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1、版次 0谐波和中性线过载的风险26号白皮书摘要本文档将对对与谐波波电流相相关的问问题进行行概述，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。引言非线性负载载会导致致电力线线路中出出现谐波波电流。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。非线性负载载许多台式个个人电脑脑对交流流电源表表现为非线线性负载载。这是是因为它它们采用用了称为为“电容输输入开关关电源”的电源
2、源设计。包括服务器器、路由由器、集集线器和和存储系系统在内内的信息息技术设设备则几几乎普遍遍采用另另一种名名为“功率因因数校正正”的不同同电源设设计。这这些设备备对交流流电源表表现为非非常好的的线性负负载，不不会产生生谐波电电流。实际上上它们是是电网上上最“干净”的负载载类别之之一，所所产生的的谐波电电流比日日光灯和和变速电电机等其其他许多多设备要要低。110年以以前，这这些设备备与个人人电脑一一样是非非线性负负载，但但今天它它们已经经完全接接受要求求其采用用“功率因因数校正正”设计进进行生产产的国际际规章。规章业界对于减减少交流流电源系系统中的的非线性性负载量量有很大大的兴趣趣。非线性性负载
3、会会降低公公用电力力系统的的配电能能力，并并使提供供给附近近客户的的交流电电波形失失真，从从而降低低电源质质量等级级。此外外还存在在导致客客户设施施起火的的风险。在20世纪纪80年代代，公共共电力企企业和包包括IEEC（国国际电工工委员会会）在内内的国际际公约机构构注意到到了电气气设备耗耗电量所所占百分分比以及及此类设设备采用用“电容输入开开关电源源”的百分分比均日日益提高高的趋势势。日光光灯、高高性能空空调系统统以及个个人电脑脑是推动动这一变变化的主主要产品品类别。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
4、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。全球计算机机产品供供应商们们在200世纪880年代代最早开开始感受受到向已已采用IIEC 5555-2标标准的国国家销售售计算机机受到了限制。这这种形势势促成了了功率因因数校正正电源技技术的发发展。1995年年，IEEC引入入了经过过更新的的IECC 5555-22标准，称称为IEEC 110000-3-2。在在IECC 10000-3-22中，适适用范围围大大超超出IEEC 5555-2，涵盖了了每相吸吸收电流流不超过过16AA的所有有设备。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。
5、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。该标准对谐谐波电流流注入作作如下限限制：谐波阶次每瓦特功率率最大许许可谐波波电流（ma/WW）33.451.97190.5130.35最高39次次的奇次次谐波3.85/n到19955年之前前，几乎乎所有针针对网络络和通信信引入的的新的计计算机设设备都符符合IEEC 110000-3-2。虽虽然并非非
6、所有国国家都立立即采用用了这一一标准，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。美国提出了了“14号号修正案案”对该标标准进行行修正，“14号号修正案案”弱化了了该标准准，允许许更多谐谐波存在在。采用用这一修修正案的的国家数数量目前前还不清清楚。在欧共体及及其他许许多国家家内销售售的产品品必须符符合ENN610000-3-22标准。美国尚尚未正式式采纳此此标准。现今所所生产的的信息技技术设
7、备备普遍针针对全世世界应用用而设计计，故要要求有CCE标志志并须符符合IEEC标准准。因此此，除小小型PCC之外的的IT设备备普遍遵遵照此标标准（在在美国仍仍有不合合此标准准的PCC在销售售）。在在过去55年中，由由于新型型设备对对老设备备的自然然替代，谐谐波在数数据中心心环境中实实际已被被消除。该标准对实实际系统统的意义义由符合IEEC 110000-3-2标准准的设备备所组成成的系统统将具有有以下特特性：1. 当中性线回回路中高高于三次次的谐波波总含量量低于22%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。2. 在负载不高高于6775W的的条件下下，系统统“K”系数的的理论最最
8、大值为为9。如果果存在更更大的负负载，则则理论最最大“K”系数将减小：例如，在在2kWW负载下下，最大大“K”系数为为3。3. 如果所有回回路均被被加载至至最大额额定值，没没有负载载高于6675WW，且所所有负载载产生的的三次谐谐波均在在规定限限制内，则则理论最最大中性性线电流流将是额额定相电电流值的的1.77倍。如果果有更大大的负载载，则理理论最大大中性线线电流将将相对减小小：例如如，在2kWW负载下下，理论论最大中中性线电电流小于于相电流流。在实际的系系统中，由由于以下下原因，谐波电流将低于理论值：1. 制造商必须须在较宽宽的电压压、制造造容差及及负载范范围内满满足规章章要求，其其结果是是
9、实际产产品在典典型运行行条件下下远低于于规定要要求。2. 某些负载采采用相对对相连接接（特别别是在美美国），因此不会贡献中性线电流。在实际系统统上进行行了试验验，以确确定K系数和和中性线线电流要要求。采采用了两两个试验验系统。系系统1由一系列列Delll设备备组成，包包括4台不同同的服务务器、11个磁带带库以及及1套联联网存储储系统（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网网络设备备系统2：个人
10、电脑系统3：网络设备与与个人电电脑500-500组合 K系数1.211.45.2中性线选型型（为相相线电流流要求的的百分比比）8%102%42%应注意到PPC与网络设备备之间的的巨大差差异。注注意当PPC与网络设备备混合时时，K系数和中中性线选选型要求求低于PCC所要求求的值。此数数据显示示，几乎乎不可能能构建出出要求“K”额定值值高于55或要求求中性线线额定电电流超出出相电流流额定值值的信息技技术数据据中心。对对于完全全由PCC组成的的数据系系统，可可以实现现K系数达到到11的的要求，但但中性线线过度配配置仍然然没有必必要。谐波如何使使楼宇内内中性线线过载并并造成潜潜在火灾灾危险三相楼宇配配
11、线由3条火线线（或相相线）、11条地线线和1条条中性线线组成。单单相负载载连接在在各火线线与中性性线之间间。因此此，中性性线充当当了所有有单相负负载电流流的“公共”回路。三三相电力力系统的的一个性性质是，如如果各条条火线的的负载基基本相当当，则中中性线电电流将接接近于零零，因为为各个相相电流相相互“不同相相”。换言言之，中中性线内内的负载载电流被被“抵消”。在北北美，有有时楼宇宇配线设设计会利利用这种种抵消作作用，中中性线导导线规格格小于火火线。然然而，计计算机所所产生的的谐波电电流会使使此类系系统的运运行发生生变化。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
12、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。这一问题并并非PCC环境所所独有，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）。谐波使楼宇宇电力变变压器过过载并导导致其老老化电力变
13、压器器采用KVVA为单单位标示示，设计计用以承承载频率率为工频频频率（550或60 Hz）的电流流。限制变变压器送送电容量量的是其其温升水水平。变变压器内内的热量量由变压压器的固固有电阻阻及其输输送的电电流产生生。当电电力变压压器承载载谐波电电流时，一种种称为“邻近效效应”的效应应（有时时会与涡涡流作用用相混淆淆）将导导致变压压器的有有效电阻阻随频率率提高而而增大。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。这一问题出出现需要要3个条条
14、件同时时发生：1）变压压器负载载必须接接近其容容量（不不常见）；2）变压压器“K”系数额额定水平平较差（邻邻近效应应设计不不佳）；3）楼宇宇内的主主要负载载须为PPC。这是真真正的潜潜在问题题，在已已部署了了大量PPC的情情况下尤尤其如此此。需要要关注的的地点通常还还是PCC密度较较高的办办公室环环境，如如呼叫中中心。如前文文所解释释的原因因，这一一问题在在数据中中心环境境中已不不再被关关注。谐波问题的的消除和和缓解有多种方式式可以避避免谐波波问题，包包括：1. 指定采用不不产生谐谐波的设设备2. 矫正谐波3. 过度配置中中性线4. 采用K额定定值的变变压器指定采用不不产生谐谐波的设设备对于网
15、络设设备，由由于采用用IECC规章，问问题已被被解决。对对于PCC则较为为困难，因因为大量量谐波分分量来自自显示器器。一种方方式是采采用总体体吸收功功率较低低的PCC和显示器器，例如如采用液液晶显示示器或笔笔记本电电脑。这这样楼宇宇配线和和变压器器问题均均可避免免。矫正谐波如果有UPPS配合合设备使使用时，则在在某些情情况下UUPS可可以矫正正或消除除谐波。某些单相UPS（如APC Symmetra）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。过度配置中中性线在现代设施施中，中中性线总总是应被被设计为与与电力线线相同的的容量（或或更大）。这这与允许许降低中中性线规规格的电电气规范范大不相相同。对于呼呼叫中心心等大型型个人电电脑负载载应用，一一种合适适的设计计是规定定中性线线超出相相线容量量约500%（在在美国为为2级规格格，即如如果相线线为8级规格格，中性性线就应应为6级规格格）。对
