电气系统中问题谐波失真的常见原因、意义及解决办法.docx

谐波电流对配电系统及其馈电的设施具有明显影响在规划系统扩建或改造时必须考虑它 们的影响此外，确定非线性负载的规模和位置也是所有维护、故障排除和修理计划的重要组 成部分之一现代电力系统中的谐波问题谐波是指正常电流波形的一种失真，一般是由非线性负载发射的开关模式电源 (SMPS)、调速电机及驱动、复印机、个人电脑、激光打印机、机、电池充电器以及UPS 等都属于非线性负载单相非线性负载在现代办公大楼中较为常见，而三相非线性负载则普遍 存在于工厂和工业车间里多数配电系统上的大部分非线性电力负载来自SMPS设备比如，所有计算机系统使用 SMPS把市电交流电压转换为供内部电子设备使用的稳定低压直流电这些非线性电源会产生 高振幅短脉冲电流，造成电流和电压波形严重失真一一谐波失真，一般按总谐波失真(THD)衡 量该失真向后传播回到电源系统，将影响连接在同一电源上的其他设备多数电力系统可以容忍一定程度的谐波电流，但当谐波在总负载中所占比例较为明显时就 会出现问题随着这些频率较高的电流流经电力系统，它们会造成通信错误、过热和硬件受 损，比如：配电设备、电缆、变压器、备用发电机等过热谐波阻抗造成的高电压和环流发热并浪费电能的高中性线电流因电压失真严重导致设备故障增大了连接设备中的内部能耗，造成元器件失效并缩短使用寿命支路断路器伪跳闸计量错误配线和配电系统失火发电机失效高振幅系数及有关问题降低系统功率因数，导致可用功率减小（kW对kVA）和每月电费处罚谐波技术概览谐波是频率达基频整数倍的电流或电压。

如果基频为60H z,那么第2谐波为120 Hz,第3 谐波为180 Hz等（见图1）当谐波频率占主导时，配电盘和变压器会与高频谐波产生的磁场形 成机械共振发生这种情况时，配电盘或变压器会振动并针对不同谐波频率发出蜂鸣声第3 到第25谐波频率是配电系统中最为常见的频率范围图1电流波形的谐波失真所有周期波都会随各种频率的正弦波产生傅里叶定律把一个周期波分解为其分量频率谐波分量：较大的第1谐波（基频）较小的第5谐波略大的第7谐波图2由基频、第5和第7谐波组成的失真波形信号的总谐波失真是衡量谐波失真的指标，它被定义成所有谐波分量的功率总和与基频的 功率之比它描述了电压或电流信号的失真程度（见图3）j 0 ■出lib |儿产尸I ■・”［戶"I・l戶I・j| - i■4■j|L L II 1 1 T ■ n U 11 IT 19 fl ±3 2S a-T » II图3总谐波失真补偿及减小谐波的解决方案虽然限制产生谐波电流的标准正在考虑之中，今天的谐波控制主要依赖于补救方法补偿 或减小电力系统谐波可以采取多种手段，其效果和效率各不相同增大中性线配线规格现代设施中，中性线的配线容量规格常常要求与电力配线相同或更大——尽管电力规范允 许减小其规格。

支持多台个人电脑（比如呼叫中心）的设计应规定中性线配线超过相线规格 1.73倍对办公室隔间里的配线尤其要多加注意需要指出的是，这种方法可以保护建筑物配 线，但不能保护变压器使用单独的中性导线在三相分支电路上，要单独为每根相线导线敷设中性导线，取代多线分支电路共用一条中 性导线的做法这样可以增大分支电路处理谐波负载的容量和能力这种方法可以有效抑制分 支电路中性线上谐波增大，但配电板中性母线和馈电中性导线仍须考虑使用不会受谐波影响的直流电源在典型数据中心里，配电系统通过一台变压器把480V交流市电转换为对服务器机架馈电 的208V交流电每台服务器中的一个或几个电源再把该交流电转换为供服务器内部组件使用 的直流电压这些内部电源能效不高，它们产生大量热，增加了房间的空调系统的工作量以及运转成 本热耗散也限制了一个数据中心里能容纳的服务器数量选择使用直流电来消除这一环节是 值得的根据《能源与电力管理》杂质中一篇文章的说法，“配备直流电源而非交流电源的计算机 和服务器产生的热量下降20%~40%，功耗降低30%，提高了服务器的可靠性和安装灵活性， 也减少了维护需求听起来不错，但综合考虑成本、兼容性、可靠性和效率时，弃交流电不用而选择直流电对 多数数据中心来说并不可行。

交流电一尽管其效率略低——但对现有设备是普遍可以接受 的此外，目前尚无针对数据中心高电压点的保险商实验室(UL)安全标准，而针对交流系统的 标准则十分成熟这意味着安全风险胜过了直流电的潜在效益，至少目前是这样在配电元件中使用K级变压器标准变压器不是针对非线性负载产生的高谐波电流而设计的当连接这些负载时会过热并 过早发生故障当谐波开始以具有有害影响的程度引入电气系统中时(circa 1980)，该行业的 应对措施是开发了K级变压器K级变压器不是用于消除谐波，而是用于处理谐波电流产生的 热量K系数额定值范围在1到50之间针对线性负载设计的标准变压器K系数为1K系数越 高，变压器能够承受谐波电流产生的热量越多选择正确的K系数非常关键，因为它对成 本、效率和安全性都有影响K系数较高的变压器一般比K系数较低的变压器更大，因此要根据数据中心的谐波曲线选 择合理的K系数，从而在尺寸、效率和耐热能力之间取得最佳平衡下表给出了针对电气系 统中不同百分比非线性电流的适当K系数非线性负载K等级电子设备偶尔产生＜5%的非线性电流K1 产生谐波的设备产生＜35%的非线性电流K4 产生谐波的设备产生＜50%的非线性电流K7 产生谐波的设备产生＜75%的非线性电流K13 产生谐波的设备产生＜100%的非线性电流K20带K-13级变压器(和大尺寸中性线)的配电单元(PDU)可以有效地处理谐波电力。

带 K20级变压器的配电单元很常见，但对于多数现代数据中心来说过大使用谐波减缓式变压器K级干式变压器在电气环境中广泛使用——包括PDU中或作为备用单元但变压器设计 中的最新进步可以在减小谐波电压失真和功率损耗方面提供更好的性能谐波减缓式变压器(HMT)用于处理电气系统的非线性负载该变压器利用电磁减轻技术专 门处理三倍序号(第3、9、15••…)谐波变压器的二次绕组用于抵消零序通量并消除一次绕组 环流该变压器也通过使用相转移处理第5和第7谐波利用这两种电磁技术，HMT允许负载按照其厂家设计的方式工作，同时将谐波对能耗和 失真的影响降至最低多数HMT超过了 NEMA TP-1效率标准，即使在使用100%非线性负载 进行检测时只要规定了 K级变压器，等效HMT就可以作为直接代用品使用HMT的主要优点防止非线性负载造成的电压平顶减小上游谐波电流消除变压器过热和工作温度过高消除一次绕组环流通过减少谐波损耗达到节能维持高能效，即使在非线性负载较为严重的情况下处理K级变压器不能解决的电力质量谐波问题适合K系数较高的负载，而不会增大涌入电流提高功率因数其他谐波减轻方法首次设计数据中心时，HMT是变压器的首选。

然而，如果现有数据中心存在谐波问题， 可使用锯齿形自动变压器限制三倍序号谐波及第5、第7谐波的影响锯齿形自动变压器是一种只有一次绕组而没有二次绕组的中性形成变压器每个铁芯有两 个一次绕组，它们按相反方向绕线，对正常相电流提供了较高的阻抗当靠近负载放置时，锯齿形自动变压器可以捕获三倍序号谐波这种自动变压器的规格必 须大到足以处理谐波三倍序号谐波将仅限于自动变压器和该负载，从而防止上游配电设备遇 到谐波然而，自动变压器不能用于把电压改为与电源（电压）不同的水平可以通过上述自动变压器与一条二次馈线并联来消除三倍序号谐波、第5、第7谐波这条 馈线一般由不同电源供电自动变压器和这条二次相转移电源一起共同捕获三倍序号谐波、第 5、第7谐波这种应用相当棘手，因为这两个电源都要承载平衡负载，才能有效捕获三倍序号 谐波、第5、第7谐波但这两种应用对于消除有害谐波十分有效然而，安装单台谐波减轻变压器是防止有害谐 波影响配电设备最具成本效益的方法小结谐波电流对配电系统极其馈电的设施具有重大影响在规划系统扩建或改造时一定要考虑 谐波的影响此外，确定非线性负载的规模和位置也是所有维护、故障排除和修理计划的重要 组成部分之一。

要了解伊顿更多有关管理和减轻现代电气基础设施中谐波的方案，请拨打 800.356.5794与伊顿联系或登录网址 www.eat on .com/powerquality其他参考资料[1] 处理配电系统中的谐波，Victor A. Ramos Jr.[2] Con trolled Power公司的应用说明[3] Mirus In ter natio nal谐波和谐波减缓式变压器[4] Power System Engin eer in g（公司名）的电力系统谐波介绍⑸En ergy Vortex公司的应用说明作者简介Jon athan Rodriguez是伊顿三相电质量小组的产品经理，有八年电力保护领域的经验， 涉及三相UPS的软件设计到数据中心配电应用支持他拥有北卡罗莱纳州立大学计算机工程 硕士和计算机与电气工程学士学位Gavin Saida nha是伊顿三相电质量小组高级技术方案工程师，有两年电力保护领域的经 验，主要从事配电设备的软件设计他拥有北卡罗莱纳州立大学计算机工程硕士和计算机与电 气工程学士学位获取免费资料下载伊顿白皮书，了解更多有关技术专题的内容或向用户解释以及联系方法我们的线上 图书馆里提供了免费白皮书，对维护旁路、并联、UPS拓扑结构、能源管理等进行了深入浅 出的阐述。

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