淺談醫院諧波治理

章天柱

摘 要：隨著非線性電氣設備在醫院配電網中的廣泛應用，低壓電網中的諧波污染越來越嚴重，給醫院的正常運作以及醫護人員和患者的生命健康帶來了潛在隱患。本文介紹了醫院低壓電網中的諧波危害、諧波源分布以及諧波治理方法。

關鍵詞：醫院；非線性設備；諧波；諧波源；危害；治理

近年來，在醫院配電網中使用非線性負載越來越多，如變頻水泵、電梯、空調、熒光燈、計算機、不間斷電源（UPS）、醫用放射設備、監護儀、治療儀、檢驗設備等，這些非線性負載將產生大量的諧波和電磁輻射干擾，污染電網，造成電能質量下降，可能引起供配電設備故障，電氣設備過熱，甚至有引發火災的危險；同時，諧波還可能會對高精密診斷儀器設備造成程序運行錯誤、數據丟失、無故重啟、死機甚至永久性損壞的不良后果，還有可能會危及醫護人員和患者的生命健康。因此，正確認識諧波，明確諧波源，積極治理諧波、凈化電網，具有積極而深遠的意義。

1 諧波的產生

當正弦波電壓施加于非線性負載上時，電流就變為非正弦波，非正弦電流在電網阻抗上產生壓降，會使得電壓波形也變為非正弦波。非正弦波用傅里葉級數分解，其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于基波的分量稱為諧波。簡而言之，電力諧波是指n倍（n為大于1的整數）工頻頻率的交流電，它是一種電力污染，對電力系統及設備危害十分嚴重。

2 諧波的危害

2.1 諧波對線路的影響

諧波增大系統電能損耗，使設備元器件發熱，影響設備使用壽命。此外，諧波引起的諧振，造成電容器組過電壓或過電流，容易燒毀電容器或電氣設備。

2.2 諧波對變壓器的影響

諧波會增加變壓器的附加損耗，可能在變壓器繞阻和線電容之間產生諧振，引起過熱，增大噪聲，加速絕緣老化，大大縮短變壓器使用壽命。

2.3 諧波對電機的影響

除引起附加損耗、減小電磁轉矩外，諧波還會產生機械振動和噪聲，降低電機效率，減少電機使用壽命。

2.4 諧波對繼電保護和自動裝置的影響

諧波會引起繼電保護和自動裝置誤動或拒動，降低安全可靠性，威脅電力系統安全運行。諧波還會造成電氣測量儀表計量誤差。

2.5 諧波對通信設備的影響

諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕則產生噪聲，降低通信質量，重則導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。

2.6 諧波對醫療設備的影響

諧波會產生大量電磁輻射，對高精度的醫療設備產生很大干擾，可能發生數據差錯、圖像模糊、信息丟失等問題，嚴重時甚至導致硬件損壞，造成醫療設備無法繼續正常工作。特別是檢測人體生物電信號的儀器設備，如心電圖機、心電監護儀、心臟起搏器、腦電圖機、超聲診斷儀、針灸電療儀等直接接觸人體的儀器設備，由于信號非常微弱，一旦受到干擾，就會使顯像管顯示圖象變形失真，成像模糊不清，影響醫療診斷結果；同時還可能會引起微電擊，嚴重時還會對患者造成身體損害甚至生命危險。大型醫療設備如MRI、CT、DR等也會由于諧波的影響而可能使設備電路板燒毀，影響正常檢查工作，增加患者等待時間。

3 醫院低壓電網中諧波源的主要分布

醫院低壓電網中存在大量的諧波源負載：

3.1 照明燈具

大部分醫院照明以熒光燈具為主，會產生幅值較大的奇次諧波，但諧波污染不是很嚴重，電流總諧波畸變率在7%左右。

3.2 變頻裝置

醫院常見變頻裝置有電梯、水泵、空調等。

醫院樓層高、人流量大，電梯在醫院的正常運轉中扮演著重要角色。交流電機帶動升降電梯，通過變頻器控制電梯啟停變速。變頻器會導致電流發生嚴重畸變，產生大量5、7、11、13次諧波。

醫院供暖、供水、排水管網大量采用變頻水泵，水泵工作時電壓總諧波畸變率可達14%，電流諧波畸變也很厲害，主要為5、7、11、13次。

醫院各科室大都裝有中央空調或獨立空調，且以變頻空調為主。空調的電流總諧波畸變率一般為30%～40%，其中5次諧波含量最高。

3.3 計算機和UPS

醫院信息網絡系統必須24小時全天候運行，以便對醫療過程中的病例、數據進行存儲記錄。大量計算機，以及服務器必配的UPS不間斷電源，會產生大量3、5、7次等諧波。

3.4 電子醫療檢測設備

大型醫院的電子醫療檢測設備常選用開關電源提供電力，但其整流和逆變工作過程中將產生大量3、5、7次等的諧波電流。

3.5 醫技設備

大型醫院基本配置齊全X光機、CT機、核磁共振設備MRI，數字胃腸機等，有的甚至配備了電子直線加速器、數字減影血管造影機DSA等設備，這些設備為患者診斷病情提供了準確依據，可同時也是系統中主要的諧波源。它們的諧波情況比較復雜，頻譜相對較寬，主要諧波次數為3，5，7次。高諧波環境不僅會影響設備的正常工作，使之出現故障，還會對臨近的設備產生干擾。

4 諧波治理的方法

常用的諧波治理方法有兩種方式：一種是無源濾波器，一種是有源濾波器。兩者可以與無功功率因素補償柜結合使用，也可以相互之間配合使用。

無源濾波器是傳統的諧波補償裝置，主要由了濾波電容器、電抗器和電阻器串聯組成，與諧波源并聯，諧振頻率設定在需要濾出的高次諧波頻率上，以達到濾波目的。無源濾波器優點是經濟實惠成本低，缺點是濾波效果相對較差。

有源濾波器是在無源濾波裝置的基礎上發展起來的，是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，在其額定的無功功率范圍內，濾波效果為100%，缺點是價格相對無源濾波器較高。

醫院低壓電網中諧波源數量多，情況復雜，可選用有源濾波器，采用就地補償與集中補償相結合的諧波治理方式。

1.就地補償：按設備工作電流乘以諧波畸變率，即可得出諧波電流有效值，可選擇相應電流的三線濾波器。

2.集中補償：考慮到主母線或配電干線上可能含有照明、動力、空調等負載，應選用相應容量的四線濾波器。集中補償濾波設備的諧波電流有效值可按計算電流乘以諧波畸變率，畸變率按15%考慮。

3.如果不采用就地補償，只采用集中補償，醫技設備與其它電氣設備混合供電，可以將畸變率提高到20%進行估算。

有源濾波器輸出的補償電流是根據系統的諧波量動態變化的，因此不會出現過補償的問題；另外，有源濾波器內部有過負荷保護功能，當系統的諧波量大于濾波器容量時，濾波器可以自動限制在100%額定容量輸出，不用擔心會發生過負荷的問題。

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