醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波危害及治理

李志東，龍 燕，劉學(xué)義，張小琴

(解放軍后勤工程學(xué)院，重慶401311)

醫(yī)院供配電系統(tǒng)是醫(yī)院工作的基礎(chǔ)平臺(tái)，包含各類(lèi)非線(xiàn)性、時(shí)變性電器設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用，若不治理，不僅會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){患者的生命安全，因此對(duì)醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波及其治理的深入分析研究勢(shì)在必行[1]。

1 醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波源及其特點(diǎn)

醫(yī)院供配電系統(tǒng)中的諧波源主要可分為醫(yī)療設(shè)備、信息通信設(shè)備和電器設(shè)備三大類(lèi)，具有頻譜寬、畸變率高、種類(lèi)雜和數(shù)量多等特點(diǎn)。

1.1 醫(yī)療設(shè)備

醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備含有大量的電力電子器件，工作時(shí)不可避免的產(chǎn)生諧波污染。常見(jiàn)的有CT機(jī)、核磁共振儀MRI、直線(xiàn)加速器、X線(xiàn)機(jī)、心血管造影機(jī)DSA和數(shù)字造影儀DSI等。

作為當(dāng)前醫(yī)學(xué)診斷的主要檢查設(shè)備，CT機(jī)臨床運(yùn)用十分廣泛，且價(jià)格十分昂貴。工作時(shí),高頻高壓發(fā)生器先將三相交流電整流成直流，再經(jīng)并聯(lián)逆變器逆變?yōu)轭l率高達(dá)1×104Hz的交流，最后通過(guò)倍壓整流產(chǎn)生大于30 kV的穩(wěn)定高壓給球管兩端供電。整個(gè)工作過(guò)程既進(jìn)行整流又進(jìn)行逆變，會(huì)產(chǎn)生大量諧波，嚴(yán)重時(shí)總諧波畸變率可達(dá)30%。

醫(yī)學(xué)上的核磁共振儀(MRI)依據(jù)“核磁共振”原理,利用磁場(chǎng)與射頻脈沖使人體組織內(nèi)進(jìn)動(dòng)的氫核(H+)發(fā)生章動(dòng)產(chǎn)生射頻信號(hào)，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理分析釋放的電磁波，來(lái)繪制人體內(nèi)部的精確立體圖像。產(chǎn)生核磁共振所需交變磁場(chǎng)和無(wú)線(xiàn)電射頻脈沖都將帶來(lái)諧波污染，正常工作時(shí)MRI的諧波畸變率在20%左右。

直線(xiàn)加速器是指用微波電磁場(chǎng)加速電子的直線(xiàn)型加速器，在醫(yī)院腫瘤放射治療領(lǐng)域運(yùn)用較為廣泛。所含磁控管和速調(diào)管所需的脈沖高壓由脈沖調(diào)制器供給，而脈沖調(diào)制器一般采用軟管線(xiàn)性脈沖調(diào)制器。通過(guò)直流高壓電源對(duì)充電變壓器和脈沖形成電容器進(jìn)行諧振充電。在電壓穩(wěn)定度要求較高時(shí)，調(diào)制器還需采用脈沖電壓穩(wěn)定裝置。系統(tǒng)所需高頻電源、直流高壓電源的產(chǎn)生和脈沖調(diào)制器及脈沖電壓穩(wěn)定裝置都將造成諧波污染，電流總諧波畸變率可達(dá)40%～50%。

X光機(jī)為典型的瞬時(shí)性負(fù)荷，工作時(shí)電壓可達(dá)幾十甚至上百千伏,變壓器原邊將增加60～70 kW的瞬時(shí)負(fù)荷。X光機(jī)的主要部件為光球管和高壓整流器。由于高壓整流器的整流橋工作時(shí)將產(chǎn)生較大諧波，加上X光機(jī)的瞬時(shí)工作特性，使得其諧波畸變率可達(dá)30%～50%。

1.2 信息通信設(shè)備

為了存儲(chǔ)海量信息和方便辦公，現(xiàn)在大型醫(yī)院基本都建立了醫(yī)院信息系統(tǒng)。它功能強(qiáng)大，通常包括醫(yī)療信息系統(tǒng)、臨床信息系統(tǒng)、視頻視教和遠(yuǎn)程醫(yī)療等系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)包含成千上萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)和不計(jì)其數(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，他們和醫(yī)院的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)一樣，都將產(chǎn)生諧波電流。

UPS(Uninterruptible Power System)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(wěn)壓、穩(wěn)頻、純凈的50Hz交流電，向負(fù)載供電。當(dāng)市電異常或供電中斷時(shí)，逆變器改由電池提供能量繼續(xù)工作，保證無(wú)間斷地給用電設(shè)備供電。EPS(Emergency Power System)在市電正常時(shí)由市電輸出供電，同時(shí)對(duì)電池充電，當(dāng)市電停電或電壓過(guò)低時(shí)則由電池經(jīng)逆變器向負(fù)載供電。EPS和UPS均采用了IGBT技術(shù)和PWM技術(shù)，進(jìn)行整流和逆變時(shí)都會(huì)帶來(lái)諧波污染，是不可忽視的諧波源。對(duì)大功率UPS來(lái)說(shuō)，如果整流裝置為三相全控橋6脈沖整流器，總諧波畸變率將近30%～40%[3]。

1.3 電器設(shè)備

醫(yī)院里的電梯、空調(diào)、變頻水泵、照明設(shè)備等都將產(chǎn)生畸變諧波。如大量使用的熒光燈，會(huì)引起較大的諧波電流，其中3次諧波為最高。當(dāng)多個(gè)熒光燈接成三相四線(xiàn)負(fù)載時(shí)，中線(xiàn)上就會(huì)流過(guò)很大的3次諧波電流。大部分醫(yī)院均采用變頻空調(diào)及風(fēng)機(jī)，而變頻器是典型的諧波源，會(huì)產(chǎn)生大量5次、7次諧波污染電網(wǎng)。

醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源、諧波次數(shù)和畸變率情況如表1所示[4-5]，可見(jiàn)醫(yī)院典型設(shè)備產(chǎn)生的諧波主要為3次、5次、7次。正是這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生諧波，使醫(yī)院的電能質(zhì)量受到影響，而受到影響的電能又反過(guò)來(lái)影響設(shè)備的正常使用。

表1 醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源和諧波畸變率情況

2 醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生諧波對(duì)配電系統(tǒng)危害

2.1 對(duì)電網(wǎng)的影響

電網(wǎng)中的諧波會(huì)增加系統(tǒng)損耗，使設(shè)備發(fā)熱，影響設(shè)備使用壽命。此外當(dāng)并聯(lián)的無(wú)功補(bǔ)償電容器容抗Xcn與系統(tǒng)感抗Xsn匹配時(shí)即Xsn=Xcn，將發(fā)生n次并聯(lián)諧振，造成電容器組的過(guò)電壓和過(guò)電流。當(dāng)基波頻率為f1時(shí)，諧振頻率fr可由式(1)計(jì)算得出。其中：Sc為電源短路容量；Qc為電容器容量。

(1)

2.2 對(duì)電機(jī)的影響

諧波對(duì)電機(jī)的主要影響是引起附加損耗，此外還將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和諧波過(guò)電壓，降低其工作效率。三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的n次諧波電流大小可通過(guò)式In=Un/nf1L1n計(jì)算得到。由于電壓畸變引起的附加鐵心損耗很小，可以忽略不計(jì)。所以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)整個(gè)諧波損耗即銅耗，其計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

其中，n為諧波次數(shù)；R1為基波電阻；f1為基波頻率；L1為定子和轉(zhuǎn)子的外泄漏電感；Un為n次諧波電壓。

2.3 對(duì)變壓器的影響

諧波會(huì)增加變壓器的銅耗、鐵耗和雜散磁通損耗(線(xiàn)圈渦流損耗)，可能在變壓器繞阻和線(xiàn)電容之間產(chǎn)生諧振，增大變壓器發(fā)熱，甚至引起局部嚴(yán)重過(guò)熱，同時(shí)使變壓器噪聲增大，減少變壓器的實(shí)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:Wx為總諧波渦流損耗;W為額定基波電流的渦流損耗;In為n次諧波電流;IN為額定基波電流[6]。

2.4 對(duì)電容器組的影響

在諧波的作用下電容器將過(guò)熱，導(dǎo)致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當(dāng)諧波次數(shù)較高時(shí)，電容器呈現(xiàn)低阻抗特性，流過(guò)電容器的電流將變大，使得電容器處在過(guò)載的工作情況，縮短使用壽命。諧波往往還會(huì)使電容器介質(zhì)損耗增加，其直接后果是額外的發(fā)熱和壽命縮短。電容器和電源電感結(jié)合也會(huì)構(gòu)成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路，在諧振情況下諧波電流會(huì)被放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，最終導(dǎo)致電壓會(huì)大大高于電容器的額定電壓值,使電容器損壞炸裂或保護(hù)熔斷器熔絲熔斷。

2.5 對(duì)通信系統(tǒng)的干擾

諧波對(duì)通信系統(tǒng)干擾的大小由三個(gè)因素綜合決定：電力線(xiàn)路諧波電壓和諧波電流大小，電力線(xiàn)路和通信線(xiàn)路之間的耦合強(qiáng)度，通信線(xiàn)路對(duì)諧波干擾的敏感程度。電網(wǎng)中不平衡諧波電流對(duì)通信系統(tǒng)，輕則產(chǎn)生噪聲干擾，降低通信質(zhì)量，重則導(dǎo)致信息丟失，使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。在多個(gè)中性點(diǎn)接地電網(wǎng)中，如有較大零序分量諧波電流通過(guò)中性點(diǎn)流入大地，將嚴(yán)重干擾附近通信系統(tǒng)。通常音頻通道的頻率為200～3500 Hz，而很多諧波也在這個(gè)范圍，易對(duì)臨近的電話(huà)線(xiàn)路產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，輕則引起可以察覺(jué)的雜音甚至觸發(fā)電話(huà)響鈴，重則危及設(shè)備和操作人員安全。

2.6 對(duì)繼電保護(hù)和電氣測(cè)量?jī)x表的影響

只要通入諧波有效值和基波相同，就可引起電磁式繼電器誤動(dòng)作，導(dǎo)致感應(yīng)型繼電器運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)回?cái)[動(dòng)，機(jī)電型繼電器時(shí)間延時(shí)特性改變，零序電流繼電器不能區(qū)分零序電流和次諧波電流，導(dǎo)致誤跳閘。由于大多數(shù)電氣測(cè)量?jī)x表，如電流表、電壓表、功率表都是按工頻正弦波來(lái)設(shè)計(jì)，對(duì)非正弦信號(hào)呈現(xiàn)出不同響應(yīng)特性，當(dāng)有諧波時(shí)會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。

3 配電網(wǎng)諧波對(duì)醫(yī)療設(shè)備的危害

3.1 對(duì)影像類(lèi)設(shè)備的影響

磁共振成像、螺旋CT掃描儀、彩超、心腦電圖機(jī)和X線(xiàn)機(jī)等醫(yī)學(xué)影像設(shè)備受諧波干擾時(shí)，其內(nèi)嵌的電子元件可能會(huì)記錄噪聲并改變數(shù)據(jù)輸出，使顯像管顯示圖象變形失真，成像模糊不清，影響醫(yī)療診斷結(jié)果。

3.2 對(duì)監(jiān)護(hù)類(lèi)設(shè)備的影響

常見(jiàn)的多功能呼吸機(jī)、起搏器、心電監(jiān)護(hù)儀等直接與人體接觸的監(jiān)護(hù)設(shè)備信號(hào)非常微弱，當(dāng)受到微小諧波干擾時(shí)，將影響儀器的正常工作，還可能引起微電擊。如諧波污染會(huì)造成呼吸機(jī)工作失靈，心臟起搏器工作失效，直接危及患者生命安全。

3.3 對(duì)理療儀器的影響

醫(yī)療系統(tǒng)的理療儀器主要分為微波、音頻、短波等，受諧波影響表現(xiàn)出來(lái)的特征各不相同。音頻類(lèi)理療儀器受諧波干擾，輸出信號(hào)中將含有雜波，對(duì)患者產(chǎn)生電刺激。當(dāng)對(duì)喉、頭部等重要部位進(jìn)行治療時(shí)，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激感，存在嚴(yán)重安全隱患。短波儀器受諧波影響更加敏感，儀器會(huì)接收并放大輸出系統(tǒng)中的諧波，造成身體局部不適[7]。

3.4 對(duì)醫(yī)院計(jì)算機(jī)的影響

醫(yī)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須全天不間斷穩(wěn)定運(yùn)行，醫(yī)療設(shè)備配置計(jì)算機(jī)也要求在設(shè)備運(yùn)行時(shí)能正常工作。而諧波可通過(guò)電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)等方式，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。諧波干擾還可使單個(gè)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行錯(cuò)誤、死機(jī)或無(wú)故重新啟動(dòng)，當(dāng)共模干擾中的尖峰干擾幅度達(dá)到2～50 V，時(shí)間持續(xù)數(shù)微秒時(shí)，就可引起計(jì)算機(jī)邏輯錯(cuò)誤、信息丟失，造成嚴(yán)重后果。

4 醫(yī)療配電網(wǎng)諧波治理的主要措施

針對(duì)諧波產(chǎn)生的特點(diǎn)諧波治理的措施主要有：受端治理、主動(dòng)治理及被動(dòng)治理三類(lèi)[8]。

4.1 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(diǎn)或由高一級(jí)電壓的電網(wǎng)供電 ,以減小諧波對(duì)系統(tǒng)和其他用電設(shè)備的影響，并盡量保持負(fù)荷的三相平衡；同步電機(jī)采用星型連接；變壓器一側(cè)接成三角形。將產(chǎn)生諧波較多的醫(yī)療診斷設(shè)備與其他設(shè)備分開(kāi)，選用優(yōu)質(zhì)Dyn11 型專(zhuān)用變壓器為這些醫(yī)療設(shè)備供電；將電容器組的某些支路改為濾波器,或限定電容器組的投入容量 ,以減小電容器對(duì)諧波的放大；提高設(shè)備性能,提高設(shè)備抗諧波干擾能力。

4.2 主動(dòng)治理措施

改變諧波源的配置，限制大量產(chǎn)生諧波的工作方式，集中具有諧波互補(bǔ)性的裝置；增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)；在整流器之前加裝串聯(lián)電抗器,抑制其平滑諧波電流；在自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器中采用PWM技術(shù)使變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小；設(shè)計(jì)或采用高功率因數(shù)變流器，如矩陣式變頻器、四象限變流器等；用多重化技術(shù)將多個(gè)波疊加,以消除頻率較低的諧波,但這種裝置復(fù)雜,成本較高。

4.3 被動(dòng)治理措施

被動(dòng)治理的主要方式是外加濾波裝置，以阻止諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載，常用的有無(wú)源、有源濾波器和混合型有源濾波器。

無(wú)源濾波器 (Passive Power Filter, PPF)是由電容、電感和電阻等無(wú)源元件構(gòu)成的諧振電路。傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法是將無(wú)源濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€(xiàn)性負(fù)載并聯(lián),濾波器對(duì)某些諧波頻率諧振形成低阻通路,使相應(yīng)的諧波電流流入無(wú)源支路而避免流入電網(wǎng),在濾除諧波的同時(shí)也適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償了無(wú)功功率。

有源濾波器 (Active Power Filter,APF)主要由諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路、跟蹤控制電路和補(bǔ)償主電路構(gòu)成。檢測(cè)電路的主要功能是從負(fù)載電流中實(shí)時(shí)分離出諧波電流分量和基波無(wú)功電流分量,并將其反相后作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。跟蹤控制電路再根據(jù)檢測(cè)電路產(chǎn)生的指令信號(hào)，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)信號(hào)并作用于補(bǔ)償主電路各開(kāi)關(guān)器件,產(chǎn)生有效的補(bǔ)償電流,達(dá)到消除諧波與無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

混合型有源濾波器(Hybrid Active Power Filter，HAPF)通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)方式將有源濾波器與無(wú)源濾波器整合到一起，先用無(wú)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(jìn)行濾波，從而降低有源濾波器的容量。它將無(wú)源濾波器的低成本和有源濾波器的優(yōu)良性能相結(jié)合，同時(shí)具備了PPF和APF的優(yōu)點(diǎn)，是一種有前途的濾波及無(wú)功補(bǔ)償方式。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備廣泛采用電力電子變流和控制器件，使醫(yī)院非線(xiàn)性醫(yī)療設(shè)備負(fù)荷的種類(lèi)和數(shù)量迅速增加，諧波污染日趨嚴(yán)重，給配電系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備帶來(lái)巨大危害。但醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波問(wèn)題一直沒(méi)得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設(shè)備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)巨大。對(duì)醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波進(jìn)行研究，對(duì)改善供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障設(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義。

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