諧波和中性線過載的風險White-paper-26

1、版次 0諧波和中性線過載的風險版次 0諧波和中性線過載的風險26號白皮書26號白皮書摘要本文檔將對對與諧波波電流相相關的問問題進行行概述，并特別關注于信息技術設備。同時對國際規(guī)章中解決這些問題的方式進行介紹。引言非線性負載載會導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）倍數的有害電流。諧波電流可能使導線和變壓器過載，導致發(fā)熱，極端情況下會發(fā)生火災。在信息技術電源系統(tǒng)中，了解何時應該以及如何應對這一問題十分重要。最近，由于相關國際章程被廣泛采納，這一問題在很大程度上被消除了。非線性負載載許多臺式個個人電腦腦對交流流電源表表現(xiàn)為非線線性負載載。這是是因為它它們采

2、用用了稱為為“電容輸輸入開關關電源”的電源源設計。包括服務器器、路由由器、集集線器和和存儲系系統(tǒng)在內內的信息息技術設設備則幾幾乎普遍遍采用另另一種名名為“功率因因數校正正”的不同同電源設設計。這這些設備備對交流流電源表表現(xiàn)為非非常好的的線性負負載，不不會產生生諧波電電流。實際上上它們是是電網上上最“干凈”的負載載類別之之一，所所產生的的諧波電電流比日日光燈和和變速電電機等其其他許多多設備要要低。110年以以前，這這些設備備與個人人電腦一一樣是非非線性負負載，但但今天它它們已經經完全接接受要求求其采用用“功率因因數校正正”設計進進行生產產的國際際規(guī)章。規(guī)章業(yè)界對于減減少交流流電源系系統(tǒng)中的的非線

3、性性負載量量有很大大的興趣趣。非線性性負載會會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質量等級級。此外外還存在在導致客客戶設施施起火的的風險。在20世紀紀80年代代，公共共電力企企業(yè)和包包括IEEC（國國際電工工委員會會）在內內的國際際公約機構構注意到到了電氣氣設備耗耗電量所所占百分分比以及及此類設設備采用用“電容輸入開開關電源源”的百分分比均日日益提高高的趨勢勢。日光光燈、高高性能空空調系統(tǒng)統(tǒng)以及個個人電腦腦是推動動這一變變化的主主要產品品類別。面對這種趨勢，IEC于1982年制定了國際標準IEC 555-2“在交流主要線路中的諧

4、波注入”。該標準專門限制“非專業(yè)”設備的諧波電流注入。瑞士、日本及其他國家在IEC 555標準發(fā)布后很快就采用了該標準。全球計算機機產品供供應商們們在200世紀880年代代最早開開始感受受到向已已采用IIEC 5555-2標標準的國國家銷售售計算機機受到了限制。這這種形勢勢促成了了功率因因數校正正電源技技術的發(fā)發(fā)展。1995年年，IEEC引入入了經過過更新的的IECC 5555-22標準，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的所有有設備。該標準對采用非線性開關電源的產品

5、的諧波絕對值和百分比值均增加了額外的限制。除美國和歐共體之外的許多國家采用了這一標準。歐共體在1995年稍晚時候采用了其自行制定的這一標準的對應版本，即EN61000-3-2，并要求設備制造商遵守名為“電磁兼容性指令”的歐共體指令之下的標準。該指令允許制造商在1998年之前采用已有的產品設計。后來歐共體又將這一期限延長至2001年1月1日。該標準對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，幾乎乎所有針針對網絡絡和通信信引入的的新的計計算機設設備都符符合I

6、EEC 110000-3-2。雖雖然并非非所有國國家都立立即采用用了這一一標準，但它卻已成為延遲達標企業(yè)要面對的強大的貿易壁壘。計算機原始設備制造商（OEM）對用于系統(tǒng)集成的OEM設備幾乎普遍規(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年期限之前事實上已100%遵照該標準執(zhí)行。美國提出了了“14號號修正案案”對該標標準進行行修正，“14號號修正案案”弱化了了該標準準，允許許更多諧諧波存在在。采用用這一修修正案的的國家數數量目前前還不清清楚。在歐共體及及其他許許多國家家內銷售售的產品品必須符符合ENN610000-3-22標準。美國尚尚未正式式

7、采納此此標準?，F(xiàn)今所所生產的的信息技技術設備備普遍針針對全世世界應用用而設計計，故要要求有CCE標志志并須符符合IEEC標準準。因此此，除小小型PCC之外的的IT設備備普遍遵遵照此標標準（在在美國仍仍有不合合此標準準的PCC在銷售售）。在在過去55年中，由由于新型型設備對對老設備備的自然然替代，諧諧波在數數據中心心環(huán)境中實實際已被被消除。該標準對實實際系統(tǒng)統(tǒng)的意義義由符合IEEC 110000-3-2標準準的設備備所組成成的系統(tǒng)統(tǒng)將具有有以下特特性：當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，除三次諧波之外的所有諧波對中性線電流的貢獻均可忽略。在負載不高高于6775W的的條件下下

8、，系統(tǒng)統(tǒng)“K”系數的的理論最最大值為為9。如果果存在更更大的負負載，則則理論最最大“K”系數將減小：例如，在在2kWW負載下下，最大大“K”系數為為3。如果所有回回路均被被加載至至最大額額定值，沒沒有負載載高于6675WW，且所所有負載載產生的的三次諧諧波均在在規(guī)定限限制內，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載載，則理理論最大大中性線線電流將將相對減小?。豪缛?，在2kWW負載下下，理論論最大中中性線電電流小于于相電流流。在實際的系系統(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、制造造容差及及負載范范圍內滿滿足規(guī)章章

9、要求，其其結果是是實際產產品在典典型運行行條件下下遠低于于規(guī)定要要求。某些負載采采用相對對相連接接（特別別是在美美國），因此不會貢獻中性線電流。在實際系統(tǒng)統(tǒng)上進行行了試驗驗，以確確定K系數和和中性線線電流要要求。采采用了兩兩個試驗驗系統(tǒng)。系系統(tǒng)1由一系列列Delll設備備組成，包包括4臺不同同的服務務器、11個磁帶帶庫以及及1套聯(lián)聯(lián)網存儲儲系統(tǒng)（采用其他品牌設備也獲得了類似結果）。系統(tǒng)2由所有PC負載組成。諧波電流測量采用Fluke電力線路分析儀。K系數采用IEEE標準1100-1992計算。中性線電流容量選型系數按照加載至最大容量的三相系統(tǒng)計算。以下給出試驗結果。系統(tǒng)1：Dell網網絡設備備

10、系統(tǒng)2：個人電腦系統(tǒng)3：網絡設備與與個人電電腦500-500組合 K系數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%應注意到PPC與網絡設備備之間的的巨大差差異。注注意當PPC與網絡設備備混合時時，K系數和中中性線選選型要求求低于PCC所要求求的值。此數數據顯示示，幾乎乎不可能能構建出出要求“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數據據中心。對對于完全全由PCC組成的的數據系系統(tǒng)，可可以實現(xiàn)現(xiàn)K系數達到到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內中性線線過載并并造成潛潛在火災災危險

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，中性性線充當當了所有有單相負負載電流流的“公共”回路。三三相電力力系統(tǒng)的的一個性性質是，如如果各條條火線的的負載基基本相當當，則中中性線電電流將接接近于零零，因為為各個相相電流相相互“不同相相”。換言言之，中中性線內內的負載載電流被被“抵消”。在北北美，有有時樓宇宇配線設設計會利利用這種種抵消作作用，中中性線導導線規(guī)格格小于火火線。然然而，計計算機所所產生的的諧波電電流會使使此類系系統(tǒng)的運運行發(fā)生生變化。計算機會產生大量的三次諧波電流。由于數學相位性質，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，在安裝有大量個人電腦的樓宇中，中性線可能承載比其設計值高得多的電流。事實上，單純中性線中的諧波電流在理論上可達電力線滿負荷額定電流的1.7倍。這是諧波和PC有關的最嚴重的問題。注意上述數據顯示，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)境所所獨有，因為還存在其他非線性負載，如日光燈鎮(zhèn)流器。不過這一問題在數據中心內已不再顯著，因為相關規(guī)章中已要求采用功率因數校正設備（應注意即使所有插座均為單相，多數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導致其

13、老老化電力變壓器器采用KVVA為單單位標示示，設計計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。變變壓器內內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生生。當電電力變壓壓器承載載諧波電電流時，一種種稱為“鄰近效效應”的效應應（有時時會與渦渦流作用用相混淆淆）將導導致變壓壓器的有有效電阻阻隨頻率率提高而而增大。其結果是，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。變壓器故障經常是災難性的，會釋放有害煙霧和火焰；這可能導致公共設施關閉數日以及對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個條條件同時時發(fā)生：1）變壓壓器負載載必須接接近其容容量（不不常見）；2）變壓壓器“K”系數額額定水平平較差（鄰鄰近效應應設計不不佳）；3）樓宇宇內的主主要負載載須為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。需要要關注的的地點通常還還是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，這一一問題在在數據中中心環(huán)境境中已不不再被關關注。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：指定采用不不產生諧諧波的設設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生諧諧波的設設備對于網絡設設備，由

15、由于采用用IECC規(guī)章，問問題已被被解決。對對于PCC則較為為困難，因因為大量量諧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配合合設備使使用時，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)勢是，它可以對現(xiàn)有樓宇進行改造，并可和現(xiàn)有負載一起使用。此方式也可對配線和變壓器問

16、題進行矯正。對于其他類型的負載，如諧波治理規(guī)章未涵蓋的大型工業(yè)電機變頻器，可采用在諧波產生處附近吸收諧波的專門產品。過度配置中中性線在現(xiàn)代設施施中，中中性線總總是應被被設計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。對于呼呼叫中心心等大型型個人電電腦負載載應用，一一種合適適的設計計是規(guī)定定中性線線超出相相線容量量約500%（在在美國為為2級規(guī)格格，即如如果相線線為8級規(guī)格格，中性性線就應應為6級規(guī)格格）。對對于辦公公室機柜柜內的配配線應予予以特別別注意。這這種方法法可保護護樓宇配配線，但但對保護護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)代辦公公設施中中包含“K”額定值值至少為為9的變變壓器應應被使用用。這