淺談醫院供配電係統諧波危害及治理

簡婷

开云体育手机下载教程 201801

摘要：論文從(cong) 典型醫*設備工作原理出發，概述了醫院供配電係統中的諧波源及其特點。對醫*設備所產(chan) 生諧波對供配電係統的危害，以及配電網中的諧波對醫*設備的危害進行了深入分析研究，並總結了諧波治理的主要措施。

關(guan) 鍵詞：醫院供配電係統；醫*設備；諧波危害；諧波治理

1.概述

   醫院供配電係統是醫院工作的基礎平台，包含各類非線性、時變性電器設備和醫*設備。它們(men) 產(chan) 生的諧波相互作用，若不治理，不僅(jin) 會(hui) 影響設備的正常運行，嚴(yan) 重時甚至會(hui) 威脅患者的生命安全，因此對醫院供配電係統諧波及其治理的深入分析研究勢在必行。

2.醫院供配電係統諧波源及其特點

   醫院供配電係統中的諧波源主要可分為(wei) 醫*設備、信息通信設備和電器設備三大類，具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數量多等特點。

2.1醫*設備

   醫院的醫*設備含有大量的電力電子器件，工作時不可避免的產(chan) 生諧波汙染。常見的有CT機、核磁共振儀(yi) MRI、直線加速器、x線機、心血管造影機DSA和數字造影儀(yi) DSI等。

   作為(wei) 當前醫學診斷的主要檢查設備，CT機臨(lin) 床運用十分廣泛，且價(jia) 格十分昂貴。工作時，高頻高壓發生器先將三相交流電整流成直流，再經並聯逆變器逆變為(wei) 頻率高達1X1OHz的交流，後通過倍壓整流產(chan) 生大於(yu) 30kV的穩定高壓給球管兩(liang) 端供電。整個(ge) 工作過程既進行整流又進行逆變，會(hui) 產(chan) 生大量諧波，嚴(yan) 重時總諧波畸變率可達30％。

   醫學上的核磁共振儀(yi) (MRI)依據“核磁共振”原理，利用磁場與(yu) 射頻脈衝(chong) 使人體(ti) 組織內(nei) 進動的氫核(H+)發生章動產(chan) 生射頻信號，再經計算機處理分析釋放的電磁波，來繪製人體(ti) 內(nei) 部的精*立體(ti) 圖像。產(chan) 生核磁共振所需交變磁場和無線電射頻脈衝(chong) 都將帶來諧波汙染，正常工作時MRI的諧波畸變率在20％左右。

   直線加速器是指用微波電磁場加速電子的直線型加速器，在醫院放射治*領域運用較為(wei) 廣泛。所含磁控管和速調管所需的脈衝(chong) 高壓由脈衝(chong) 調製器供給，而脈衝(chong) 調製器一般采用軟管線性脈衝(chong) 調製器。通過直流高壓電源對充電變壓器和脈衝(chong) 形成電容器進行諧振充電。在電壓穩定度要求較高時，調製器還需采用脈衝(chong) 電壓穩定裝置。係統所需高頻電源、直流高壓電源的產(chan) 生和脈衝(chong) 調製器及脈衝(chong) 電壓穩定裝置都將造成諧波汙染，電流總諧波畸變率可達40％～50％。

   x光機為(wei) 典型的瞬時性負荷，工作時電壓可達幾十甚至上百千伏，變壓器原邊將增加6O一70kW的瞬時負荷。x光機的主要部件為(wei) 光球管和高壓整流器。由於(yu) 高壓整流器的整流橋工作時將產(chan) 生較大諧波，加上x光機的瞬時工作特性，使得其諧波畸變率可達30％一50％。

2.2信息通信設備

   為(wei) 了存儲(chu) 海量信息和方便辦公，現在大型醫院基本都建立了醫院信息係統。它功能強大，通常包括醫*信息係統、臨(lin) 床信息係統、視頻視教和遠程醫*等係統J。係統包含成千上萬(wan) 台計算機和不計其數的網絡連接設備，他們(men) 和醫院的視頻監控係統和音頻係統一樣，都將產(chan) 生諧波電流。

   UPS(UninterruptiblePowerSystem)先將市電整流變換成直流電，一路給電池充電，另一路給逆變器供電，將直流電變換成穩壓、穩頻、純淨的50Hz交流電，向負載供電。當市電異常或供電中斷時，逆變器改由電池提供能*繼續工作，保證無間斷地給用電設備供電。EPS(EmergencyPowerSystem)在市電正常時由市電輸出供電，同時對電池充電，當市電停電或電壓過低時則由電池經逆變器向負載供電。EPS和UPS均采用了IGBT技術和PWM技術，進行整流和逆變時都會(hui) 帶來諧波汙染，是不可忽視的諧波源。對大功率UPS來說，如果整流裝置為(wei) 三相全控橋6脈衝(chong) 整流器，總諧波畸變率將近30％40％。

2.3電器設備

   醫院裏的電梯、空調、變頻水泵、照明設備等都將產(chan) 生畸變諧波。如大量使用的熒光燈，會(hui) 引起較大的諧波電流，其中3次諧波為(wei) 高。當多個(ge) 熒光燈接成三相四線負載時，中線上就會(hui) 流過很大的3次諧波電流。大部分醫院均采用變頻空調及風機，而變頻器是典型的諧波源，會(hui) 產(chan) 生大量5次、7次諧波汙染電網。

    醫院配電係統主要諧波源、諧波次數和畸變率情況如表1所示。，可見醫院典型設備產(chan) 生的諧波主要為(wei) 3次、5次、7次。正是這些設備在運行過程中產(chan) 生諧波，使醫院的電能質量受到影響，而受到影響的電能又反過來影響設備的正常使用。

表1醫院配電係統主要諧波源和諧波畸變率情況

3醫*設備產(chan) 生諧波對配電係統危害

3.1對電網的影響

   電網中的諧波會(hui) 增加係統損耗，使設備發熱，影響設備使用壽命。此外當並聯的無功補償(chang) 電容器容抗與(yu) 係統感抗匹配時，將發生n次並聯諧振，造成電容器組的過電壓和過電流。當基波頻率為(wei) 時，諧振頻率，r可由式(1)計算得出。其中：Js。為(wei) 電源短路容量；Q為(wei) 電容器容量。

（1）

3.2對電機的影響

   諧波對電機的主要影響是引起附加損耗，此外還將產(chan) 生機械振動、噪聲和諧波過電壓，降低其工作效率。三相感應電動機的n次諧波電流大小可通過式Ia=U。/nf₁L計算得到。由於(yu) 電壓畸變引起的附加鐵心損耗很小，可以忽略不計。所以感應電動機整個(ge) 諧波損耗即銅耗，其計算公式如式(2)所示。

（2）

3.3對變壓器的影響

   諧波會(hui) 增加變壓器的銅耗、鐵耗和雜散磁通損耗(線圈渦流損耗),可能在變壓器繞阻和線電容之間產(chan) 生諧振，*大變壓器發熱，甚至引起局部嚴(yan) 重過熱，同時使變壓器噪聲*大，減少變壓器的實際使用容量，降低變壓器的使用壽命。諧波電流引起的變壓器總的渦流損耗可由式(3)求出。

（3）

其中：W、為(wei) 總諧波渦流損耗；W為(wei) 額定基波電流的渦流損耗；I。為(wei) n次諧波電流；I、為(wei) 額定基波電流。

3.4對電容器組的影響

    在諧波的作用下電容器將過熱，導致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數較高時，電容器呈現低阻抗特性，流過電容器的電流將變大，使得電容器處在過載的工作情況，縮短使用壽命。諧波往往還會(hui) 使電容器介質損耗增加，其直接後果是額外的發熱和壽命縮短。電容器和電源電感結合也會(hui) 構成並聯或串聯諧振電路，在諧振情況下諧波電流會(hui) 被放大數倍甚至數十倍，終導致電壓會(hui) 大大高於(yu) 電容器的額定電壓值，使電容器損壞炸裂或保護熔斷器熔絲(si) 熔斷。

3.5對通信係統的幹擾

   諧波對通信係統幹擾的大小由三個(ge) 因素綜合決(jue) 定：電力線路諧波電壓和諧波電流大小，電力線路和通信線路之間的耦合強度，通信線路對諧波幹擾的敏*程度。電網中不平衡諧波電流對通信係統，輕則產(chan) 生噪聲幹擾，降低通信質量，重則導致信息丟(diu) 失，使係統無法正常工作。在多個(ge) 中性點接地電網中，如有較大零序分量諧波電流通過中性點流入大地，將嚴(yan) 重幹擾附近通信係統。通常音頻通道的頻率為(wei) 200~3500Hz,而很多諧波也在這個(ge) 範圍，易對臨(lin) 近的電話線路產(chan) 生靜電感應和電磁感應，輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發電話響鈴，重則危及設備和操作人員安全。

3.6對繼電保護和電氣測量儀(yi) 表的影響

    隻要通入諧波有*值和基波相同，就可引起電磁式繼電器誤動作，導致感應型繼電器運動過程來回擺動，機電型繼電器時間延時特性改變，零序電流繼電器不能區分零序電流和次諧波電流，導致誤跳閘。由於(yu) 大多數電氣測量儀(yi) 表，如電流表、電壓表、功率表都是按工頻正弦波來設計，對非正弦信號呈現出不同響應特性，當有諧波時會(hui) 產(chan) 生測量誤差。

4.配電網諧波對醫*設備的危害

4.1對影像類設備的影響

    磁共振成像、螺旋CT掃描儀(yi) 、彩超、心腦電圖機和X線機等醫學影像設備受諧波幹擾時，其內(nei) 嵌的電子元件可能會(hui) 記錄噪聲並改變數據輸出，使顯像管顯示圖象變形失真，成像模糊不清，影響醫*診斷結果。

4.2對監護類設備的影響

   常見的多功能呼吸機、起搏器、心電監護儀(yi) 等直接與(yu) 人體(ti) 接觸的監護設備信號非常微弱，當受到微小諧波幹擾時，將影響儀(yi) 器的正常工作，還可能引起微電擊。如諧波汙染會(hui) 造成呼吸機工作失靈，心髒起搏器工作失效，直接危及患者生命安全。

4.3對*療儀(yi) 器的影響

    醫*係統的*療儀(yi) 器主要分為(wei) 微波、音頻、短波等，受諧波影響表現出來的特征各不相同。音頻類理*療儀(yi) 器受諧波幹擾，輸出信號中將含有雜波，對患者產(chan) 生電刺激。當對喉、頭部等重要部位進行治*時，將產(chan) 生強烈的刺激感，存在嚴(yan) 重安全隱患。短波儀(yi) 器受諧波影響更加敏*，儀(yi) 器會(hui) 接收並放大輸出係統中的諧波，造成身體(ti) 局部不適[。

4.4對醫院計算機的影響

   醫院計算機係統全天不間斷穩定運行，醫*設備配置計算機也要求在設備運行時能正常工作。而諧波可通過電磁感應、靜電感應等方式，對計算機網絡產(chan) 生幹擾，影響係統正常運行。諧波幹擾還可使單個(ge) 計算機程序運行錯誤、死機或無故重新啟動，當共模幹擾中的尖峰幹擾幅度達到2~50V,時間持續數微秒時，就可引起計算機邏輯錯誤、信息丟(diu) 失，造成嚴(yan) 重後果。

5.醫*配電網諧波治理的主要措施

   針對諧波產(chan) 生的特點諧波治理的措施主要有：受端治理、主動治理及被動治理三類。

5.1受端治理措施

   選擇合理的供電方式，將諧波源由較大容量的供電點或由高一*電壓的電網供電,以減小諧波對係統和其他用電設備的影響，並盡量保持負荷的三相平衡；同步電機采用星型連接；變壓器一側(ce) 接成三角形。將產(chan) 生諧波較多的醫*診斷設備與(yu) 其他設備分開，選用優(you) *Dyn11型專(zhuan) 用變壓器為(wei) 這些醫*設備供電；將電容器組的某些支路改為(wei) 濾波器，或限定電容器組的投入容量，以減小電容器對諧波的放大；提高設備性能，提高設備抗諧波幹擾能力。

5.2主動治理措施

    改變諧波源的配置，限製大量產(chan) 生諧波的工作方式，集中具有諧波互補性的裝置；增加變流裝置的相數或脈衝(chong) 數；在整流器之前加裝串聯電抗器，抑*其平滑諧波電流；在自關(guan) 斷器件構成的變流器中采用PWM技術使變流器產(chan) 生的諧波頻率較高、幅值較小；設計或采用高功率因數變流器，如矩陣式變頻器、四象限變流器等；用多重化技術將多個(ge) 波疊加，以消*頻率較低的諧波，但這種裝置複雜，成本較高。

5.3被動治理措施

    被動治理的主要方式是外加濾波裝置，以阻止諧波源產(chan) 生的諧波注入電網和電力係統的諧波流入負載，常用的有無源、有源濾波器和混合型有源濾波器。

   無源濾波器(PassivePowerFilter,PPF)是由電容、電感和電阻等無源元件構成的諧振電路。傳(chuan) 統的諧波抑*和無功補償(chang) 方法是將無源濾波器與(yu) 需補償(chang) 的非線性負載並聯，濾波器對某些諧波頻率諧振形成低阻通路，使相應的諧波電流流入無源支路而避免流入電網，在濾除諧波的同時也適當地補償(chang) 了無功功率。

    有源濾波器(ActivePowerFilter,APF)主要由諧波和無功電流檢測電路、跟蹤控製電路和補償(chang) 主電路構成。檢測電路的主要功能是從(cong) 負載電流中實時分離出諧波電流分量和基波無功電流分量，並將其反相後作為(wei) 補償(chang) 電流的指令信號。跟蹤控製電路再根據檢測電路產(chan) 生的指令信號，計算出驅動信號並作用於(yu) 補償(chang) 主電路各開關(guan) 器件，產(chan) 生有*的補償(chang) 電流，達到消*諧波與(yu) 無功補償(chang) 的目的。

     混合型有源濾波器(HybridActivePowerFilter,HAPF)通過串聯或並聯方式將有源濾波器與(yu) 無源濾波器整合到一起，先用無源濾波器濾除電流較大、含量較高的諧波，再用有源濾波器進行濾波，從(cong) 而降低有源濾波器的容量。它將無源濾波器的低成本和有源濾波器的優(you) 良性能相結合，同時具備了PPF和APF的優(you) 點，是一種有前途的濾波及無功補償(chang) 方式。

6.醫院有源諧波治理係統解決(jue) 方案

    都是諧波源，比如X光機、CT機等都會(hui) 產(chan) 生大量諧波，諧波使電能的生產(chan) 、傳(chuan) 輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產(chan) 生振動和噪聲，並使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力係統局部並聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會(hui) 引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂(luan) 。對於(yu) 醫院的精*化驗設備可能會(hui) 產(chan) 生幹擾。

    為(wei) 了消*配電係統諧波對醫院設備的影響，方案配置AnSinI有源濾波器，濾除電網2~31次諧波幹擾。

    AnSinI係列有源電力濾波裝置，以並聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從(cong) 變流器中產(chan) 生一個(ge) 和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量並實時注入電力係統，從(cong) 而實現諧波治理和無功補償(chang) 。

有源諧波治理係統硬件配置方案

7結束語

    現代醫*設備廣泛采用電力電子變流和控製器件，使醫院非線性醫*設備負荷的種類和數量迅速增加，諧波汙染日趨嚴(yan) 重，給配電係統和醫*設備帶來巨大危害。但醫院供配電係統諧波問題一直沒得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經濟損失相當巨大。對醫院供配電係統諧波進行研究，對改*供電質量，提高電網的安全和經濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義(yi) 。

參考文獻：

[1]李誌東(dong) .醫院供配電係統諧波危害及治理

[2]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2020.06版．

[3]安科瑞用戶變電站變配電監控解決(jue) 方案2021.10

作者介紹

簡婷，开云体育手机下载教程，主要研究方向為(wei) 醫院有源諧波治理係統。