电力系统中的谐波问题分析图（电力系统中的谐波问题分析）

谐波是指正常电流波形的失真，通常由非线性负载发出。开关电源(SMPS)、调速电机和驱动器、复印机、个人电脑、激光打印机、传真机、电池充电器和UPS都是非线性负载。单相非线性负荷常见于现代办公楼，而三相非线性负荷常见于工厂和工业车间。大多数配电系统中的大部分非线性电力负荷来自SMPS设备。例如，所有计算机系统都使用SMPS将市电交流电压转换为稳定的低压DC，供内部电子设备使用。这些非线性电源会产生高幅值的短脉冲电流，造成电流和电压波形的严重畸变。——谐波失真一般用总谐波失真(THD)来衡量。这种失真会传播回电源系统，并影响连接到同一电源的其它设备。大部分电力系统可以容忍一定程度的谐波电流，但是当谐波在总负荷中所占的比例很明显时，就会出现问题。由于这些高频电流流过电力系统，会造成通信错误、过热和硬件损坏，如：配电设备、电缆、变压器、备用发电机等谐波阻抗过热而产生的高压。高压线电用环流加热浪费电能。电压畸变严重导致的设备故障，增加了连接设备的内部能耗。导致部件故障并缩短使用寿命。分支断路器误跳闸测量误差。布线和配电系统中火灾发生器的故障。高振幅系数及相关问题。降低系统功率因数，导致可用功率(kW对kVA)和每月电费罚款减少。谐波技术概述。谐波是电流或电压，其频率是基波频率的整数倍。如果基频为60Hz，二次谐波为120 Hz，三次谐波为180 Hz(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。当这种情况发生时，配电盘或变压器会以不同的谐波频率振动并发出蜂鸣声。第三至第二十五谐波频率是配电系统中最常见的频率范围。图1电流波形的谐波失真所有的周期波都会由各种频率的正弦波产生。傅立叶定律将周期波分解成它的成分频率。谐波成分：较大的1次谐波(基频)，较小的5次谐波，稍大的7次谐波。图2由基频、五次谐波和七次谐波组成的失真波形信号。总谐波失真是衡量谐波失真的一个指标，定义为所有谐波分量的功率之和与基频功率之比。它描述了电压或电流信号的失真程度(见图3)。图3总谐波失真补偿及减少谐波的解决方案虽然限制谐波电流的标准正在考虑中，但当今的谐波治理主要依靠补救方法。补偿或减少电力系统谐波的方法有很多种，其效果和效率各不相同。增加中性线的布线规格在现代设施中，中性线的布线容量规格往往要求与电源线相同或比电源线大33，354，虽然电力法规允许其规格降低。支持多台个人电脑(如呼叫中心)的设计应规定中性线超过相线规格1.73倍。要特别注意办公室隔间里的布线。需要指出的是，这种方法可以保护建筑布线，但不能保护变压器。在三相分支电路上使用单独的中性线，需要为每相导线单独敷设一根中性线，而不是多线分支电路共用一根中性线。这可以增加支路处理谐波负载的容量和能力。这种方法可以有效地抑制支路中性线上的谐波增加，但仍然需要考虑配电盘的中性母线和馈线中性线。使用不受谐波影响的DC电源。在典型的数据中心中，配电系统将480V交流主电源转换为208V交流电源，通过变压器为服务器机架供电。一个还是七个

选择直流电来消除这个环节是值得的。根据《能源与电力管理》杂质》中的一篇文章，“用DC电源代替交流电源的计算机和服务器产生的热量减少了20%~40%，功耗降低了30%，提高了服务器的可靠性和安装灵活性，也降低了维护要求。”听起来不错，但是考虑到成本、兼容性、可靠性和效率，对于大多数数据中心来说，选择DC而不是AC是不可行的。AC ——一般能被现有设备接受，虽然其效率略低于——。此外，数据中心的高电压点没有UL安全标准，但交流系统的标准非常成熟。这意味着安全风险超过了DC的潜在利益，至少目前如此。在配电部件中使用K级变压器的标准变压器不是为非线性负载产生的高次谐波电流而设计的。当连接这些负载时，它们会过热并过早失效。当谐波开始被引入电气系统并产生有害影响时(大约在1980年)，行业的反应是开发K级变压器。K类变压器不是用来消除谐波的，而是用来处理谐波电流产生的热量。k系数的等级范围在1到50之间。为线性负载设计的标准变压器的K系数为1。系数k越高，变压器能承受的谐波电流热量越多。选择合适的K系数非常重要，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系数较低的变压器大。因此，应根据数据中心的谐波曲线选择合理的K系数，以达到尺寸、效率和热阻的最佳平衡。带有K-13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功率。配有K20变压器的配电装置很常见，但对于大多数现代数据中心来说，它们太大了。k级干式变压器采用谐波抑制变压器，广泛应用于电气环境中。3354包含在PDU中或作为备用单元。然而，变压器设计的最新进展可以在减少谐波电压失真和功率损耗方面提供更好的性能。谐波抑制变压器(HMT)用于处理电力系统的非线性负载。该变压器使用电磁缓解技术来处理三次序列号(第3、9、15、)谐波。变压器二次绕组用来抵消零序磁通，消除一次绕组环流。变压器还通过相位转移处理5次和7次谐波。利用这两种电磁技术，HMT允许负载按照制造商设计的方式工作，同时将谐波对能耗和失真的影响降至最低。大多数HMT超过NEMA TP-1效率标准，即使100%非线性负载用于检测。只要指定了K级变压器，等效HMT就可以直接替代。HMT的主要优点是防止非线性负载引起的电压拉平，降低上游谐波电流，消除变压器过热和工作温度过高，消除一次绕组环流，通过降低谐波损耗节能并保持高能效，即使非线性负载严重，处理K级变压器无法解决的电能质量谐波问题，适用于K系数较高的负载，不增加涌流，提高功率因数。第一次设计数据中心时，HMT是变压器的首选。但是，如果现有数据中心存在谐波问题，可以使用锯齿形自动变压器来限制三次谐波以及五次和七次谐波的影响。自动之字形变压器是只有一次绕组而没有二次绕组的中性变压器。每个铁芯有两个初级绕组，缠绕方向相反，为正常相电流提供高阻抗。当靠近负载放置时，锯齿形自动变压器可以捕获三倍的序列号谐波。这种自动变压器的规格必须足够大，以处理谐波。三重序列号谐波将被限制在自动变压器和负载，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将电压改变到不同于电源(电压)的电平。三次谐波，五次谐波和th

自动变压器和二次相转移电源一起捕获三次谐波、五次谐波和七次谐波。这种应用比较困难，因为两个电源都要带平衡负载，才能有效捕获三次谐波、五次谐波、七次谐波。但这两种应用对于消除有害谐波非常有效。然而，安装单个谐波抑制变压器是防止有害谐波影响配电设备的最具成本效益的方法。谐波电流对配电系统及其馈电设备有很大的影响。在规划系统的扩展或重建时，必须考虑谐波的影响。此外，确定非线性负载的大小和位置也是所有维护、故障排除和维修计划的重要部分。