谐波不和谐

前尚无针对数据中心高电压点的保险商实验室(UL)安全标准，而针对交流系统的标准则十分成熟。这意味着安全风险胜过了直流电的潜在效益，至少目前是这样。

在配电元件中使用K级变压器

标准变压器不是针对非线性负载产生的高谐波电流而设计的。当连接这些负载时会过热并过早发生故障。当谐波开始以具有有害影响的程度引入电气系统中时(circa 1980)，该行业的应对措施是开发了K级变压器。K级变压器不是用于消除谐波，而是用于处理谐波电流产生的热量。

K系数额定值范围在1到50之间。针对线性负载设计的标准变压器K系数为1。K系数越高，变压器能够承受谐波电流产生的热量越多。选择正确的K系数非常关键，因为它对成本、效率和安全性都有影响。

K系数较高的变压器一般比K系数较低的变压器更大，因此要根据数据中心的谐波曲线选择合理的K系数，从而在尺寸、效率和耐热能力之间取得最佳平衡。下表给出了针对电气系统中不同百分比非线性电流的适当K系数。

带K-13级变压器（和大尺寸中性线）的配电单元(PDU)可以有效地处理谐波电力。带K20级变压器的配电单元很常见，但对于多数现代数据中心来说过大。

使用谐波减缓式变压器

K级干式变压器在电气环境中广泛使用——包括PDU中或作为备用单元。但变压器设计中的最新进步可以在减小谐波电压失真和功率损耗方面提供更好的性能。

谐波减缓式变压器(HMT)用于处理电气系统的非线性负载。该变压器利用电磁减轻技术专门处理三倍序号(第3、9、15…..)谐波。变压器的二次绕组用于抵消零序通量并消除一次绕组环流。该变压器也通过使用相转移处理第5和第7谐波。

利用这两种电磁技术，HMT允许负载按照其厂家设计的方式工作，同时将谐波对能耗和失真的影响降至最低。多数HMT超过了NEMA TP-1效率标准，即使在使用100%非线性负载进行检测时。只要规定了K级变压器，等效HMT就可以作为直接代用品。

使用HMT的主要优点

? 防止非线性负载造成的电压平顶

? 减小上游谐波电流

? 消除变压器过热和工作温度过高

? 消除一次绕组环流

? 通过减少谐波损耗达到节能

? 维持高能效，即使在非线性负载较为严重的情况下

? 处理K级变压器不能解决的电力质量谐波问题

? 适合K系数较高的负载，而不会增大涌入电流

? 提高功率因数

其他谐波减轻方法

首次设计数据中心时，HMT是变压器的首选。然而，如果现有数据中心存在谐波问题，可使用锯齿形自动变压器限制三倍序号谐波及第5、第7谐波的影响。

锯齿形自动变压器是一种只有一次绕组而没有二次绕组的中性形成变压器。每个铁芯有两个一次绕组，它们按相反方向绕线，对正常相电流提供了较高的阻抗。

当靠近负载放置时，锯齿形自动变压器可以捕获三倍序号谐波。这种自动变压器的规格必须大到足以处理谐波。三倍序号谐波将仅限于自动变压器和该负载，从而防止上游配电设备遇到谐波。然而，自动变压器不能用于把电压改为与电源(电压)不同的水平。

可以通过上述自动变压器与一条二次馈线并联来消除三倍序号谐波、第5、第7谐波。这条馈线一般由不同电源供电。自动变压器和这条二次相转移电源一起共同捕获三倍序号谐波、第5、第7谐波。这种应用相当棘手，因为这两个电源都要承载平衡负载，才能有效捕获三倍序号谐波、第5、第7谐波。

但这两种应用对于消除有害谐波十分有效。然而，安装单台谐波减轻变压器是防止有害谐波影响配电设备最具成本效益的方法。

小结

谐波电流对配电系统极其馈电的设施具有重大影响。在规划系统扩建或改造时一定要考虑谐波的影响。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。

其他参考资料

[1] 处理配电系统中的谐波，Victor A. Ramos Jr.

[2] Controlled Power公司的应用说明

[3] Mirus International谐波和谐波减缓式变压器

[4] Power System Engineering(公司名)的电力系统谐波介绍

[5] Energy Vortex公司的应用说明