醫院供用電系統諧波治理技術

周　巖/何珍棟

(中國新興建設開發總公司，北京 100039)

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醫院供用電系統諧波治理技術

周巖/何珍棟

(中國新興建設開發總公司，北京 100039)

簡要介紹電力諧波污染的概念和有關國際、國內標準，并舉例說明某醫院建筑供用電系統中存在的電能質量問題，對該院內主要醫療設備供電電能質量的凈化提出了解決思路和方法，具有很好的推廣價值與應用前景。

醫療電氣設備電能質量諧波電力濾波器

0　概述

隨著科技水平的提升，醫院建筑內的非線性負荷(如計算機、空調、變頻、UPS、電子器件等)比重也隨之增大，電力諧波、電壓波動和電磁干擾等因素使電磁環境、電能質量迅速惡化，給醫院電氣安全與醫院醫療、檢驗設備的正常工作帶來嚴重危害，是危害醫院手術環境的重要因素，其中，電力諧波對醫療設備的干擾尤為嚴重，所以對醫院用電系統進行諧波治理很有必要。

美國IEEE在1992年制定的諧波限定標準IEEE-1100中指出，當配電系統中電機、UPS和變頻變速驅動等非線性負載>50%時，變壓器應在其容量的50%下運行；ANSI/IEEE-519標準中明確提出，計算機和類似設備的諧波電壓畸變因數THD應在5%以下，一些關鍵性使用場所(如醫院、機場等直接涉及人身安全的場所)則要求THD應<3%。我國國家技術監督局發布的國家標準GB/T 14549《電能質量、公用電網諧波標準》中明確規定了電網標稱電壓為380V，電壓總諧波畸變率THD限值應在5%以下。

醫院內部電氣設施和大量現代化電子設備產生的大量諧波會嚴重污染電網，危害醫院電能質量使其下降，因此，在設計建設醫院建筑供用電系統時期就必須要充分考慮諧波問題的解決。

1　醫院供用電系統的諧波來源分析

某市中心醫院為綜合性三級甲等醫院，本工程為擴建門診病房樓項目(全科醫生臨床培養基地)。總建筑面積52 083m2，地上6～17層，地下2層，最大建筑高度71m。本工程為高層民用建筑及裙房，建筑物耐火等級一級，結構形式為鋼筋混凝土框架、框架剪力墻結構。擴建門診病房樓建筑外觀效果圖如圖1所示。擴建門診病房樓主要設施設備如表1所示。

表1所示的設備和設施多半具有電力電子器件和電磁設備，其電氣特性產生的主要特征諧波如表2所示。

表1　醫院主要建筑和醫療設施設備

表2　醫院主要設施設備的主要特征諧波

注：表2中“●”表示該次諧波成分的比例；“-”表示不含該次諧波成分。

圖1　擴建門診病房樓建筑外觀效果圖

從表2可看出，醫院供用電設備本身的主要特征諧波按照所占權重分別是5次、7次和3次諧波，其次是11、13次諧波。按照實際測量統計和理論計算的結果可知，上述幾類諧波占總諧波含量的90%～95%。從統計中可看出，醫院供用電系統的電能質量主要是受到表2中設備特征諧波的干擾，反映到醫院整體電能質量和THD水平，就是設備綜合諧波疊加的結果，所以設備既是電能諧波危害的受影響者又是電力諧波的產生者。

2　醫院供用電系統諧波處理方法

就醫院建筑設施部分而言，根據IEC和IEEE國際標準可知，醫院供電系統設備本身進行容量設計時就應充分考慮到用電系統設備受到諧波危害后導電系統的冗余量設計。關于諧波的計算和測量可參閱GB/T 1459-1993及其他有關書籍，此處不再贅述。在工程上還可以采用判斷、類比以及考慮設備對電能質量的要求等因素來采用有效措施。一般小型醫院的非線性負載占電氣設備總容量的比率不是很高，可以忽略諧波對電源的影響，規模較大的醫院都含有表2所列的非線性設備，容量要達到200～600kW或更高，且設備在運行狀態下峰值電流也很高。考慮設備群本身的調節因素，對產生諧波的設備可做如下處理。

2.1設置專用變壓器

將表2中的醫療診斷設備與其他設備分開，選用優質變壓器分別作為這些醫療診斷設備的電源，即大、中型綜合性醫院的醫療診斷設備應單獨設置專用變壓器。由于醫院診斷設備是醫院搶救治療病人的重要設備，有些設備是需要連續工作的，所以必須要有兩路相互獨立的電源供電。

2.2采用電力濾波器

通過測量計算，并對比國家標準諧波電壓限值的要求，確定是否安裝電力濾波器。電力濾波器分為有源、無源兩種形式，無源濾波器可針對某次諧波，通過對電阻、電容、電感等無源器件的組合進行濾除，適用于對電網中某次諧波含量高及其他諧波含量低的情況，無源濾波器示意圖如圖2所示。有源電力濾波器是采用現代電力電子技術和基于高速DSP器件的數字信號處理技術制成的新型電力諧波治理專用設備，由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成，有源濾波器可以濾除多次諧波含量，凈化電網效果顯著，有源濾波器示意圖如圖3所示。

圖2　無源濾波器示意圖

圖3　有源濾波器示意圖

根據電力濾波器濾波位置的不同可以有如下三種濾波器的安裝方式。

(1)濾波器連接在醫療診斷設備的專用變壓器上，對變壓器所接全部負載均起作用。這種方式要求濾波器容量大，對多次諧波都能發揮作用，因此適合有源濾波。

(2)對非線性負載相對集中的機房，采用集中加裝有源濾波器的方式，既能改善設備本身諧波的干擾，又減少對電網的污染。

(3)一對一方式，這種方式針對性強、效果顯著，適用于比較重要且有分散設備的場所，但投資較高，選擇時要進行綜合考慮，以獲取最佳的投資效果。

3　部分大型醫用設備的負載容量和諧波統計

通過對擴建門診病房樓配電系統的主要設備配置進行典型分析可知，該配電系統負載類型復雜，主要包含多種大型醫療器械(MR、CT等)、照明、風機、電梯、精密空調等。

通過統計主要醫療診斷設備設施的動力負載容量，可以發現，大型醫療設備的標稱能耗較高，部分設備峰值電流很大。根據對上述負載設備電氣特性進行分析可知，上述設備的諧波含量變化幅度較大，對無功補償系統的調節有較高要求。

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該系統由8臺變壓器供電，選擇1#、2#變壓器進行分析，2臺變壓器的低壓側總進線三相電壓、電流有效值和總諧波畸變率分別如表3和表4所示。

表3　1#變壓器低壓側的三相電壓電流有效值、總諧波畸變率

由表3～4可知，各臺變壓器總的諧波電流為40～70A，電流畸變率在20%左右，此時電流的波形嚴重失真，其中3、5、7次諧波為主要諧波。

表4　2#變壓器低壓側的三相電壓電流有效值、總諧波畸變率

考慮到醫院設施設備的綜合情況和投資效益比，本項目對價值昂貴的設備和功能重要的診斷治療設備設施，在其電源供應上設置了健全的諧波濾波設備，對主要電力諧波和電壓突變采取有效的針對性消除，并利用有源濾波器消除有關電磁干擾對精密醫療電子設備的影響，實現設備運行的全面保障。

通過分析前面提到的電力濾波器的三種接線方式和實測數據后決定采用方式(1)對本院重要醫療診斷設備進行濾波保護，在1#變壓器的低壓側安裝1臺100A的有源濾波器，在2#變壓器的低壓側安裝1臺50A的有源濾波器。

加裝有源電力諧波裝置后，接于該安裝點后的所有設備將得到可靠的保護，有源濾波器可對主要3、5、7次諧波和高次諧波進行處理，可完全消除電力諧波和電壓波動對設備的干擾和潛在危害。總體電能質量水平將達到或優于國際標準要求，滿足重要設備的標定工作條件。

4　結束語

若電力濾波器僅安裝在總配電房的低壓配電處，如果醫院某個科室的設備或儀器產生大量的諧波，那將降低附近各個科室的供電質量，影響各個儀器的正常工作。可以根據具體電流諧波的檢測結果，在大量產生諧波的醫療儀器和電梯設備等處同時加裝電力濾波器，進而更好地凈化醫院內的電能，使醫院供電電網質量得到更可靠的保證。

在對行業技術發展狀況廣泛調研的基礎上，通過理論分析和試驗論證提出通過設置專用變壓器和多點采用電力濾波器來濾除諧波的方式，不僅克服了以往在單一點或采用單一方式濾除諧波達不到行業標準的弊端，還可以將諧波量有效地控制在嚴苛的限值以內，防止諧波污染對電網和各種電氣設備造成危害，總體電能質量水平將達到或優于國際標準要求，滿足重要設備的標定工作條件，具有很好的推廣價值與應用前景。

[1]JGJ 16-2008 民用建筑電氣設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]全國民用建筑工程設計技術措施[M].北京：中國計劃出版社，2009：5-15.

[3]工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005：280-291.

[4]GB/T 14549-1993電能質量公用電網諧波[S].北京：中國標準出版社，1993.

周巖

畢業于西北建筑工程學院，大學本科，高級工程師，國家注冊電氣工程師，設備室副主任，研究領域：建筑電氣技術。

作者簡介

何珍棟

畢業于北京建筑大學，碩士研究生，工程師，研究領域：建筑電氣、控制理論與控制工程。

Harmonic Treatment Technology for Hospital Power Supply System

Zhou Yan/He Zhendong

The concept of the electric power harmonic pollution and the related international and domestic standards are intraluced briefly,and illustrating power quality problems in power supply system in the hospital,and aimed at purification of power supply quality for the major medical equipment the design ideas and methods are forward,it has good popularization value and application prospect.

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