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(风险管理)谐波和中性
线过载的风险W
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谐波和中性线过载
的风险
号白皮书26
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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。
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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。
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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IEC555-2“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IEC555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IEC555-2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IEC555-2标准,称为IEC1000-3-2。在IEC1000-
3-2中,适用范围大大超出IEC555-2,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)
71
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IEC1000-
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
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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IEC1000-3-2。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IEC1000-3-2标准的设备所组成的系统将具有以下特性:
%时,除三次谐波之外的所有谐当中性线回路中高于三次的谐波总含量低于
波对中性线电流的贡献均可忽略。
1.
,系统“K”系数的理论最大值为9。如果存在更在负载不高于
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。
2.
,且所有负载产生如果所有回路均被加载至最大额定值,没有负载高于
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
。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。
3.
在实际的系统中,由于以下原因,谐波电流将低于理论值:
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、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。
1.
(特别是在美国),因此不会贡献中性线电流。
2.
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。
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系统1:系统2:系统3:
Dell网络设备个人电脑网络设备与个人电脑50-
50组合
中性线选型(为相线电流要求的8%102%42%
百分比)
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
。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)。
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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60Hz)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;这可
能导致公共设施关闭数日以及对健康和安全的多种不良后果。
这一问题出现需要3个条件同时发生:1)变压器负载必须接近其容量(不常见);
2)变压器“K”系数额定水平较差(邻近效应设计不佳);3)楼宇内的主要负载
须为PC。这是真正的潜在问题,在已部署了大量PC的情况下尤其如此。需要关注的
地点通常还是PC密度较高的办公室环境,如呼叫中心。如前文所解释的原因,这一
问题在数据中心环境中已不再被关注。
谐波问题的消除和缓解
有多种方式可以避免谐波问题,包括:
1.
2.
3.
4.
指定采用不产生谐波的设备
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对于网络设备,由于采用IEC规章,问题已被解决。对于PC则较为困难,因为大量
谐波分量来自显示器。一种方式是采用总体吸收功率较低的PC和显示器,例如采用
液晶显示器或笔记本电脑。这样楼宇配线和变压器问题均可避免。
矫正谐波
如果有UPS配合设备使用时,则在某些情况下UPS可以矫正或消除谐波。某些单相
UPS(如APCSymmetra)可完全消除中性线电流。如果采用功率因数校正UPS来为一
组PC供电,则谐波问题不能向上游传递到楼宇配线或电力变压器。这种方式的优势
是,它可以对现有楼宇进行改造,并可和现有负载一起使用。此方式也可对配线和
变压器问题进行矫正。对于其他类型的负载,如谐波治理规章未涵盖的大型工业电
机变频器,可采用在谐波产生处附近吸收谐波的专门产品。
过度配置中性线
在现代设施中,中性线总是应被设计为与电力线相同的容量(或更大)。这与允许
降低中性线规格的电气规范大不相同。对于呼叫中心等大型个人电脑负载应用,一
种合适的设计是规定中性线超出相线容量约50%(在美国为2级规格,即如果相线为
8级规格,中性线就应为6级规格)。对于办公室机柜内的配线应予以特别注意。这
种方法可保护楼宇配线,但对保护变压器没有帮助。
采用K额定值的变压器
在PC密度高的现代办公设施中包含“K”额定值至少为9的变压器应被使用。这些变
压器被专门设计以耐受谐波电流。对于数据中心,“K”额定值为9的变压器有向确
保由原传统负载、PC负载或照明负载组成的数据中心部分的谐波承载能力。
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结论
国际规章已对计算系统的电力需求产生了显著的影响。网络设备曾被理所当然地指
责为“电力污染”,并会因变压器和配线过热而造成火灾,现在却已经转型成为现
代商业或工业设施中最“干净”的负载之一。数据中心设计标准中要求采用双重中
性线或K20变压器造成不必要的开支,应加以更新。
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