绍兴电信IDC机房谐波综合治理分析报告

绍兴电信IDC机房谐波综合治理分析报告
作者：绍兴电信分公司网络操作维护中心王铭祥
摘要：IDC机房大量非线性负载的应用致使配电系统存在大量的谐波电流。

谐波电流导致供电系统电压和电流畸变率高、功率因素降低，线路损耗增加，电缆和设备发热严重等现象，使设备安全运行得不到保证。

本文通过分析绍兴城东母局供电系统存在谐波的一些问题和对比分析谐波整治前后相关测试数据，来验证谐波治理在提升供电质量，提高设备利用率，排除供电安全隐患等方面的效果。

关键词：谐波、谐波治理、畸变率、电容器
1、绍兴城东母局配电系统现状
绍兴分公司城东母局主要承担着本地网全部IDC机房的设备负载和绍兴号百大楼负载。

绍兴分公司城东母局是整个本地网最大的负载局站，它包含了市本级绝大部分的大型UPS设备和专用空调设备及服务器设备。

其供电系统配置方式如下：
（1）高压配电系统（10KV）为二路市电分段母线供电方式，设置有联络柜。

（2）低配配电系统由2套1000KVA低压配电系统组成，通过联络柜形成三锁两钥匙供电方式。

夏季最大负载电流分别为1000A（1#）和950A （2#）左右。

1#低压配电系统配置了1台1600KW油机作为备用电源，2#低压配电系统配置了1台1000KW辛普森柴油发电机组作为后备电源保障。

（3）城东局在用的UPS电源系统共有4套，分别为1＃低压配电系统下挂的1套艾默生200kVA UPS系统（2＋1并机）和2套艾默生80kVA UPS系统（1＋1并机）；2＃
低压配电系统下个1套爱克赛400kVA UPS系统（1＋1并机）。

2、谐波治理前存在的主要问题及分析
由于城东局IDC机房所用的部分服务器品质差，很多都是简易组装的服务器，电源模块质量差，在运行过程中产生了大量的谐波，谐波污染已严重影响到了交流供电质量，表现为：
2.1 交流输入电压和电流畸变率严重超标
低配系统Ⅰ、Ⅱ段母线、UPS进线端谐波污染十分严重，电能质量严重不合格：其中UPS进线端电压畸变率最大达到5.5%，电流畸变率最大超过25%。

按照维护规程要求：电压波形正弦畸变率不大于5%；《通信用不间断电源----UPS（YD/T1095---2000）》的行业标准规定输入电流谐波分为三类：1类<5%,2类<15%,3类<25% ，实测数据表明，实际输入电流谐波成分THDi平均超过30%，已经大大超过标准要求，谐波电流在中性线叠加，导致中性线电流过大，大于相线电流，导线发热严重。

谐波电流的危害：
谐波电流影响各种电气设备的正常工作。

谐波对变压器、继电器、接触器、电动机以及发电机等电感性负荷的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声、过电压甚至谐振，使得这些感性器件局部严重过热。

因为容性元件也是按照50Hz 设计的，对高频率电流呈现低阻抗，会使这些元件过载损坏。

对于空气开关的设备，当高频电流流经其过流或过热保护电路时，会导致空开跳闸保护。

特别是对电力控制的继电保护装置，在高谐波状态下，会出现误动作，造成供电的不可靠性。

2.2 电容补偿柜无法正常投入使用致使功率因素偏低被电力局罚款
严重的谐波污染导致Ⅱ段母线电容补偿柜不能投入正常使用，经常发生电容器“炸毁”事故，导线发热严重。

由于电容补偿柜不能正常投入使用，导致Ⅱ段母线功率因素严重偏低，功率因素只达到0.82左右，从09年8月起，绍兴用电管理所对电信企业的用电性质从非工业企业用电改为商业企业用电，根据商业用电的费用依据每月由于功率因数低于标准直接罚款多达8千元之上，从09年8月起到改造前已连续6个月被罚款，罚款金额支出已接近5万元。

※电容补偿柜放电击穿故障分析：
图：谐振放电击穿机柜的事故现象图
2010年2月份，Ⅱ段母线发生电容器“炸毁”击穿机柜事故，我们邀请华信设计院与省电源支撑中心于2月25对现电信城东机楼的配电系统、UPS系统进行了谐波测试，根据对城东机楼配电、UPS谐波的多次测试数据分析可知：现城东机楼Ⅰ段母线电容柜热继电器保护熔丝发
生故障及Ⅱ段母线的电容柜发生放电击穿故障以致电容柜损害，电容组无法正常投切等故障均由于配电系统存在的电流谐波过大所引起;
发生该故障的另一主要原因由于现两段母线中的电容补偿柜内所配置的电容未串联电抗器，从而使流入电容柜内谐波电流被放大甚至发生谐振，造成Ⅰ段母线中由于谐波电流过大，其热继电器的保护熔丝被损坏，其谐波电流是否被放大可从测试表中电容投入前后的数据中即可反映出来，由于现实际投入的组数较少，其放大倍数相对较小，但当其投入的电容器组数的增加，其放大倍数将大幅增加；造成Ⅱ段母线电容柜发生放电击穿而损坏，则可明确判断该电容柜内放电击穿处发生谐振。

2.3 变压器、油机等电源设备有效容量得不到充分利用
目前两台变压器到夏季时的最大负载电流已达1000A（1＃变）和950A （2号＃）左右。

变压器带载率接近70%，2号变油机负载已经接近60%，整治前测量数据表明，Ⅱ段母线配电系统总电流谐波高达17%。

油机带载试验时有轻微震荡及啸叫声现象，变压器也有较大的噪声。

柴油发电机组的内阻相对市电来说要大很多，非线性负载产生的谐波电流引起的电压畸变也会大很多，并造成油机输出电压失真严重，此外还会造成：
1．控制部分可能对失真严重的输出波形发生误判断，认为是过压、超频等原因，从而造成油机停机；
2．输出电压不稳，输出高压造成所带负载烧毁，导致备用发电机组不能正常带载，导致UPS 在油机发电时不能与频率同步而使电池放电并停机。

对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，特别是3 次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热。

对星形连接的变压器，当绕组中性点接地，当该侧电网中分布电容较大或者装有中性点地的并联电容器时，可能形成3 次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。

谐波过大会导致主要供电设备的安全性严重下降。

2.4 线路损耗增加，中心线电流大增，电缆发热情况加重，安全隐患突出
由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。

在集肤效应的作用下，
谐波电流使输电线路的附加损耗增加。

在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。

中性线过热：在中性点直接接地的三相四线式供电系统中，当负荷产生3N次谐波电流时，中性线上将流过各相3N次谐波电流的和。

如当时三相负荷不平衡时，中性线上流经的电流会更大。

实际使用中我们发现一楼UPS输出中性线电流大于任何一相的相电流，造成中性线导线发热过高。

解决办法：我们通过增加一根相同截面积的电缆来减轻过热现象（即中性线导线的截面增加到相线导线截面的200%）。

老低配系统（艾默生UPS市电输入端）ATS柜电缆线发热典型案例：老低配系统ATS柜内两根240mm电缆原负载电流为560A左右，按照电缆负荷载流量表应该在可以承受范围内，由于谐波污染的存在导致电缆发热量非常大，电缆表面与接头处严重发烫，测得夏季最高温度达到80多度，温升超过50℃，电缆绝缘层已经发软，安全隐患突出。

解决办法：1、割接出部分负载；2、进行谐波治理。

3、治理前实测数据分析
3.1 治理前测试数据
各设备端实测数据表
测试时间：2010年4月8日测试仪器：FLUKE434仪器一台
艾默生UPS输入端电流谐波频谱图爱克赛UPS输入端电流谐波频谱图
3.2 测试结论分析`
根据测试结果可以得出如下结论：
（1）可以看出，由于使用6脉冲整流装置，UPS输入端的电流谐波畸变率很高，谐波主要为5、7、11、13次谐波，其中5次谐波特别大；400KVA（1+1）爱克赛UPS系统还含有41次，43次，47次，49次谐波分量，基本都有10个安培电流的高次谐波分量，系统内的谐波污染非常严重。

（2）由于大量谐波电流的存在，已经影响到了变压器、油机等电源设备的安全运行；对低压配电室内电气设备的正常运行造成很大的安全隐患。

所以尽快进行谐波综合治理刻不容缓！
4、谐波综合治理实施步骤
4.1 实施步骤
第一步：城东机楼现由于其配电系统功率因素未达到电力局所规定的要求，每月均需向电力局
缴纳罚金，而其配电系统中Ⅱ段母线的电容补偿装置已损坏，Ⅰ段母线的电容补偿装置由于谐波电
流过大，大部分电容组无法正常投入，且投入的电容组也存在一定的安全隐患，急需对现配电系统
中的电容补偿装置进行更新改造，具体改造措施如下：
对Ⅰ、Ⅱ段母线的电容补偿装置进行更新，更新后的电容器回路中串联了电抗器，现城东机楼配电系统中的谐波以5次及以上为主，且5次含量较大，因此选用6%串联电抗器；由于原电容组已使用了3年，且由于系统中谐波电流较大，发生过谐振击穿等各种因素，原电容的特性衰减、
绝缘老化等，因此该批电容也进行了更新。

本次改造于2010年4月份完成，改造后电容补偿柜能正常投入使用，功率因数有了大大提高，电费被罚款现象已得到解决，但电容补偿柜发热现象仍旧十分突出。

第二步：配电系统电容补偿装置更新后，其配电系统的电容补偿装置虽能正常的工作，但其配电系统中过大的谐波电流依然存在，未能得到根本改善或减少，为彻底解决配电系统中谐波电流过大的问题，我们对配电系统中的谐波进行综合治理，即对后端谐波源—UPS进线输入端进行专门的谐波治理，具体方法如下：
配置专用的有源滤波器，就地治理即在每个谐波源—ups进线输入端就近分别安装有源滤波器进行谐波治理，可使其谐波电流控制在5%以内，将谐波影响范围降到最小，提升变压器、柴油发电机组、电缆的可用容量，杜绝了柴油发电机组可能出现的震荡现象和配电系统中存在谐振的可能性，从而消除电源系统由于谐波而存在的安全隐患。

4.2 治理方案说明
经过多次现场测试，方案比较及严格的招投标程序，最后我们选用XX有源滤波器进行综合治理。

基本原理：XX有源滤波器基于电力电子技术，通过实时检测系统内的谐波电流后有源滤波器产生一个大小相等、相位相反的电流抵消谐波电流，可以滤除50次以下各次谐波电流。

采用有源滤波器进行谐波治理能完全满足整流类负载其响应时间上的要求，有源滤波器采用IGBT控制，IGBT高速开关的开关频率可以达到20kHz，输出电流响应1ms，且能追踪谐波的变化情况动态滤波，滤波能力高达97%。

在滤除谐波的同时达到对系统无功的补偿；在提高电能质量的同时达到了节能降耗的效果。

有源滤波器容量计算：
根据现场采集的数据进行分析计算，并考虑滤波装置的容量裕量进行了如下设计。

谐波电流计算如下：
式中，H I ————谐波电流 I ————基波电流 i T H D ————电流谐波畸变率
艾默生UPS 输入端，根据检测数据以及公式计算得到谐波电流约115A ；设计选取一定裕量以及考虑到适当补偿系统的无功功率后，安装160A 电流等级的有源滤波器运行较为合适。

我们在艾默生UPS 输入端安装1台160A 电流等级有源滤波器。

柜体为落地安装。

可以有效滤除系统内50次以下的谐波，并适当补偿系统的无功功率。

爱克赛UPS 输入端，根据检测数据以及公式计算得到谐波电流约152A ；设计选取一定裕量以及考虑到适当补偿系统的无功功率后，安装200A 电流等级的有源滤波器运行较为合适。

有源滤波器安装位置图：
4台80KVA 艾
默生UPS
0.38KV
10KV
进线柜
1号变压器
其他负载
3台200KVA 艾默生UPS
ABB 有源动态滤波器PQFS -150A
位置一：艾默生UPS 输入侧
位置二：爱克赛UPS 输入
5、综合治理效果
本次综合治理工程在2011年1月底前全部完成，取得了良好的效果！ 5.1 治理前后测试数据及效果分析
低压配电系统、UPS进线端谐波电流和谐波电压降低到国家标准要求内。

5.
1.1
爱
克
赛
UP
S进
线
侧
治
理
前
后
测
试
数
据
（1）功率因素
谐波治理前谐波治理后
（2）谐波电压
谐波治理前谐波治理后
（3）谐波电流
谐波治理前谐波治理后
谐波治理前谐波治理后
治理前，谐波电流畸变率达到32.1%，该项指标是非常高的，其中5次谐波电流甚至达到29.7%，150A。

治理后，谐波电流畸变率降到4.2%，电流减少20A，谐波电压从5.4%下降到2.4%。

该UPS还出现一个很少见的现象：治理前高次谐波电流和电压很大，41次，43次，47次，49次谐波基本都有10个安培电流，我们知道：高次谐波是导致谐波电压超高的主要因素，同时，要治理高次谐波，是治理低次谐波能量的好几倍。

举例说明：同样治理5A的5次谐波只要5A的滤波器电流的话，那么治理5A的50次谐波需要50A的滤波器能量。

这对滤波器要求提出了更高的标准。

在对滤波器的调试过程中，我们也发现，选型200A的滤波器对该UPS谐波电流治理应该是
很富裕的，但是由于存在高次谐波，而且基本每个高次谐波都存在，滤波器输出能量比正常情况会偏大，有源动态滤波器在对每次谐波的选型滤除上，是可靠的，滤除效果好。

5.1.2老低配房（艾默生80KVAUPS）进线侧治理前后测试数据：
（1）功率和电能：
谐波治理前谐波治理后
（2）电流电压
谐波治理前治理治理后
（3）谐波电压
谐波治理前谐波治理后
（4）谐波电流
谐波治理后谐波治理后
谐波治理前谐波治理后
治理前，谐波电流畸变率达到25.6%，远远高于国家标准的5%，从测试数据上我们可以看到，5次，7次谐波占主要谐波源，5次尤为高；
治理后，谐波电流畸变率降到1.3%，基本全部滤除了谐波，电流也从459A下降到439A，谐波电压从3.3%下降到2.2%
并且我们还可以看到，在如此低的谐波电流下，谐波电压还有2.2%，主要是因为其他的UPS或负载发窜到该UPS进线侧造成的，该UPS自身所产生的谐波电流和电压都基本滤除干净了，达到了设计要求。

5.2 治理前后效果分析
（1）谐波治理后，原先不能正常投入使用的电容补偿柜能投入正常使用，线路
无功损耗下降，发热现象也大大减轻，Ⅱ段母线功率因素从原先的0.82升0.96
以上，功率因数有了大大提高，电费被罚款现象已得到圆满解决。

Ⅱ段母线各相
电流值下降了100A左右，初步估算每年约可节约电费30万，经济效益十分明
显。

（2）变压器、油机等电源设备有效容量得了充分利用；按照研究数据：谐波电
流下降到5%以内时，柴油发电机组配置容量只需要达到负载容量的1.2—1.5倍
即可，设备安全运行得到了保证。

（3）电缆发热情况已有效缓解，原老低配房ATS柜电缆温升由原先的50℃下降
到20℃左右，效果明显，机房安全隐患消除，供电安全得到了保证。

在采取了
各项谐波综合整治措施后，整个配电系统的发热得到了很大的改善，整个配电系
统的寿命得到了延长，相当于节约了投资！
6、结束语
目前来看，谐波治理的成本还是偏高，对节能效果也不是特别的明显，但它能大大提高电能供电质量，减轻设备和电缆的发热现象，较大幅度提高供电设备的有效利用率，延长电源设备的使用寿命，提高供电可靠性，所以通信系统进行谐波综合治理意义重大。

我们要提高对谐波危害的认识，因谐波污染而引起重大电源事故的现象并非危言耸听，若出了事故再来制定补救措施可能远远不止投资滤波器所能相提并论的。

我们要采取有效的防护，对谐波污染严重的电网进行及时治理，减少谐波对通信供电系统的危害，确保通信网络设备的安全运行！
2011-02-28
参考文献：
1、阎云翔通信供电系统中谐波的分析及防止
2、YD/T5040-2005 通信电源设备安全工程设计规范
3、YD1095-2000 通信用不间断电源-UPS
4、GB/T14549-93 电能质量公用电网谐波
附录：国标规范要求
为了保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，目前许多国家、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准，其中较有影响的是IEEE519-1992和IEC555-2。

所有标准都基于以下三个目的：
（1）将电力系统电流和电压的畸变控制到系统及其所接设备能够允许的水平；
（2）以符合用户需要的电压波形向用户提供；
（3）不干扰其它系统（如通信系统）的正常工作。

为了抑制谐波污染，保证电网和电气设备的安全经济运行，近几年来国家先后制定了一系列电磁兼容和安全的国家标准，对谐波的限值作出了明确的规定。

在《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-93）中，对电网谐波电压和谐波电流限值的规定如下表一和表二所示：
表2.1 公用电网谐波电压限值
表2.2 公用电网谐波电流允许值。