谐波不和谐？---电气系统中问题谐波失真的常见原因、意义及解决办法

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。

图1.电流波形的谐波失真

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

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。

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。