同步電機集成到自己的時鐘和其他儀器中。

利用自啟動同步電機，沃倫創(chuàng)建了自己的Telechron電鐘品牌，該型與電網(wǎng)同步的電鐘，到1926年已售出2000萬只。盡管相比其他時鐘價格較高，但其美觀的設(shè)計和可靠的性能使其在市場上依然大受歡迎。

△沃倫發(fā)明生產(chǎn)的Telechron電網(wǎng)同步電鐘（帶一根電線）

在銷售電網(wǎng)同步電鐘的同時，沃倫發(fā)現(xiàn)了一個因交流電頻率不穩(wěn)而導致的電鐘計時不準的問題。

為解決這個問題，1916年10月，沃倫又發(fā)明了“主站時鐘”，并安裝在波士頓愛迪生電氣公司的L街發(fā)電站中，來監(jiān)測電流的頻率，驗證沃倫所判斷的發(fā)電站電流頻率不穩(wěn)的事實。

從計時角度，“主站時鐘”構(gòu)建起一個主/從時鐘網(wǎng)絡(luò)。早期的從時鐘自帶計時機制，接受“主站時鐘”的校正，后來從時鐘完全顯示“主站時鐘”的計時信號。

“主站時鐘”發(fā)明后，許多依賴準確計時的大型機構(gòu)，如鐵路網(wǎng)絡(luò)、電話交換機、工廠等都使用了主/從時鐘網(wǎng)絡(luò)。

而沃倫以其電氣工程的專業(yè)背景，發(fā)明的“主站時鐘”不僅僅是計時、授時，更是瞄準校正電流的頻率。沃倫想的是，只要電流頻率穩(wěn)定了，那么他發(fā)明的電網(wǎng)同步電鐘就能走時準確。

沃倫不斷革新他的“主站時鐘”，從A型發(fā)展到E型。

1929年，沃倫公司更新迭代的“E型主站時鐘”，定性為校準發(fā)電站，應用于互連電網(wǎng)。

△ 沃倫發(fā)明生產(chǎn)的Telechron E型主站時鐘

從1930年代開始，沃倫的“E型主站時鐘”在美國田納西河谷管理局使用。到1947年，沃倫的主站時鐘監(jiān)管著美國95%以上的電力線。

“E型主站時鐘”也稱為電頻鐘，由兩個時鐘疊加在一個鐘面上。表盤配備兩根指針，一根黑色，一根金色，黑色指針連接著一只精準的機械擺鐘，金指針則由同步電機驅(qū)動。

當發(fā)電機以60赫茲頻率準確運行時，金色指針會與黑色指針會以完全相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。

發(fā)電站操作員會觀察時鐘，并通過渦輪調(diào)速器調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，從而發(fā)出規(guī)定的60赫茲交流電。

早期的發(fā)電站只為少數(shù)的客戶提供服務(wù)，幾乎不需要標準化或集成。而通過保持60赫茲標準，沃倫的“主站時鐘”使集成電網(wǎng)成為可能，從而實現(xiàn)了電力對社會公眾的普遍性服務(wù)。

沃倫發(fā)明的Telechron“E型主站時鐘”也成為專門的發(fā)電站頻率監(jiān)測設(shè)備：電頻鐘。

二、電頻鐘的替代

沃倫生產(chǎn)的家用電鐘以及電站用電頻鐘在1940年代后期之前一直占據(jù)著主導地位，但從1950年代開始，新出現(xiàn)的石英鐘取代了電網(wǎng)同步電鐘。

如同利用擺的等時性原理提高了計時精度一樣，石英鐘也是利用了振動的固定性（等時性）原理。

科技人員發(fā)現(xiàn)石英（二氧化硅晶體）在受到電信號刺激時，會產(chǎn)生規(guī)律性的機械振動；反之，石英晶體振動時也會產(chǎn)生電信號，這種特性稱為石英的“壓電效應”。通過給石英晶體施加電信號，可使其以固定頻率振動（32768赫茲）。從這個較大振動頻率數(shù)值可以看出，石英鐘的計時準確性理論上就能遠超電鐘（60赫茲）。

1942年，格林威治天文臺采用石英鐘作為標準鐘。

從電鐘開始，計時的準確性取決于固定頻率的大小，頻率值（每秒振動往復或者旋轉(zhuǎn)）越高，利用這種特性進行計時的準確性就越高。

石英鐘出現(xiàn)后，與電網(wǎng)同步的電鐘便逐步淡出人們的生活。

科學家們后來又發(fā)現(xiàn)，原子具有“能級遷越”特性。構(gòu)建一個類似電子振蕩器的裝置，當振蕩器產(chǎn)生的電磁波頻率與原子固有的振動頻率相匹配時，原子將經(jīng)歷“能級躍遷”，此時，原子會吸收能量并產(chǎn)生反饋信號。

原子固有的躍遷頻率由原子的量子特性決定，幾乎不受外界環(huán)境影響，這一特性十分適宜于用于高精度計時。

利用這些特征，科學家們于1955年制造出銫原子鐘。

1967年起，以銫原子鐘的躍遷頻率為基礎(chǔ)，國際計量大會定義了原子特性維度上的“秒長”，即：一秒=銫13原子振蕩9192631770次。這一定義取代了由并不恒定的日長定義的秒長，是時間定義上的一個革命性創(chuàng)舉。

原子鐘的出現(xiàn)，使時間計量精度產(chǎn)生了重大飛躍，成為當前精準導航定位、電網(wǎng)授時，以及互聯(lián)網(wǎng)時間的基礎(chǔ)。

電頻鐘之后，更先進精準的電子設(shè)備用于發(fā)電站的頻率監(jiān)測。

如今，發(fā)電站使用原子鐘授時，以此為基準，利用調(diào)速器全自動化地精準調(diào)節(jié)發(fā)電站與大電網(wǎng)的頻率恒定、相位同步。

原子鐘授時也是一種主/從時鐘網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)中“主站時鐘”即是原子鐘，生活中的互聯(lián)網(wǎng)時鐘等各種精確計時工具都是從時鐘。

當前，電站、電網(wǎng)運行對精準時間要求極高，除了反映電能質(zhì)量的頻率與精準時間有關(guān)，眾多的自動化動作（繼電保護動作）、電能計量等，都需要基于統(tǒng)一的高精度時間基準。一些保護跳閘順序與故障分析需基于毫秒級（千分之一秒）時間差異進行判斷。

△千分之一秒級差距記錄的電站事件順序

當前電站中，一般設(shè)置統(tǒng)一時鐘源的時鐘同步系統(tǒng)。時鐘源來自外部的GPS或北斗原子鐘，接受GPS或北斗授時的電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主鐘則類似沃倫時代的“主站時鐘”。

包括電站、電網(wǎng)在內(nèi)的電力系統(tǒng)較大依賴高精度的原子鐘授時。

但毫無疑問，沃倫是互聯(lián)電網(wǎng)的一位奠基人。因為他的努力，在較長的時間里，電網(wǎng)與發(fā)電站一直是公眾準確時間的來源。

在一般生活領(lǐng)域，即使在當前，許多電子設(shè)備，如洗衣機、烤箱和微波爐，依然在使用著來自電網(wǎng)與發(fā)電站的頻率進行計時。

三、新安江水電站電頻鐘

1960年4月22日，新安江水電站第一臺7.25萬千瓦水輪發(fā)電機組投產(chǎn)，向浙西地區(qū)的110千伏系統(tǒng)送電。

同年9月26日，新安江水電站機組并入“新-杭-滬”220千伏系統(tǒng)向華東電網(wǎng)送電。華東電網(wǎng)也從此形成了真正意義上的跨三省一市大電網(wǎng)。

1962年11月5日，新安江水電站擔任華東電網(wǎng)第一調(diào)頻電廠，由上海研制的這款國產(chǎn)電頻鐘投入使用。

上海在接到周總理的指示后，由上海市儀表局和上海鐘廠成立攻關(guān)組，前后花費三年半的時間進行研究攻關(guān)。

1958年，上海便已制造出第一只國產(chǎn)上海牌手表，在制造精準鐘表的技術(shù)上，上海已無問題，但在研制具有自啟動能力的同步電機上是一個挑戰(zhàn)。

放在當前，啟動同步電機具有三種方式。一是拖動啟動

二是變頻啟動，三是同步電機異步啟動。

第一種啟動方法需借助外力（手動或額外的電機拖動），第二種啟動方法在當時還不可行，因為變頻器較晚才出現(xiàn)。第二種啟動方法效能最好，也是攻關(guān)組選擇的攻關(guān)方向。

同步電機異步啟動的基本原理是在原同步電機轉(zhuǎn)子上添加一個額外的類似異步電機的鼠籠式導條。啟動初期時電機依靠鼠籠式導條以異步電機的方式運行，當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子通電產(chǎn)生勵磁進而使得轉(zhuǎn)子上的磁極與旋轉(zhuǎn)磁場形成最終的磁力吸引鎖定，進而達到轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動的效果。

攻關(guān)組最終選擇了同步電機異步啟動技術(shù)路線，也是美國人沃倫曾經(jīng)申請過專利的技術(shù)路線。

攻關(guān)組歷時兩年制造出適用的自啟動同步電機，又經(jīng)過一年半，最終制造出電頻鐘成品，實現(xiàn)了自力更生的又一項突破。

新安江水電站的這臺電頻鐘為暗紅色木外框的落地擺鐘，核心部件由標準鐘和電頻表兩部分結(jié)合而成。帶有閃電標志的紅色指針由同步電機驅(qū)動，秒針由機械擺驅(qū)動，當兩者的前進路徑保持同步，則意味著電網(wǎng)頻率在50赫茲的基準線上，超出就減少發(fā)電出力，不足則加開發(fā)電出力。

通過這臺電頻鐘，可以直觀監(jiān)測華東電網(wǎng)頻率狀況。

這臺電頻鐘時鐘部分的鐘擺設(shè)置在密封容器內(nèi)，采用當時比較先進的電磁耦合技術(shù)，無需接觸即可實現(xiàn)對鐘擺的能量補給，使其維持恒定擺幅。

1968年，數(shù)字頻率表上崗，依靠機械轉(zhuǎn)動進行頻率監(jiān)測的新安江電頻鐘退役。

作為一個計時鐘，其在新安江電站中央控制室則一直運行到1995年。

△陳列于博物館中的新安江水電站電頻鐘

來源: “天荒坪抽水蓄能與生態(tài)能源”科普教育基地