电力系统中的谐波问题分析主要涉及电流波形失真的概念、产生的原因、影响、以及如何补偿和减轻谐波的措施。谐波是指电流波形偏离了正常或理想的正弦波形状,主要由非线性负载造成。非线性负载包括开关模式电源(SMPS)、调速电机及驱动、复印机、个人电脑、激光打印机、传真机、电池充电器和不间断电源(UPS)等,它们在公共大楼和工业环境中很常见。
谐波的存在会增加电力设备的损耗,导致过热和电能浪费。谐波电流不仅会影响配电系统中同一线路的其他设备,还可能导致电缆、变压器和备用发电机等过热,损害元器件并缩短使用寿命。此外,谐波还能引起断路器误动作、计量误差、电力系统故障甚至火灾。
谐波技术概览介绍了谐波是频率为基频整数倍的电流或电压。例如,60Hz的基础频率会产生120Hz的第二谐波、180Hz的第三谐波等。谐波失真可通过总谐波失真(THD)来衡量,它是所有谐波分量的功率总和与基频功率的比率。这个指标反映了电压或电流信号失真程度。
为控制谐波影响,有多种补偿或减小谐波的方法,包括增大中性线配线规格和使用单独的中性导线。增大中性线配线规格可保护建筑物配线,但不适用于保护变压器。单独中性导线在三相分支电路上的应用,可以提高处理谐波负载的能力,有效抑制谐波电流对中性线的影响。
另一种方法是使用直流电源,以减少谐波产生的问题。尽管直流电源能够减少能耗和热量的产生,从而提高服务器的可靠性和能效,但目前交流电源在数据中心中仍占主导地位,因为直流电源缺乏成熟的UL安全标准,且对现有设备的兼容性和成本问题尚未解决。
K级变压器是针对谐波电流设计的,K系数是衡量变压器能够承受谐波产生的热量的指标,范围从1到50。高K系数的变压器可以处理更多的谐波电流,但成本和尺寸也会随之增加,因此选择合适的K系数至关重要。
除了上述措施,还应根据谐波曲线合理选择配电元件,例如在数据中心采用具有K-13级变压器和大尺寸中性线的配电单元(PDU)可以有效地抑制谐波影响。从长远来看,尽管直流电源具有节能的优势,但由于技术标准和成本限制,目前在数据中心的广泛应用还需等待行业进一步发展与规范的完善。