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摘要 本文档将对与谐波电流相关的问题进行概述,并特别关注于信息技术设备.

同时对国际规章中解决这些问题的方式进行介绍. 引言 非线性负载会导致电力线路中出现谐波电流.谐波是频率为基本线路基频(50或60 Hz)倍数的有害电流.谐波电流可能使导线和变压器过载,导致发热,极端情况下会发生火灾.在信息技术电源系统中,了解何时应该以及如何应对这一问题十分重要.最近,由于相关国际章程被广泛采纳,这一问题在很大程度上被消除了. 非线性负载 许多台式个人电脑对交流电源表现为非线性负载.这是因为它们采用了称为 电容输入开关电源 的电源设计. 包括服务器、路由器、集线器和存储系统在内的信息技术设备则几乎普遍采用另一种名为 功率因数校正 的不同电源设计.这些设备对交流电源表现为非常好的线性负载,不会产生谐波电流.实际上它们是电网上最 干净 的负载类别之一,所产生的谐波电流比日光灯和变速电机等其他许多设备要低.10年以前,这些设备与个人电脑一样是非线性负载,但今天它们已经完全接受要求其采用 功率因数校正 设计进行生产的国际规章. 规章 业界对于减少交流电源系统中的非线性负载量有很大的兴趣.非线性负载会降低公用电力系统的配电能力,并使提供给附近客户的交流电波形失真,从而降低电源质量等级.此外还存在导致客户设施起火的风险. 在20世纪80年代,公共电力企业和包括IEC(国际电工委员会)在内的国际公约机构注意到了电气设备耗电量所占百分比以及此类设备采用 电容输入开关电源 的百分比均日益提高的趋势.日光灯、高性能空调系统以及个人电脑是推动这一变化的主要产品类别.面对这种趋势,IEC于1982年制定了国际标准IEC 555-2 在交流主要线路中的谐波注入 .该标准专门限制 非专业 设备的谐波电流注入.瑞士、日本及其他国家在IEC 555标准发布后很快就采用了该标准. 全球计算机产品供应商们在20世纪80年代最早开始感受到向已采用IEC 555-2标准的国家销售计算机受到了限制.这种形势促成了功率因数校正电源技术的发展. 1995年,IEC引入了经过更新的IEC 555-2标准,称为IEC 1000-3-2.在IEC 1000-3-2中,适用范围大大超出IEC 555-2,涵盖了每相吸收电流不超过16A的所有设备.该标准对采用非线性开关电源的产品的谐波绝对值和百分比值均增加了额外的限制.除美国和欧共体之外的许多国家采用了这一标准.欧共体在1995年稍晚时候采用了其自行制定的这一标准的对应版本,即EN61000-3-2,并要求设备制造商遵守名为 电磁兼容性指令 的欧共体指令之下的标准.该指令允许制造商在1998年之前采用已有的产品设计.后来欧共体又将这一期限延长至2001年1月1日. 该标准对谐波电流注入作如下限制: 谐波阶次 每瓦特功率最大许可谐波电流 (ma/W)

3 3.4

5 1.9

7 1

9 0.5

13 0.35 最高39次的奇次谐波 3.85/n 到1995年之前,几乎所有针对网络和通信引入的新的计算机设备都符合IEC 1000-3-2.虽然并非所有国家都立即采用了这一标准,但它却已成为延迟达标企业要面对的强大的贸易壁垒.计算机原始设备制造商(OEM)对用于系统集成的OEM设备几乎普遍规定要符合IEC 1000-3-2.这就使得IT行业在2001年1月1日期限甚至是原定的1998年期限之前事实上已100%遵照该标准执行. 美国提出了 14号修正案 对该标准进行修正, 14号修正案 弱化了该标准,允许更多谐波存在.采用这一修正案的国家数量目前还不清楚. 在欧共体及其他许多国家内销售的产品必须符合EN61000-3-2标准.美国尚未正式采纳此标准.现今所生产的信息技术设备普遍针对全世界应用而设计,故要求有CE标志并须符合IEC标准.因此,除小型PC之外的IT设备普遍遵照此标准(在美国仍有不合此标准的PC在销售).在过去5年中,由于新型设备对老设备的自然替代,谐波在数据中心环境中实际已被消除. 该标准对实际系统的意义 由符合IEC 1000-3-2标准的设备所组成的系统将具有以下特性: 当中性线回路中高于三次的谐波总含量低于2%时,除三次谐波之外的所有谐波对中性线电流的贡献均可忽略. 在负载不高于675W的条件下,系统 K 系数的理论最大值为9.如果存在更大的负载,则理论最大 K 系数将减小:例如,在2kW负载下,最大 K 系数为3. 如果所有回路均被加载至最大额定值,没有负载高于675W,且所有负载产生的三次谐波均在规定限制内,则理论最大中性线电流将是额定相电流值的1.7倍.如果有更大的负载,则理论最大中性线电流将相对减小:例如,在2kW负载下,理论最大中性线电流小于相电流. 在实际的系统中,由于以下原因,谐波电流将低于理论值: 制造商必须在较宽的电压、制造容差及负载范围内满足规章要求,其结果是实际产品在典型运行条件下远低于规定要求. 某些负载采用相对相连接(特别是在美国),因此不会贡献中性线电流. 在实际系统上进行了试验,以确定K系数和中性线电流要求.采用了两个试验系统.系统1由一系列Dell设备组成,包括4台不同的服务器、1个磁带库以及1套联网存储系统(采用其他品牌设备也获得了类似结果).系统2由所有PC负载组成.谐波电流测量采用Fluke电力线路分析仪.K系数采用IEEE标准1100-1992计算.中性线电流容量选型系数按照加载至最大容量的三相系统计算.以下给出试验结果. 系统1: Dell网络设备 系统2: 个人电脑 系统3: 网络设备与个人电脑50-50组合 K系数 1.2 11.4 5.2 中性线选型(为相线电流要求的百分比) 8% 102% 42% 应注意到PC与网络设备之间的巨大差异.注意当PC与网络设备混合时,K系数和中性线选型要求低于PC所要求的值.此数据显示,几乎不可能构建出要求 K 额定值高于5或要求中性线额定电流超出相电流额定值的信息技术数据中心.对于完全由PC组成的数据系统,可以实现K系数达到11的要求,但中性线过度配置仍然没有必要. 谐波如何使楼宇内中性线过载并造成潜在火灾危险 三相楼宇配线由3条火线(或相线)、1条地线和1条中性线组成.单相负载连接在各火线与中性线之间.因此,中性线充当了所有单相负载电流的 公共 回路.三相电力系统的一个性质是,如果各条火线的负载基本相当,则中性线电流将接近于零,因为各个相电流相互 不同相 .换言之,中性线内的负载电流被 抵消 .在北美,有时楼宇配线设计会利用这种抵消作用,中性线导线规格小于火线.然而,计算机所产生的谐波电流会使此类系统的运行发生变化.计算机会产生大量的三次谐波电流.由于数学相位性质,三次谐波电流在中性线上相互叠加而不是相互抵消.因此,在安装有大量个人电脑的楼宇中,中性线可能承载比其设计值高得多的电流.事实上,单纯中性线中的谐波电流在理论上可达电力线满负荷额定电流的1.7倍.这是谐波和PC有关的最严重的问题.注意上述数据显示,尽管中性线电流不可能超过相电流,但在PC环境中中性线电流却可能达到相电流值.因此,在办公环境中决不允许中性线降低规格. 这一问题并非PC环境所独有,因为还存在其他非线性负载,如日光灯镇流器.不过这一问题在数据中心内已不再显著,因为相关规章中已要求采用功率因数校正设备(应注意即使所有插座均为单相,多数楼宇还是采用三相配线). 谐波使楼宇电力变压器过载并导致其老化 电力变压器采用KVA为单位标示,设计用以承载频率为工频频率(50或60 Hz)的电流.限制变压器送电容量的是其温升水平.变压器内的热量由变压器的固有电阻及其输送的电流产生.当电力变压器承载谐波电流时,一种称为 邻近效应 的效应(有时会与涡流作用相混淆)将导致变压器的有效电阻随频率提高而增大.其结果是,如果变压器承载有显著的谐波电流,则必须降低变压器容量,否则它可能过热并因绝缘老化而损坏.变压器故障经常是灾难性的,会释放有害烟雾和火焰;