淺談醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波分析與治理技術(shù)方案

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：文章從諧波治理的危害、治理意義、諧波源組成、諧波治理等方面進(jìn)行了論述。目的在于通過綜合整治電網(wǎng)的諧波，有效地改善醫(yī)院配電系統(tǒng)的安全、可靠、節(jié)能。

關(guān)鍵詞：醫(yī)院；配電系統(tǒng)；諧波治理

0引言

配電系統(tǒng)中存在的諧波成分，會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的電能品質(zhì)下降，從而導(dǎo)致電力供應(yīng)的可靠性下降。在醫(yī)院里，會(huì)對(duì)各種高精度高的醫(yī)療器械儀器產(chǎn)生很大的影響，如發(fā)生攝像系統(tǒng)圖像的干擾，監(jiān)視器出現(xiàn)的花屏、醫(yī)療器械設(shè)備的動(dòng)作不靈敏、傳感器元件的故障等，從而影響到這些精度高醫(yī)療器械設(shè)備的正常工作。因此，本文就諧波對(duì)醫(yī)院配電系統(tǒng)的影響和危害進(jìn)行了分析和討論。提出了一種具有針對(duì)性的控制技術(shù)措施，以達(dá)到降低配電系統(tǒng)諧波成分的目的，從而有效地改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

1配電系統(tǒng)諧波治理意義

1.1控制高次諧波分量

采用無功補(bǔ)償、濾波器等諧波補(bǔ)償后，能夠有效的補(bǔ)償配電系統(tǒng)的諧波、減小諧波等成分，保證配電系統(tǒng)指標(biāo)達(dá)到國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求，從而為醫(yī)院的配電系統(tǒng)和電力設(shè)備，醫(yī)療器械設(shè)備的安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、 、穩(wěn)定地運(yùn)行提供了重要的技術(shù)裝置保證。

1.2提供電能功率因素

采用自動(dòng)消諧濾波器，能有效地降低電網(wǎng)的電壓、電流諧波；此外，采用消諧濾波器，可減少或消除諧波諧振，從而使醫(yī)療器械設(shè)備得到高質(zhì)量、 率、經(jīng)濟(jì)的電力資源，減少因諧波引起的不必要的電力資源損耗。通過多年的實(shí)際工作，我們知道，經(jīng)過對(duì)自動(dòng)調(diào)頻過濾柜等設(shè)備的技術(shù)改造，可以使醫(yī)院配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，在很長一段時(shí)間內(nèi)保持在0.97以上。通過這種方式，既能為醫(yī)技樓的醫(yī)療診斷設(shè)備提供一個(gè)較好的使用條件，又能有效的提高醫(yī)療診斷設(shè)備的綜合使用效率，達(dá)到5%——30%的節(jié)能效果。

1.3改善供電電能品質(zhì)

采用自動(dòng)消諧式過濾器等電網(wǎng)凈化設(shè)備，對(duì)提高醫(yī)院配電系統(tǒng)的電力品質(zhì)具有重要意義。通過過濾配電系統(tǒng)的諧波，對(duì)電網(wǎng)的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，避免了電力系統(tǒng)中的串并聯(lián)共振現(xiàn)象，保證醫(yī)療衛(wèi)生工作的安全、穩(wěn)定、有效的開展。

2電力諧波的危害

普通電力系統(tǒng)的電壓應(yīng)為一個(gè)特定的頻率，并具有一定的幅度。諧波的產(chǎn)生，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的供電系統(tǒng)有影響，并對(duì)電力系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生一定的影響。諧波的危害表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作可靠性

在電磁繼電器中，由于電力諧波的存在，往往會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置設(shè)備的誤動(dòng)作、不能正常工作，從而影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2對(duì)動(dòng)力設(shè)備的影響

諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為：電動(dòng)機(jī)的工作效率下降、使用壽命縮短（受影響設(shè)備有供暖、供水、中央空調(diào)、電梯等）。此外，3次諧波在導(dǎo)線上流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)線長期過熱，造成絕緣老化后引起著火。

3醫(yī)療行業(yè)諧波治理需求分析

醫(yī)療器械設(shè)備的發(fā)展，是醫(yī)院的一個(gè)重要標(biāo)志，也是醫(yī)院先進(jìn)技術(shù)的一個(gè)重要標(biāo)志?，F(xiàn)代醫(yī)院不斷引進(jìn)先進(jìn)的電子醫(yī)療體系，不斷的改善醫(yī)療質(zhì)量。諧波干擾是當(dāng)前醫(yī)院建設(shè)中亟待解決的問題。醫(yī)院的建設(shè)，管理，電氣工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，在今后的發(fā)展中都要加以重視。

由于電力電子設(shè)備自身的功率和效率的提高，使得電網(wǎng)中的諧波干擾和反串現(xiàn)象越來越突出。諧波不但會(huì)使電網(wǎng)的供電質(zhì)量下降，而且會(huì)對(duì)醫(yī)療器械設(shè)備、用電裝置設(shè)備造成故障，造成誤動(dòng)作、擊穿電容器、對(duì)小型設(shè)備儀器的電源模塊造成干擾。因此，電網(wǎng)的諧波問題是一個(gè)不可忽略的問題。

4醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波源分析

4.1醫(yī)院配電系統(tǒng)負(fù)荷主要特征

醫(yī)院作為一種特殊的服務(wù)場(chǎng)所，其醫(yī)療器械設(shè)備的種類、數(shù)量、人員的流動(dòng)性、供電可靠性、節(jié)能經(jīng)濟(jì)性等都有很大的影響。如果出現(xiàn)停電、供電不足等問題，對(duì)患者的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)造成 大的影響甚至?xí)斐墒中g(shù)等無法正常進(jìn)行，造成嚴(yán)重的后果。在醫(yī)院配電系統(tǒng)中，一般采用10/0.4千伏主變壓器（兩路電源），其主要的非線性負(fù)荷有：醫(yī)療器械設(shè)備、節(jié)能照明設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備、計(jì)算機(jī)、 UPS應(yīng)急電源系統(tǒng)等，這些電力負(fù)荷大多為單相非線性負(fù)荷，所產(chǎn)生的諧波成分會(huì)被注入到配電系統(tǒng)，從而污染電力網(wǎng)絡(luò)。

4.2醫(yī)院配電系統(tǒng)中的主要諧波源

通過對(duì)醫(yī)院配電系統(tǒng)的大量測(cè)試和分析，得出結(jié)論：通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備，是醫(yī)院配電系統(tǒng)中的諧波源。如醫(yī)院照明系統(tǒng)中，使用大量的節(jié)能型熒光燈，這些熒光燈在運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，對(duì)配電網(wǎng)造成一定的污染。采用三相四線供電的多盞節(jié)能燈，在三相四線負(fù)荷運(yùn)行的情況下，三相三次諧波對(duì)醫(yī)院配電系統(tǒng)造成嚴(yán)重的污染。醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備中有大量的電力電子元器件，這些醫(yī)療設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的諧波，造成電網(wǎng)污染。比較常見的設(shè)備有MRI（核磁共振）、CT機(jī)、X線機(jī)等。其中，MRI工作時(shí)會(huì)生成射頻脈沖和交變磁場(chǎng)來產(chǎn)生核磁共振，而射頻脈沖和交變磁場(chǎng)都會(huì)帶來諧波污染；X光機(jī)中高壓整流器的整流橋工作時(shí)將產(chǎn)生較大諧波，而且X光機(jī)為瞬時(shí)性負(fù)荷，工作時(shí)電壓可達(dá)百千伏，變壓器的負(fù)載將增加60~70kw的瞬時(shí)負(fù)荷，也會(huì)增加電網(wǎng)諧波。

5醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波綜合治理方案

醫(yī)院配電網(wǎng)的諧波治理的總體目標(biāo)是：電網(wǎng)的總諧波 THDI (3%，電源功率因數(shù)cosφ)0.95。

5.1采用串聯(lián)電抗器

該裝置以串聯(lián)電抗器為核心，對(duì)諧振進(jìn)行控制，并對(duì)電容進(jìn)行保護(hù)，以達(dá)到安全補(bǔ)償。但是，這種諧波治理方法，在諧波處理方面，卻是束手無策，而且諧波治理的效果也不是很好，所以，在醫(yī)院配電系統(tǒng)的諧波治理中，很難取得較好的效果。

5.2采用無源調(diào)諧式濾波器進(jìn)行濾波補(bǔ)償

在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用無源調(diào)諧式濾波器，其阻抗率可分為5.67%、7%和14%三大類。其中，具有5.67%電抗系數(shù)的調(diào)諧電容器，具有210Hz的單調(diào)諧振頻率，它的主要作用是能吸收50%以上電力裝置的5次諧波；具有7%電抗系數(shù)的調(diào)諧電容器，具有189 Hz的單調(diào)諧振頻率，其主要作用是吸收電力裝置20%以上的5次諧波和少量7次諧波；而具有14%電抗系數(shù)的調(diào)諧電容，其單調(diào)諧振頻率為133 Hz，其主要作用是對(duì)3次諧波的控制。該方法利用無源調(diào)諧式濾波器對(duì)電網(wǎng)的電容無功進(jìn)行補(bǔ)償，取得了很好的濾波效果。這種方法更經(jīng)濟(jì)、更具性價(jià)比，但僅適用于低諧波的情況。

5.3采用有源濾波器

有源濾波器用于電網(wǎng)的諧波濾波及無功補(bǔ)償，能滿足電網(wǎng)的諧波治理和無功補(bǔ)償需求，但是，無功補(bǔ)償?shù)臒o功功率消耗了有源濾波器的容量，而且其費(fèi)用也比電容高，因而很少用于實(shí)際工程中。

5.4混合濾波補(bǔ)償方案

在醫(yī)院配電系統(tǒng)中，將有源濾波器+無源調(diào)諧式濾波器、無功補(bǔ)償?shù)姆椒ńY(jié)合起來，既能保證無功的安全，又能完quan消除電網(wǎng)的諧波成分，節(jié)約能源，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.5采用無功補(bǔ)償方案

通過對(duì)靜態(tài)無功補(bǔ)償（SvC)、靜態(tài)無功產(chǎn)生（SvG）進(jìn)行補(bǔ)償，并與在線無功補(bǔ)償系統(tǒng)相結(jié)合，能夠根據(jù)醫(yī)院配電系統(tǒng)的具體狀況，動(dòng)態(tài)的進(jìn)行補(bǔ)償，從而吸收高次諧波，降低電壓閃點(diǎn)，從而有效地改善電網(wǎng)的供電可靠性和供電品質(zhì)。

5.6諧波治理設(shè)備的選擇

對(duì)于已投入使用的醫(yī)院，可以根據(jù)實(shí)際情況來確定過濾裝置的容量。對(duì)正在建設(shè)的醫(yī)院大樓，根據(jù)以下方法計(jì)算出諧波電流，選擇合適的濾波裝置。

a.現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)償：根據(jù)用電設(shè)備的工作電流乘以諧波失真率，可以得到有效的諧波電流，并選用三線濾波電路。

b.在不使用現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)償?shù)那闆r下，僅使用集中的方式，將醫(yī)療器械設(shè)備與其它電器設(shè)備相結(jié)合，可使失真率增加至20%。

由于有源濾波器的輸出電壓隨系統(tǒng)的諧波而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，不存在過補(bǔ)償問題；此外，該濾波器還具有過載保護(hù)的特性，而無需考慮過負(fù)載問題。

6安科瑞醫(yī)院EMS能效管理系統(tǒng)

6.1平臺(tái)拓?fù)鋱D

6.2醫(yī)院電力監(jiān)控解決方案

電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器、柴油發(fā)電機(jī)、斷路器以及其它重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量、記錄、報(bào)警等功能，并與保護(hù)設(shè)備和遠(yuǎn)方控制及其他設(shè)備通信，實(shí)時(shí)掌握供電系統(tǒng)運(yùn)行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高醫(yī)院供電可靠性。

電力監(jiān)控系統(tǒng)主要針對(duì)開閉所和10/0.4kV變電所，對(duì)高壓回路配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，對(duì)0.4kV出線配置多功能計(jì)量儀表，用于測(cè)控出線回路電氣參數(shù)和用能情況。同時(shí)對(duì)醫(yī)院重要設(shè)備如柴油發(fā)電機(jī)、無功補(bǔ)償裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置

7結(jié)束語

在醫(yī)院配電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)中， 加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)的諧波處理，并采取適當(dāng)?shù)闹C波處理措施，以達(dá)到減少電網(wǎng)損耗的目的，保證醫(yī)院配電系統(tǒng)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)、 的運(yùn)行和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波治理技術(shù)方案 劉華金

[2] 程杰. 醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波分析及治理研究[J]. 中國設(shè)備工程,2022(1):214-216.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2020.06版．

[4]安科瑞用戶變電站變配電監(jiān)控解決方案2021.10

作者簡(jiǎn)介：

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。