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更新時(shí)間：2013-12-20
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諧波電流對配電系統及其饋電的設施具有明顯影響。在規劃系統擴建或改造時(shí)必須考慮它們的影響。此外，確定非線(xiàn)性負載的規模和位置也是所有維護、故障排除和修理計劃的重要組成部分之一。
目錄
現代電力系統中的諧波問(wèn)題2 諧波技術(shù)概覽3 補償及減小諧波的解決方案4 增大中性線(xiàn)配線(xiàn)規格4 使用單獨的中性導線(xiàn)5 使用不會(huì )受諧波影響的直流電源5 在配電元件中使用K級變壓器5 使用諧波減緩式變壓器6 其他諧波減輕方法7
小結7 其他參考資料7 作者簡(jiǎn)介8 關(guān)于伊頓8
諧波不和諧 電氣系統中問(wèn)題諧波失真的常見(jiàn)原因、意義及解決辦法
現代電力系統中的諧波問(wèn)題
諧波是指正常電流波形的一種失真，一般是由非線(xiàn)性負載發(fā)射的。開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）、調速電機及驅動(dòng)、復印機、個(gè)人電腦、激光打印機、機、電池充電器以及UPS等都屬于非線(xiàn)性負載。單相非線(xiàn)性負載在現代辦公大樓中較為常見(jiàn)，而三相非線(xiàn)性負載則普遍存在于工廠(chǎng)和工業(yè)車(chē)間里。
多數配電系統上的大部分非線(xiàn)性電力負載來(lái)自SMPS設備。比如，所有計算機系統使用SMPS把市電交流電壓轉換為供內部電子設備使用的穩定低壓直流電。這些非線(xiàn)性電源會(huì )產(chǎn)生高振幅短脈沖電流，造成電流和電壓波形嚴重失真——諧波失真，一般按總諧波失真（THD）衡量。該失真向后傳播回到電源系統，將影響連接在同一電源上的其他設備。
多數電力系統可以容忍一定程度的諧波電流，但當諧波在總負載中所占比例較為明顯時(shí)就會(huì )出現問(wèn)題。隨著(zhù)這些頻率較高的電流流經(jīng)電力系統，它們會(huì )造成通信錯誤、過(guò)熱和硬件受損，比如：
配電設備、電纜、變壓器、備用發(fā)電機等過(guò)熱 諧波阻抗造成的高電壓和環(huán)流 發(fā)熱并浪費電能的高中性線(xiàn)電 因電壓失真嚴重導致設備故障 增大了連接設備中的內部能耗，造成元器件失效并縮短使用壽命 支路斷路器偽跳閘 計量錯誤 配線(xiàn)和配電系統失火 發(fā)電機失效 高振幅系數及有關(guān)問(wèn)題 降低系統功率因數，導致可用功率減?。╧W對kVA）和每月電費處罰
諧波技術(shù)概覽
諧波是頻率達基頻整數倍的電流或電壓。如果基頻為60Hz，那么第2諧波為120 Hz，第3諧波為 Hz等（見(jiàn)圖1）。當諧波頻率占主導時(shí)，配電盤(pán)和變壓器會(huì )與高頻諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)形成機械共振。發(fā)生這種情況時(shí)，配電盤(pán)或變壓器會(huì )振動(dòng)并針對不同諧波頻率發(fā)出蜂鳴聲。第3到第25諧波頻率是配電系統中zui為常見(jiàn)的頻率范圍。 圖1 電流波形的諧波失真
所有周期波都會(huì )隨各種頻率的正弦波產(chǎn)生。傅里葉定律把一個(gè)周期波分解為其分量頻率。
諧波分量：較大的第1諧波（基頻） 較小的第5諧波 略大的第7諧波 圖2 由基頻、第5和第7諧波組成的失真波形
信號的總諧波失真是衡量諧波失真的指標，它被定義成所有諧波分量的功率總和與基頻的功率之比。它描述了電壓或電流信號的失真程度（見(jiàn)圖3）。 圖3 總諧波失真
補償及減小諧波的解決方案
雖然限制產(chǎn)生諧波電流的標準正在考慮之中，今天的諧波控制主要依賴(lài)于補救方法。補償或減小電力系統諧波可以采取多種手段，其效果和效率各不相同。
增大中性線(xiàn)配線(xiàn)規格
現代設施中，中性線(xiàn)的配線(xiàn)容量規格常常要求與電力配線(xiàn)相同或更大——盡管電力規范允許減小其規格。支持多臺個(gè)人電腦（比如呼叫中心）的設計應規定中性線(xiàn)配線(xiàn)超過(guò)相線(xiàn)規格1.73倍。對辦公室隔間里的配線(xiàn)尤其要多加注意。需要指出的是，這種方法可以保護建筑物配線(xiàn)，但不能保護變壓器。
使用單獨的中性導線(xiàn)
在三相分支電路上，要單獨為每根相線(xiàn)導線(xiàn)敷設中性導線(xiàn)，取代多線(xiàn)分支電路共用一條中性導線(xiàn)的做法。這樣可以增大分支電路處理諧波負載的容量和能力。這種方法可以有效抑制分支電路中性線(xiàn)上諧波增大，但配電板中性母線(xiàn)和饋電中性導線(xiàn)仍須考慮。
使用不會(huì )受諧波影響的直流電源
在典型數據中心里，配電系統通過(guò)一臺變壓器把480V交流市電轉換為對服務(wù)器機架饋電的208V交流電。每臺服務(wù)器中的一個(gè)或幾個(gè)電源再把該交流電轉換為供服務(wù)器內部組件使用的直流電壓。
這些內部電源能效不高，它們產(chǎn)生大量熱，增加了房間的空調系統的工作量以及運轉成本。熱耗散也限制了一個(gè)數據中心里能容納的服務(wù)器數量。選擇使用直流電來(lái)消除這一環(huán)節是值得的。
根據《能源與電力管理》雜質(zhì)中一篇文章的說(shuō)法，“配備直流電源而非交流電源的計算機和服務(wù)器產(chǎn)生的熱量下降20%~40%，功耗降低30%，提高了服務(wù)器的可靠性和安裝靈活性，也減少了維護需求。"
聽(tīng)起來(lái)不錯，但綜合考慮成本、兼容性、可靠性和效率時(shí)，棄交流電不用而選擇直流電對多數數據中心來(lái)說(shuō)并不可行。交流電——盡管其效率略低——但對現有設備是普遍可以接受的。
此外，目前尚無(wú)針對數據中心高電壓點(diǎn)的保險商實(shí)驗室（UL）安全標準，而針對交流系統的標準則十分成熟。這意味著(zhù)安全風(fēng)險勝過(guò)了直流電的潛在效益，至少目前是這樣。
在配電元件中使用K級變壓器
標準變壓器不是針對非線(xiàn)性負載產(chǎn)生的高諧波電流而設計的。當連接這些負載時(shí)會(huì )過(guò)熱并過(guò)早發(fā)生故障。當諧波開(kāi)始以具有有害影響的程度引入電氣系統中時(shí)（circa 1980），該行業(yè)的應對措施是開(kāi)發(fā)了K級變壓器。K級變壓器不是用于消除諧波，而是用于處理諧波電流產(chǎn)生的熱量。
K系數額定值范圍在1到50之間。針對線(xiàn)性負載設計的標準變壓器K系數為1。K系數越高，變壓器能夠承受諧波電流產(chǎn)生的熱量越多。選擇正確的K系數非常關(guān)鍵，因為它對成本、效率和安全性都有影響。
K系數較高的變壓器一般比K系數較低的變壓器更大，因此要根據數據中心的諧波曲線(xiàn)選擇合理的K系數，從而在尺寸、效率和耐熱能力之間取得*平衡。下表給出了針對電氣系統中不同百分比非線(xiàn)性電流的適當K系數。
非線(xiàn)性負載 K等級 電子設備偶爾產(chǎn)生<5%的非線(xiàn)性電流 K1 產(chǎn)生諧波的設備產(chǎn)生<35%的非線(xiàn)性電流 K4 產(chǎn)生諧波的設備產(chǎn)生<50%的非線(xiàn)性電流 K7 產(chǎn)生諧波的設備產(chǎn)生<75%的非線(xiàn)性電流 K13 產(chǎn)生諧波的設備產(chǎn)生<100%的非線(xiàn)性電流 K20
帶K-13級變壓器（和大尺寸中性線(xiàn)）的配電單元（PDU）可以有效地處理諧波電力。帶K20級變壓器的配電單元很常見(jiàn)，但對于多數現代數據中心來(lái)說(shuō)過(guò)大。
使用諧波減緩式變壓器
K級干式變壓器在電氣環(huán)境中廣泛使用——包括PDU中或作為備用單元。但變壓器設計中的進(jìn)步可以在減小諧波電壓失真和功率損耗方面提供更好的性能。
諧波減緩式變壓器（HMT）用于處理電氣系統的非線(xiàn)性負載。該變壓器利用電磁減輕技術(shù)專(zhuān)門(mén)處理三倍序號（第3、9、15…..）諧波。變壓器的二次繞組用于抵消零序通量并消除一次繞組環(huán)流。該變壓器也通過(guò)使用相轉移處理第5和第7諧波。
利用這兩種電磁技術(shù)，HMT允許負載按照其廠(chǎng)家設計的方式工作，同時(shí)將諧波對能耗和失真的影響降至zui低。多數HMT超過(guò)了NEMA TP-1效率標準，即使在使用100%非線(xiàn)性負載進(jìn)行檢測時(shí)。只要規定了K級變壓器，等效HMT就可以作為直接代用品。
使用HMT的主要優(yōu)點(diǎn)
防止非線(xiàn)性負載造成的電壓平頂 減小上游諧波電流 消除變壓器過(guò)熱和工作溫度過(guò)高 消除一次繞組環(huán)流 通過(guò)減少諧波損耗達到節能 維持高能效，即使在非線(xiàn)性負載較為嚴重的情況下 處理K級變壓器不能解決的電力質(zhì)量諧波問(wèn)題 適合K系數較高的負載，而不會(huì )增大涌入電流 提高功率因數
其他諧波減輕方法
設計數據中心時(shí)，HMT是變壓器的。然而，如果現有數據中心存在諧波問(wèn)題，可使用鋸齒形自動(dòng)變壓器限制三倍序號諧波及第5、第7諧波的影響。
鋸齒形自動(dòng)變壓器是一種只有一次繞組而沒(méi)有二次繞組的中性形成變壓器。每個(gè)鐵芯有兩個(gè)一次繞組，它們按相反方向繞線(xiàn)，對正常相電流提供了較高的阻抗。
當靠近負載放置時(shí)，鋸齒形自動(dòng)變壓器可以捕獲三倍序號諧波。這種自動(dòng)變壓器的規格必須大到足以處理諧波。三倍序號諧波將于自動(dòng)變壓器和該負載，從而防止上游配電設備遇到諧波。然而，自動(dòng)變壓器不能用于把電壓改為與電源（電壓）不同的水平。
可以通過(guò)上述自動(dòng)變壓器與一條二次饋線(xiàn)并聯(lián)來(lái)消除三倍序號諧波、第5、第7諧波。這條饋線(xiàn)一般由不同電源供電。自動(dòng)變壓器和這條二次相轉移電源一起共同捕獲三倍序號諧波、第5、第7諧波。這種應用相當棘手，因為這兩個(gè)電源都要承載平衡負載，才能有效捕獲三倍序號諧波、第5、第7諧波。
但這兩種應用對于消除有害諧波十分有效。然而，安裝單臺諧波減輕變壓器是防止有害諧波影響配電設備成本效益的方法。
小結
諧波電流對配電系統極其饋電的設施具有重大影響。在規劃系統擴建或改造時(shí)一定要考慮諧波的影響。此外，確定非線(xiàn)性負載的規模和位置也是所有維護、故障排除和修理計劃的重要組成部分之一。
要了解伊頓更多有關(guān)管理和減輕現代電氣基礎設施中諧波的方案，請.356.5794與伊頓或登錄eaton/powerquality。
其他參考資料
[1] 處理配電系統中的諧波，Victor A. Ramos Jr. [2] Controlled Power公司的應用說(shuō)明 [3] Mirus International諧波和諧波減緩式變壓器 [4] Power System Engineering（公司名）的電力系統諧波介紹 [5] Energy Vortex公司的應用說(shuō)明
作者簡(jiǎn)介
Jonathan Rodriguez是伊頓三相電質(zhì)量小組的產(chǎn)品，有八年電力保護領(lǐng)域的經(jīng)驗，涉及三相UPS的軟件設計到數據中心配電應用支持。他擁有北卡羅萊納州立大學(xué)計算機工程碩士和計算機與電氣工程學(xué)士學(xué)位。
Gavin Saldanha是伊頓三相電質(zhì)量小組技術(shù)方案工程師，有兩年電力保護領(lǐng)域的經(jīng)驗，主要從事配電設備的軟件設計。他擁有北卡羅萊納州立大學(xué)計算機工程碩士和計算機與電氣工程學(xué)士學(xué)位。
關(guān)于伊頓公司
伊頓公司是一家多元化的動(dòng)力管理公司，2009年銷(xiāo)售額達119億美元。伊頓的產(chǎn)品和服務(wù)在各領(lǐng)域，其中包括：
? 電源品質(zhì)、輸配電及控制系統； ? 工業(yè)設備和移動(dòng)工程機械所需的液壓動(dòng)力元件、系統和服務(wù)； ? 商用和軍用航空航天所需的液壓、燃油和氣動(dòng)系統； ? 安全節能的智能化卡車(chē)傳動(dòng)系統； ? 幫助汽車(chē)工業(yè)提升性能、燃油經(jīng)濟性和安全性的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機空氣管理系統、傳動(dòng)系統和特種控制系統。
伊頓制造、銷(xiāo)售和支持滿(mǎn)足當今數據中心設備要求的各種UPS。所有用于數據中心的伊頓UPS都滿(mǎn)足或超過(guò)IT電源裝置的技術(shù)要求，是可靠的、高品質(zhì)電源。40多年來(lái)（從*臺商用UPS到高密度服務(wù)器環(huán)境使用的模塊化伊頓BladeUPS和超UPS），伊頓已經(jīng)為電源保護和后備電源領(lǐng)域樹(shù)立了*?！ ∪缧柽M(jìn)一步信息，請訪(fǎng)問(wèn)公司中文 eaton/pq
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