醫(yī)院配電系統(tǒng)的諧波分析及治理措施

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摘要：配電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波分量，會降低供電電能質(zhì)量水平和供電可靠性，會大大影響醫(yī)院醫(yī)療過程中所使用的各種精密靈敏設(shè)備。本文對醫(yī)院建筑用電設(shè)備產(chǎn)生諧波源、諧波的危害進行了分析，并提出諧波的治理方案。

關(guān)鍵詞：醫(yī)院；諧波；濾波器

前言

在大型綜合醫(yī)院中，隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的醫(yī)療設(shè)備用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，這為醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷工作做出了重大貢獻(xiàn)的同時，也對我們的供電質(zhì)量提出了更高的要求，一些醫(yī)療設(shè)備對不合格電能的容許度嚴(yán)格到了幾十甚至十幾毫秒。隨著CT機、X光機等晶閘管控制設(shè)備和電子控制裝置的廣泛應(yīng)用，由于這些負(fù)載都屬于典型的非線性負(fù)載，在運行過程中會產(chǎn)生大量的諧波電流，加劇了電壓和電流波形的畸變，特別是3、5、7、9次奇次諧波注入到電網(wǎng)中，諧波電壓或電流的疊加，易導(dǎo)致電子開關(guān)的誤動作、線損增加和絕緣老化，還可以形成諧波的震蕩，危害整個電力系統(tǒng)的安全運行，大大降低了電網(wǎng)供電的可靠性。由于醫(yī)院建筑又對供電質(zhì)量的可靠性要求非常高，因此，熟知諧波的產(chǎn)生及治理，對醫(yī)院建筑來說，具有人命關(guān)天的作用。

1.醫(yī)院建筑配電系統(tǒng)諧波的分析

在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負(fù)載所致。當(dāng)非線性負(fù)載投入運行時，其電壓、電流波形發(fā)生了畸變，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，而是不同程度畸變的非正弦波。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波被消除，只有奇次諧波。醫(yī)院建筑中，產(chǎn)生奇次諧波源的主要用電設(shè)備如下：

（1）泵及通風(fēng)等電機設(shè)備：為了節(jié)約能源，大部分醫(yī)院均采用變頻水泵、中央空調(diào)機組及風(fēng)機，變頻器是非常重要的諧波源，其總諧波電流畸變率達(dá)33%以上，會產(chǎn)生大量的5、7次等諧波污染電網(wǎng)，用于電機調(diào)速的單臺變頻裝置，一般都是6脈沖裝置，其諧波電流含有率如下表：

（2）照明設(shè)備：現(xiàn)在醫(yī)院內(nèi)部使用的燈具，絕大多數(shù)都使用的是各種熒光燈等氣體放電燈。電子整流器的整流電路與高頻逆變電路產(chǎn)生大量的諧波電流；氣體放電燈電弧放電時因具有負(fù)阻抗特性也產(chǎn)生大量的諧波電流。常見氣體放電燈諧波電流含量下表2：

（3）電子醫(yī)療設(shè)備：電子醫(yī)療精密儀器是醫(yī)生病情診斷分析的重要輔助設(shè)備，大大提高了病情的診斷效率和準(zhǔn)確率，在醫(yī)院建筑中得以大量的使用。醫(yī)院內(nèi)的放射科等大型電子醫(yī)療設(shè)備一般為開關(guān)電源直接供電，這些開關(guān)電源設(shè)備在使用過程中會產(chǎn)生3、5、7次等諧波注入電網(wǎng)。

（4）計算機及UPS：目前醫(yī)院均采用信息化就診、電子病歷、電子院囑及智能化辦公系統(tǒng)。計算機的數(shù)量比較多，且服務(wù)器等數(shù)據(jù)的存儲系統(tǒng)必須配置UPS等備用電源。臺式計算機的開關(guān)電源及UPS均為諧波源，會產(chǎn)生大量的3、5、7次等諧波。

2.諧波的危害

諧波的危害主要有以下幾方面：

（1）在三相四線制線路中存在諧波電流時，計算中性導(dǎo)體的電流應(yīng)計入諧波電流的效應(yīng)。當(dāng)中性導(dǎo)體電流大于相導(dǎo)體導(dǎo)體電流時，電纜相導(dǎo)體按中性導(dǎo)體電流選擇。當(dāng)三相平衡系統(tǒng)中存在諧波電流，4芯或5芯電纜中中性導(dǎo)體與相導(dǎo)體材料相同和截面相等時，電纜載流量的降低系數(shù)按如下表中的規(guī)定確定。因此，諧波電流的存在，在設(shè)計選擇電纜時，整個配電系統(tǒng)的電纜的截面需要增加，從而耗費了更多的有色金屬，增加了投資。

（2）對旋轉(zhuǎn)電動機影響：旋轉(zhuǎn)電動機中的正序和負(fù)序諧波電流分別形成正向和反向的旋轉(zhuǎn)磁場，使旋轉(zhuǎn)電動振動力矩和轉(zhuǎn)速的周期性的變化，從而是機效率降低，發(fā)熱增加。加速絕緣老化，縮短使用壽命。

（3）對供電變壓器的影響：由于過大的諧波電流而產(chǎn)生附加損耗，從而引起過熱，使絕緣介質(zhì)老化加速，導(dǎo)致絕緣損壞。

（4）對并聯(lián)補償電容器的影響：電容器容易吸收諧波電流而引起過載發(fā)熱，加速電容器的損壞；容易構(gòu)成諧波諧振，使電容器發(fā)熱導(dǎo)致絕緣擊穿的故障。

（5）對配電系統(tǒng)中斷路器的影響：高次諧波含量較高的電流能使斷路器的開斷能力降低，存在嚴(yán)重的諧波電流時，某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作。

（6）對通信干擾的影響：諧波通過電容耦合、電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)感應(yīng)到通信線路上，可能損壞通話的清晰度，觸發(fā)電話鈴聲，導(dǎo)致醫(yī)院在緊急情況下?lián)尵刃畔⒌牟粫惩ā?/p>

（7）對繼電保護和自動控制裝置的影響：諧波的存在，繼電器的時間特性會改變，電流繼電器不能區(qū)分零序電流和三次諧波，從而導(dǎo)致誤動作。同時，電網(wǎng)的各類保護及自動裝置也會誤動作或拒動，這在微機保護和綜保裝置中表現(xiàn)突出，可能引發(fā)區(qū)域性的電網(wǎng)崩潰。

（8）對醫(yī)療設(shè)備及診斷結(jié)果的影響：由于高次諧波的存在，操作人員在工作中經(jīng)常遇到這些先進的醫(yī)療儀器和設(shè)備出現(xiàn)故障，輕則出現(xiàn)數(shù)據(jù)差錯、圖像模糊、信息丟失，工作受到干擾。重則硬件突然損壞，軟件遭到?jīng)_擊，儀器設(shè)備無法繼續(xù)正常工作。特別是檢測人體生物電信號的儀器設(shè)備，如心電圖機、腦電圖機、心電監(jiān)護儀、超聲診斷儀等直接接觸人體的儀器設(shè)備，由于信號非常的微弱，如果受到干擾，就會在檢測結(jié)果如波形、圖形、圖像上疊加一種類似于某些病變的畸變（諧波）造成誤診，同時還會引起微電擊，嚴(yán)重時還有生命危險。

3.諧波電壓電流的限制

依據(jù)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T1459-93），諧波電壓、電流的限制值，見表4、表5。

4.項目概況及供電方案

本項目為三甲綜合醫(yī)院擴建的綜合樓，建筑面積約10.9萬平方米，內(nèi)設(shè)有門急診、放射科、檢驗科、手術(shù)室、ICU及住院病房等功能科室。其中手術(shù)室有24間、CT機房3臺、各種X光機8臺、B超15機臺。根據(jù)本項目用電負(fù)荷和類別，醫(yī)院的中央空調(diào)機組、放射科分別設(shè)專用變壓器供電，其余照明、醫(yī)療設(shè)備等設(shè)一組變壓器供電。對單臺的CT機、X光機從配電室放射式供電。

5.諧波的治理

諧波治理最常用方法是設(shè)計濾波器，濾波器分為：無源濾波、有源濾波器和有源無源組合式濾波器幾種。有源濾波器的性能好，但價格較高；無源濾波器盡管治理效果不如有源濾波器，但是價格優(yōu)勢明顯；無源+有源組合裝置是二者的有機結(jié)合，在治理效果、工作效率等方面都非常明顯有優(yōu)勢。根據(jù)濾波器的安裝位置又可分集中式安裝治理和在單臺設(shè)備旁就地治理。

綜上考慮，結(jié)合本醫(yī)院的供配電方案，采用以下幾種治理方案：（1）照明、普通的醫(yī)療設(shè)備由于諧波含量較少，在配電系統(tǒng)的變壓器二次側(cè)進行無源濾波器集中治理，如圖1所示。（2）中央空調(diào)、熱水由于大量采用變頻控制裝置，在專用變壓器二次側(cè)采用無源+有源組合進行集中治理，如圖2所示。（3）放射科的各種CT機、X 光機基本上均屬于非線性負(fù)載，在專用變壓器二次側(cè)采用無源濾波器，再在CT機、X光機的機房電源配電箱處再設(shè)有源濾波器進行就地治理，如圖3所示。

6.結(jié)束語

通過以上方案的治理，濾除了電網(wǎng)諧波，將諧波電流濾除到國標(biāo)的限值內(nèi)，從而改善了電能品質(zhì)，保證醫(yī)療工作的正常運行。提高功率因數(shù)，防止電網(wǎng)的串并聯(lián)諧振，進而減少了醫(yī)療設(shè)備的故障，延長設(shè)備的使用壽命，提高醫(yī)療工作效率。由于濾除了諧波電流和補償了無功電流，使變壓器和線路的電流減少，從而使整個配電系統(tǒng)的損耗降低，節(jié)約電能。

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