谐波不和谐

摘要

非线性电气负荷产生的谐波电流增大了电力系统热损耗和终端用户的用电费用。这些与谐波有关的损耗降低了系统效率，造成设备过热并增加了电力成本和空调费用。随着谐波产生的负载量不断增加，在扩大或改造现有设施时解决谐波负载的影响变得越来越重要。

谐波电流对配电系统及其馈电的设施具有明显影响。在规划系统扩建或改造时必须考虑它们的影响。此外，确定非线性负载的规模和位置也是所有维护、故障排除和修理计划的重要组成部分之一。

现代电力系统中的谐波问题

谐波是指正常电流波形的一种失真，一般是由非线性负载发射的。开关模式电源(SMPS)、调速电机及驱动、复印机、个人电脑、激光打印机、传真机、电池充电器以及UPS等都属于非线性负载。单相非线性负载在现代办公大楼中较为常见，而三相非线性负载则普遍存在于工厂和工业车间里。

多数配电系统上的大部分非线性电力负载来自SMPS设备。比如，所有计算机系统使用SMPS把市电交流电压转换为供内部电子设备使用的稳定低压直流电。这些非线性电源会产生高振幅短脉冲电流，造成电流和电压波形严重失真——谐波失真，一般按总谐波失真(THD)衡量。该失真向后传播回到电源系统，将影响连接在同一电源上的其他设备。

多数电力系统可以容忍一定程度的谐波电流，但当谐波在总负载中所占比例较为明显时就会出现问题。随着这些频率较高的电流流经电力系统，它们会造成通信错误、过热和硬件受损，比如：

? 配电设备、电缆、变压器、备用发电机等过热

? 谐波阻抗造成的高电压和环流

? 发热并浪费电能的高中性线电流

? 因电压失真严重导致设备故障

? 增大了连接设备中的内部能耗，造成元器件失效并缩短使用寿命

? 支路断路器伪跳闸

? 计量错误

? 配线和配电系统失火

? 发电机失效

? 高振幅系数及有关问题

? 降低系统功率因数，导致可用功率减小(kW对kVA)和每月电费处罚

谐波技术概览

谐波是频率达基频整数倍的电流或电压。如果基频为60Hz，那么第2谐波为120 Hz，第3谐波为180 Hz等(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。发生这种情况时，配电盘或变压器会振动并针对不同谐波频率发出蜂鸣声。第3到第25谐波频率是配电系统中最为常见的频率范围。

所有周期波都会随各种频率的正弦波产生。傅里叶定律把一个周期波分解为其分量频率。

谐波分量：较大的第1谐波(基频) 较小的第5谐波 略大的第7谐波

谐波分量：较大的第1谐波(基频) 较小的第5谐波 略大的第7谐波

图2 由基频、第5和第7谐波组成的失真波形

信号的总谐波失真是衡量谐波失真的指标，它被定义成所有谐波分量的功率总和与基频的功率之比。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

补偿及减小谐波的解决方案

虽然限制产生谐波电流的标准正在考虑之中，今天的谐波控制主要依赖于补救方法。补偿或减小电力系统谐波可以采取多种手段，其效果和效率各不相同。

增大中性线配线规格

现代设施中，中性线的配线容量规格常常要求与电力配线相同或更大——尽管电力规范允许减小其规格。支持多台个人电脑（比如呼叫中心）的设计应规定中性线配线超过相线规格1.73倍。对办公室隔间里的配线尤其要多加注意。需要指出的是，这种方法可以保护建筑物配线，但不能保护变压器。

使用单独的中性导线

在三相分支电路上，要单独为每根相线导线敷设中性导线，取代多线分支电路共用一条中性导线的做法。这样可以增大分支电路处理谐波负载的容量和能力。这种方法可以有效抑制分支电路中性线上谐波增大，但配电板中性母线和馈电中性导线仍须考虑。

使用不会受谐波影响的直流电源

在典型数据中心里，配电系统通过一台变压器把480V交流市电转换为对服务器机架馈电的208V交流电。每台服务器中的一个或几个电源再把该交流电转换为供服务器内部组件使用的直流电压。

这些内部电源能效不高，它们产生大量热，增加了房间的空调系统的工作量以及运转成本。热耗散也限制了一个数据中心里能容纳的服务器数量。选择使用直流电来消除这一环节是值得的。

根据《能源与电力管理》杂质中一篇文章的说法，“配备直流电源而非交流电源的计算机和服务器产生的热量下降20%~40%，功耗降低30%，提高了服务器的可靠性和安装灵活性，也减少了维护需求。”

听起来不错，但综合考虑成本、兼容性、可靠性和效率时，弃交流电不用而选择直流电对多数数据中心来说并不可行。交流电——尽管其效率略低——但对现有设备是普遍可以接受的。

此外，目