諧波和中性線過載的風(fēng)險(xiǎn)White-paper-26

1、版次 0諧波和中性線過載的風(fēng)險(xiǎn)版次 0諧波和中性線過載的風(fēng)險(xiǎn)26號(hào)白皮書26號(hào)白皮書摘要本文檔將對(duì)對(duì)與諧波波電流相相關(guān)的問問題進(jìn)行行概述，并特別關(guān)注于信息技術(shù)設(shè)備。同時(shí)對(duì)國(guó)際規(guī)章中解決這些問題的方式進(jìn)行介紹。引言非線性負(fù)載載會(huì)導(dǎo)致致電力線線路中出出現(xiàn)諧波波電流。諧波是頻率為基本線路基頻（50或60 Hz）倍數(shù)的有害電流。諧波電流可能使導(dǎo)線和變壓器過載，導(dǎo)致發(fā)熱，極端情況下會(huì)發(fā)生火災(zāi)。在信息技術(shù)電源系統(tǒng)中，了解何時(shí)應(yīng)該以及如何應(yīng)對(duì)這一問題十分重要。最近，由于相關(guān)國(guó)際章程被廣泛采納，這一問題在很大程度上被消除了。非線性負(fù)載載許多臺(tái)式個(gè)個(gè)人電腦腦對(duì)交流流電源表表現(xiàn)為非線線性負(fù)載載。這是是因?yàn)樗鼈儾?/p>

2、用用了稱為為“電容輸輸入開關(guān)關(guān)電源”的電源源設(shè)計(jì)。包括服務(wù)器器、路由由器、集集線器和和存儲(chǔ)系系統(tǒng)在內(nèi)內(nèi)的信息息技術(shù)設(shè)設(shè)備則幾幾乎普遍遍采用另另一種名名為“功率因因數(shù)校正正”的不同同電源設(shè)設(shè)計(jì)。這這些設(shè)備備對(duì)交流流電源表表現(xiàn)為非非常好的的線性負(fù)負(fù)載，不不會(huì)產(chǎn)生生諧波電電流。實(shí)際上上它們是是電網(wǎng)上上最“干凈”的負(fù)載載類別之之一，所所產(chǎn)生的的諧波電電流比日日光燈和和變速電電機(jī)等其其他許多多設(shè)備要要低。110年以以前，這這些設(shè)備備與個(gè)人人電腦一一樣是非非線性負(fù)負(fù)載，但但今天它它們已經(jīng)經(jīng)完全接接受要求求其采用用“功率因因數(shù)校正正”設(shè)計(jì)進(jìn)進(jìn)行生產(chǎn)產(chǎn)的國(guó)際際規(guī)章。規(guī)章業(yè)界對(duì)于減減少交流流電源系系統(tǒng)中的的非線

3、性性負(fù)載量量有很大大的興趣趣。非線性性負(fù)載會(huì)會(huì)降低公公用電力力系統(tǒng)的的配電能能力，并并使提供供給附近近客戶的的交流電電波形失失真，從從而降低低電源質(zhì)質(zhì)量等級(jí)級(jí)。此外外還存在在導(dǎo)致客客戶設(shè)施施起火的的風(fēng)險(xiǎn)。在20世紀(jì)紀(jì)80年代代，公共共電力企企業(yè)和包包括IEEC（國(guó)國(guó)際電工工委員會(huì)會(huì)）在內(nèi)內(nèi)的國(guó)際際公約機(jī)構(gòu)構(gòu)注意到到了電氣氣設(shè)備耗耗電量所所占百分分比以及及此類設(shè)設(shè)備采用用“電容輸入開開關(guān)電源源”的百分分比均日日益提高高的趨勢(shì)勢(shì)。日光光燈、高高性能空空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)以及個(gè)個(gè)人電腦腦是推動(dòng)動(dòng)這一變變化的主主要產(chǎn)品品類別。面對(duì)這種趨勢(shì)，IEC于1982年制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 555-2“在交流主要線路中的諧

4、波注入”。該標(biāo)準(zhǔn)專門限制“非專業(yè)”設(shè)備的諧波電流注入。瑞士、日本及其他國(guó)家在IEC 555標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后很快就采用了該標(biāo)準(zhǔn)。全球計(jì)算機(jī)機(jī)產(chǎn)品供供應(yīng)商們們?cè)?00世紀(jì)880年代代最早開開始感受受到向已已采用IIEC 5555-2標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)國(guó)家銷售售計(jì)算機(jī)機(jī)受到了限制。這這種形勢(shì)勢(shì)促成了了功率因因數(shù)校正正電源技技術(shù)的發(fā)發(fā)展。1995年年，IEEC引入入了經(jīng)過過更新的的IECC 5555-22標(biāo)準(zhǔn)，稱稱為IEEC 110000-3-2。在在IECC 10000-3-22中，適適用范圍圍大大超超出IEEC 5555-2，涵蓋了了每相吸吸收電流流不超過過16AA的所有有設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采用非線性開關(guān)電源的產(chǎn)品

5、的諧波絕對(duì)值和百分比值均增加了額外的限制。除美國(guó)和歐共體之外的許多國(guó)家采用了這一標(biāo)準(zhǔn)。歐共體在1995年稍晚時(shí)候采用了其自行制定的這一標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)版本，即EN61000-3-2，并要求設(shè)備制造商遵守名為“電磁兼容性指令”的歐共體指令之下的標(biāo)準(zhǔn)。該指令允許制造商在1998年之前采用已有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。后來歐共體又將這一期限延長(zhǎng)至2001年1月1日。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧諧波電流流注入作作如下限限制：諧波階次每瓦特功率率最大許許可諧波波電流（ma/WW）33.451.97190.5130.35最高39次次的奇次次諧波3.85/n到19955年之前前，幾乎乎所有針針對(duì)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)和通信信引入的的新的計(jì)計(jì)算機(jī)設(shè)設(shè)備都符符合I

6、EEC 110000-3-2。雖雖然并非非所有國(guó)國(guó)家都立立即采用用了這一一標(biāo)準(zhǔn)，但它卻已成為延遲達(dá)標(biāo)企業(yè)要面對(duì)的強(qiáng)大的貿(mào)易壁壘。計(jì)算機(jī)原始設(shè)備制造商（OEM）對(duì)用于系統(tǒng)集成的OEM設(shè)備幾乎普遍規(guī)定要符合IEC 1000-3-2。這就使得IT行業(yè)在2001年1月1日期限甚至是原定的1998年期限之前事實(shí)上已100%遵照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。美國(guó)提出了了“14號(hào)號(hào)修正案案”對(duì)該標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行行修正，“14號(hào)號(hào)修正案案”弱化了了該標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，允許許更多諧諧波存在在。采用用這一修修正案的的國(guó)家數(shù)數(shù)量目前前還不清清楚。在歐共體及及其他許許多國(guó)家家內(nèi)銷售售的產(chǎn)品品必須符符合ENN610000-3-22標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)尚尚未正式式

7、采納此此標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)今所所生產(chǎn)的的信息技技術(shù)設(shè)備備普遍針針對(duì)全世世界應(yīng)用用而設(shè)計(jì)計(jì)，故要要求有CCE標(biāo)志志并須符符合IEEC標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。因此此，除小小型PCC之外的的IT設(shè)備備普遍遵遵照此標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)（在在美國(guó)仍仍有不合合此標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的PCC在銷售售）。在在過去55年中，由由于新型型設(shè)備對(duì)對(duì)老設(shè)備備的自然然替代，諧諧波在數(shù)數(shù)據(jù)中心心環(huán)境中實(shí)實(shí)際已被被消除。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)實(shí)際系統(tǒng)統(tǒng)的意義義由符合IEEC 110000-3-2標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的設(shè)備備所組成成的系統(tǒng)統(tǒng)將具有有以下特特性：當(dāng)中性線回回路中高高于三次次的諧波波總含量量低于22%時(shí)，除三次諧波之外的所有諧波對(duì)中性線電流的貢獻(xiàn)均可忽略。在負(fù)載不高高于6775W的的條件下下

8、，系統(tǒng)統(tǒng)“K”系數(shù)的的理論最最大值為為9。如果果存在更更大的負(fù)負(fù)載，則則理論最最大“K”系數(shù)將減?。豪纾谠?kWW負(fù)載下下，最大大“K”系數(shù)為為3。如果所有回回路均被被加載至至最大額額定值，沒沒有負(fù)載載高于6675WW，且所所有負(fù)載載產(chǎn)生的的三次諧諧波均在在規(guī)定限限制內(nèi)，則則理論最最大中性性線電流流將是額額定相電電流值的的1.77倍。如果果有更大大的負(fù)載載，則理理論最大大中性線線電流將將相對(duì)減小?。豪缛纾?kWW負(fù)載下下，理論論最大中中性線電電流小于于相電流流。在實(shí)際的系系統(tǒng)中，由由于以下下原因，諧波電流將低于理論值：制造商必須須在較寬寬的電壓壓、制造造容差及及負(fù)載范范圍內(nèi)滿滿足規(guī)章章

9、要求，其其結(jié)果是是實(shí)際產(chǎn)產(chǎn)品在典典型運(yùn)行行條件下下遠(yuǎn)低于于規(guī)定要要求。某些負(fù)載采采用相對(duì)對(duì)相連接接（特別別是在美美國(guó)），因此不會(huì)貢獻(xiàn)中性線電流。在實(shí)際系統(tǒng)統(tǒng)上進(jìn)行行了試驗(yàn)驗(yàn)，以確確定K系數(shù)和和中性線線電流要要求。采采用了兩兩個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)。系系統(tǒng)1由一系列列Delll設(shè)備備組成，包包括4臺(tái)不同同的服務(wù)務(wù)器、11個(gè)磁帶帶庫(kù)以及及1套聯(lián)聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)儲(chǔ)系統(tǒng)（采用其他品牌設(shè)備也獲得了類似結(jié)果）。系統(tǒng)2由所有PC負(fù)載組成。諧波電流測(cè)量采用Fluke電力線路分析儀。K系數(shù)采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)1100-1992計(jì)算。中性線電流容量選型系數(shù)按照加載至最大容量的三相系統(tǒng)計(jì)算。以下給出試驗(yàn)結(jié)果。系統(tǒng)1：Dell網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備備

10、系統(tǒng)2：個(gè)人電腦系統(tǒng)3：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與與個(gè)人電電腦500-500組合 K系數(shù)1.211.45.2中性線選型型（為相相線電流流要求的的百分比比）8%102%42%應(yīng)注意到PPC與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備備之間的的巨大差差異。注注意當(dāng)PPC與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備備混合時(shí)時(shí)，K系數(shù)和中中性線選選型要求求低于PCC所要求求的值。此數(shù)數(shù)據(jù)顯示示，幾乎乎不可能能構(gòu)建出出要求“K”額定值值高于55或要求求中性線線額定電電流超出出相電流流額定值值的信息技技術(shù)數(shù)據(jù)據(jù)中心。對(duì)對(duì)于完全全由PCC組成的的數(shù)據(jù)系系統(tǒng)，可可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)K系數(shù)達(dá)到到11的的要求，但但中性線線過度配配置仍然然沒有必必要。諧波如何使使樓宇內(nèi)內(nèi)中性線線過載并并造成潛潛在火災(zāi)災(zāi)危險(xiǎn)

11、三相樓宇配配線由3條火線線（或相相線）、11條地線線和1條條中性線線組成。單單相負(fù)載載連接在在各火線線與中性性線之間間。因此此，中性性線充當(dāng)當(dāng)了所有有單相負(fù)負(fù)載電流流的“公共”回路。三三相電力力系統(tǒng)的的一個(gè)性性質(zhì)是，如如果各條條火線的的負(fù)載基基本相當(dāng)當(dāng)，則中中性線電電流將接接近于零零，因?yàn)闉楦鱾€(gè)相相電流相相互“不同相相”。換言言之，中中性線內(nèi)內(nèi)的負(fù)載載電流被被“抵消”。在北北美，有有時(shí)樓宇宇配線設(shè)設(shè)計(jì)會(huì)利利用這種種抵消作作用，中中性線導(dǎo)導(dǎo)線規(guī)格格小于火火線。然然而，計(jì)計(jì)算機(jī)所所產(chǎn)生的的諧波電電流會(huì)使使此類系系統(tǒng)的運(yùn)運(yùn)行發(fā)生生變化。計(jì)算機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的三次諧波電流。由于數(shù)學(xué)相位性質(zhì)，三次諧波電流在

12、中性線上相互疊加而不是相互抵消。因此，在安裝有大量個(gè)人電腦的樓宇中，中性線可能承載比其設(shè)計(jì)值高得多的電流。事實(shí)上，單純中性線中的諧波電流在理論上可達(dá)電力線滿負(fù)荷額定電流的1.7倍。這是諧波和PC有關(guān)的最嚴(yán)重的問題。注意上述數(shù)據(jù)顯示，盡管中性線電流不可能超過相電流，但在PC環(huán)境中中性線電流卻可能達(dá)到相電流值。因此，在辦公環(huán)境中決不允許中性線降低規(guī)格。這一問題并并非PCC環(huán)境所所獨(dú)有，因?yàn)檫€存在其他非線性負(fù)載，如日光燈鎮(zhèn)流器。不過這一問題在數(shù)據(jù)中心內(nèi)已不再顯著，因?yàn)橄嚓P(guān)規(guī)章中已要求采用功率因數(shù)校正設(shè)備（應(yīng)注意即使所有插座均為單相，多數(shù)樓宇還是采用三相配線）。諧波使樓宇宇電力變變壓器過過載并導(dǎo)導(dǎo)致其

13、老老化電力變壓器器采用KVVA為單單位標(biāo)示示，設(shè)計(jì)計(jì)用以承承載頻率率為工頻頻頻率（550或60 Hz）的電流流。限制變變壓器送送電容量量的是其其溫升水水平。變變壓器內(nèi)內(nèi)的熱量量由變壓壓器的固固有電阻阻及其輸輸送的電電流產(chǎn)生生。當(dāng)電電力變壓壓器承載載諧波電電流時(shí)，一種種稱為“鄰近效效應(yīng)”的效應(yīng)應(yīng)（有時(shí)時(shí)會(huì)與渦渦流作用用相混淆淆）將導(dǎo)導(dǎo)致變壓壓器的有有效電阻阻隨頻率率提高而而增大。其結(jié)果是，如果變壓器承載有顯著的諧波電流，則必須降低變壓器容量，否則它可能過熱并因絕緣老化而損壞。變壓器故障經(jīng)常是災(zāi)難性的，會(huì)釋放有害煙霧和火焰；這可能導(dǎo)致公共設(shè)施關(guān)閉數(shù)日以及對(duì)健康和安全的多種不良后果。這一問題出出現(xiàn)需

14、要要3個(gè)條條件同時(shí)時(shí)發(fā)生：1）變壓壓器負(fù)載載必須接接近其容容量（不不常見）；2）變壓壓器“K”系數(shù)額額定水平平較差（鄰鄰近效應(yīng)應(yīng)設(shè)計(jì)不不佳）；3）樓宇宇內(nèi)的主主要負(fù)載載須為PPC。這是真真正的潛潛在問題題，在已已部署了了大量PPC的情情況下尤尤其如此此。需要要關(guān)注的的地點(diǎn)通常還還是PCC密度較較高的辦辦公室環(huán)環(huán)境，如如呼叫中中心。如前文文所解釋釋的原因因，這一一問題在在數(shù)據(jù)中中心環(huán)境境中已不不再被關(guān)關(guān)注。諧波問題的的消除和和緩解有多種方式式可以避避免諧波波問題，包包括：指定采用不不產(chǎn)生諧諧波的設(shè)設(shè)備矯正諧波過度配置中中性線采用K額定定值的變變壓器指定采用不不產(chǎn)生諧諧波的設(shè)設(shè)備對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)設(shè)備，由

15、由于采用用IECC規(guī)章，問問題已被被解決。對(duì)對(duì)于PCC則較為為困難，因因?yàn)榇罅苛恐C波分分量來自自顯示器器。一種方方式是采采用總體體吸收功功率較低低的PCC和顯示器器，例如如采用液液晶顯示示器或筆筆記本電電腦。這這樣樓宇宇配線和和變壓器器問題均均可避免免。矯正諧波如果有UPPS配合合設(shè)備使使用時(shí)，則在在某些情情況下UUPS可可以矯正正或消除除諧波。某些單相UPS（如APC Symmetra）可完全消除中性線電流。如果采用功率因數(shù)校正UPS來為一組PC供電，則諧波問題不能向上游傳遞到樓宇配線或電力變壓器。這種方式的優(yōu)勢(shì)是，它可以對(duì)現(xiàn)有樓宇進(jìn)行改造，并可和現(xiàn)有負(fù)載一起使用。此方式也可對(duì)配線和變壓器問

16、題進(jìn)行矯正。對(duì)于其他類型的負(fù)載，如諧波治理規(guī)章未涵蓋的大型工業(yè)電機(jī)變頻器，可采用在諧波產(chǎn)生處附近吸收諧波的專門產(chǎn)品。過度配置中中性線在現(xiàn)代設(shè)施施中，中中性線總總是應(yīng)被被設(shè)計(jì)為與與電力線線相同的的容量（或或更大）。這這與允許許降低中中性線規(guī)規(guī)格的電電氣規(guī)范范大不相相同。對(duì)于呼呼叫中心心等大型型個(gè)人電電腦負(fù)載載應(yīng)用，一一種合適適的設(shè)計(jì)計(jì)是規(guī)定定中性線線超出相相線容量量約500%（在在美國(guó)為為2級(jí)規(guī)格格，即如如果相線線為8級(jí)規(guī)格格，中性性線就應(yīng)應(yīng)為6級(jí)規(guī)格格）。對(duì)對(duì)于辦公公室機(jī)柜柜內(nèi)的配配線應(yīng)予予以特別別注意。這這種方法法可保護(hù)護(hù)樓宇配配線，但但對(duì)保護(hù)護(hù)變壓器器沒有幫幫助。采用K額定定值的變變壓器在PC密度度高的現(xiàn)現(xiàn)代辦公公設(shè)施中中包含“K”額定值值至少為為9的變變壓器應(yīng)應(yīng)被使用用。這