摘要

本文檔將對與諧波電流相關的問題進行概述，特別關注于信息技術設備。同時對國際規章中解決這些問題的方式進行介紹。

引言

非線性負載會導致電力線路中出現諧波電流。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，導致發熱，極端情況下會發生火災。在信息技術電源系統中，了解何時應該以及如何應對這一問題十分重要。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

許多臺式個人電腦對交流電源表現為非線性負載。這是因為它們采用了稱為“電容輸入開關電源”的電源設計。 

包括服務器、路由器、集線器和存儲系統在內的信息技術設備則幾乎普遍采用另一種名為“功率因數校正”的不同電源設計。這些設備對交流電源表現為非常好的線性負載，不會產生諧波電流。實際上它們是電網上“干凈”的負載類別之一，所產生的諧波電流比日光燈和變速電機等其他許多設備要低。10年以前，這些設備與個人電腦一樣是非線性負載，但它們已經完全接受要求其采用“功率因數校正”設計進行生產的國際規章。

規章

對于減少交流電源系統中的非線性負載量有很大的興趣。非線性負載會降低公用電力系統的配電能力，并使提供附近客戶的交流電波形失真，從而降低電源質量等級。此外還存在導致客戶設施起火的風險。

在20世紀80年代，公共電力企業和包括IEC（國際電工委員會）在內的國際公約機構注意到了電氣設備耗電量所占百分比以及此類設備采用“電容輸入開關電源”的百分比均日益提高的趨勢。日光燈、高性能空調系統以及個人電腦是推動這一變化的主要產品類別。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波注入”。該標準專門限制“非專業”設備的諧波電流注入。瑞士、日本及其他國家在IEC 555標準發布后很快就采用了該標準。

全球計算機產品供應商們在20世紀80年代早開始感受到向已采用IEC 555-2標準的國家銷售計算機受到了限制。這種形勢促成了功率因數校正電源技術的發展。

1995年，IEC引入了經過更新的IEC 555-2標準，稱為IEC 1000-3-2。在IEC 1000-3-2中，適用范圍大大超出IEC 555-2，涵蓋了每相吸收電流不超過16A的所有設備。該標準對采用非線性開關電源的產品的諧波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。

該標準對諧波電流注入作如下限制：

到1995年之前，幾乎所有針對網絡和通信引入的新的計算機設備都符合IEC 1000-3-2。雖然并非所有國家都立即采用了這一標準，但它卻已成為延遲達標企業要面對的強大的貿易壁壘。計算機原始設備制造商（OEM）對用于系統集成的OEM設備幾乎普遍規定要符合IEC 1000-3-2。這就使得IT行業在2001年1月1日期限甚至是原定的1998年期限之前事實上已百分百遵照該標準執行。

美國提出了“14號修正案”對該標準進行修正，“14號修正案”弱化了該標準，允許更多諧波存在。采用這一修正案的國家數量目前還不清楚。

在歐共體及其他許多國家內銷售的產品必須符合EN61000-3-2標準。美國尚未正式采納此標準?，F今所生產的信息技術設備普遍針對全世界應用而設計，故要求有CE標志并須符合IEC標準。因此，除小型PC之外的IT設備普遍遵照此標準（在美國仍有不合此標準的PC在銷售）。在過去5年中，由于新型設備對老設備的自然替代，諧波在數據中心環境中實際已被消除。

該標準對實際系統的意義

由符合IEC 1000-3-2標準的設備所組成的系統將具有以下特性：

1.當中性線回路中高于三次的諧波總含量低于2%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。

2.在負載不高于675W的條件下，系統“K”系數的理論極大值為9。如果存在更大的負載，則理論極大“K”系數將減?。?/p>

例如在2kW負載下，極大“K”系數為3。

3.如果所有回路均被加載至極大額定值，沒有負載高于675W，且所有負載產生的三次諧波均在規定限制內，則理論極大中性線電流將是額定相電流值的1.7倍。如果有更大的負載，則理論極大中性線電流將相對減?。豪?，在2kW負載下，理論極大中性線電流小于相電流。

在實際的系統中，由于以下原因，諧波電流將低于理論值：

1.制造商必須在較寬的電壓、制造容差及負載范圍內滿足規章要求，其結果是實際產品在典型運行條件下遠低于規定要求。

2.某些負載采用相對相連接（特別是在美國），因此不會貢獻中性線電流。

在實際系統上進行了試驗，以確定K系數和中性線電流要求。采用了兩個試驗系統。系統1由一系列Dell設備組成，包括4臺不同的服務器、1個磁帶庫以及1套聯網存儲系統（采用其他品牌設備也獲得了類似結果）。系統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極大容量的三相系統計算。以下給出試驗結果。

應注意到PC與網絡設備之間的巨大差異。注意當PC與網絡設備混合時，K系數和中性線選型要求低于PC所要求的值。此數據顯示，幾乎不可能構建出要求“K”額定值高于5或要求中性線額定電流超出相電流額定值的信息技術數據中心。對于完全由PC組成的數據系統，可以實現K系數達到11的要求，但中性線過度配置仍然沒有必要。

諧波如何使樓宇內中性線過載并造成潛在火災危險

三相樓宇配線由3條火線（或相線）、1條地線和1條中性線組成。單相負載連接在各火線與中性線之間。因此，中性線充當了所有單相負載電流的“公共”回路。三相電力系統的一個性質是，如果各條火線的負載基本相當，則中性線電流將接近于零，因為各個相電流相互“不同相”。換言之，中性線內的負載電流被“抵消”。在北美，有時樓宇配線設計會利用這種抵消作用，中性線導線規格小于火線。然而，計算機所產生的諧波電流會使此類系統的運行發生變化。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環境中中性線電流卻可能達到相電流值。因此，在辦公環境中決不允許中性線降低規格。

這一問題并非PC環境所獨有，因為還存在其他非線性負載，如日光燈鎮流器。不過這一問題在數據中心內已不再顯著，因為相關規定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）。

諧波使樓宇電力變壓器過載并導致其老化

電力變壓器采用KVA為單位標示，設計用以承載頻率為工頻頻率（50或60 Hz）的電流。限制變壓器送電容量的是其溫升水平。變壓器內的熱量由變壓器的固有電阻及其輸送的電流產生。當電力變壓器承載諧波電流時，一種稱為“鄰近效應”的效應（有時會與渦流作用相混淆）將導致變壓器的有效電阻隨頻率提高而增大。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。

這一問題出現需要3個條件同時發生：1）變壓器負載必須接近其容量（不常見）；2）變壓器“K”系數額定水平較差（鄰近效應設計不佳）；3）樓宇內的主要負載須為PC。這是真正的潛在問題，在已部署了大量PC的情況下尤其如此。需要關注的地點通常還是PC密度較高的辦公室環境，如呼叫中心。如前文所解釋的原因，這一問題在數據中心環境中已不再被關注。

諧波問題的消除和緩解,有多種方式可以避免諧波問題，包括：

1.指定采用不產生諧波的設備

2.矯正諧波

3.過度配置中性線

4.采用K額定值的變壓器

5.指定采用不產生諧波的設備

對于網絡設備，由于采用IEC規章，問題已被解決。對于PC則較為困難，因為大量諧波分量來自顯示器。一種方式是采

用總體吸收功率較低的PC和顯示器，例如采用液晶顯示器或筆記本電腦。這樣樓宇配線和變壓器問題均可避免。

矯正諧波

如果有UPS配合設備使用時，則在某些情況下UPS可以矯正或消除諧波。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。這種方式的優勢是，它可以對現有樓宇進行改造，并可和現有負載一起使用。此方式也可對配線和變壓器問題進行矯正。對于其他類型的負載，如諧波治理規章，未涵蓋的大型工業電機變頻器，可采用在諧波產生處附近吸收諧波的專門產品。

過度配置中性線

在現代設施中，中性線總是應被設計為與電力線相同的容量（或更大）。這與允許降低中性線規格的電氣規范大

不相同。對于呼叫中心等大型個人電腦負載應用，一種合適的設計是規定中性線超出相線容量約50%（在美國為2級規格，即如果相線為8級規格，中性線就應為6級規格）。對于辦公室機柜內的配線應予以特別注意。這種方法可保護樓宇配線，但對保護變壓器沒有幫助。

用K額定值的變壓器

在PC密度高的現代辦公設施中包含“K”額定值至少為9的變壓器應被使用。這些變壓器被專門設計以耐受諧波電流。對于數據中心，“K”額定值為9的變壓器, 有向確保由原傳統負載、PC負載或照明負載組成的數據中心部分的諧波承載能力。

結論

國際規章已對計算系統的電力需求產生了顯著的影響。網絡設備曾被理所當然地指責為“電力污染”，并會因變壓器和配線過熱而造成火災，現在卻已經轉型成為現代商業或工業設施中“干凈”的負載之一。數據中心設計標準中要求采用雙重中性線或K20變壓器造成不必要的開支，應加以更新。