醫院供配電系統諧波危害及治理

李志東，龍 燕，劉學義，張小琴

(解放軍后勤工程學院，重慶401311)

醫院供配電系統是醫院工作的基礎平臺，包含各類非線性、時變性電器設備和醫療設備。它們產生的諧波相互作用，若不治理，不僅會影響設備的正常運行，嚴重時甚至會威脅患者的生命安全，因此對醫院供配電系統諧波及其治理的深入分析研究勢在必行[1]。

1 醫院供配電系統諧波源及其特點

醫院供配電系統中的諧波源主要可分為醫療設備、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。

1.1 醫療設備

醫院的醫療設備含有大量的電力電子器件，工作時不可避免的產生諧波污染。常見的有CT機、核磁共振儀MRI、直線加速器、X線機、心血管造影機DSA和數字造影儀DSI等。

作為當前醫學診斷的主要檢查設備，CT機臨床運用十分廣泛，且價格十分昂貴。工作時,高頻高壓發生器先將三相交流電整流成直流，再經并聯逆變器逆變為頻率高達1×104Hz的交流，最后通過倍壓整流產生大于30 kV的穩定高壓給球管兩端供電。整個工作過程既進行整流又進行逆變，會產生大量諧波，嚴重時總諧波畸變率可達30%。

醫學上的核磁共振儀(MRI)依據“核磁共振”原理,利用磁場與射頻脈沖使人體組織內進動的氫核(H+)發生章動產生射頻信號，再經計算機處理分析釋放的電磁波，來繪制人體內部的精確立體圖像。產生核磁共振所需交變磁場和無線電射頻脈沖都將帶來諧波污染，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，在醫院腫瘤放射治療領域運用較為廣泛。所含磁控管和速調管所需的脈沖高壓由脈沖調制器供給，而脈沖調制器一般采用軟管線性脈沖調制器。通過直流高壓電源對充電變壓器和脈沖形成電容器進行諧振充電。在電壓穩定度要求較高時，調制器還需采用脈沖電壓穩定裝置。系統所需高頻電源、直流高壓電源的產生和脈沖調制器及脈沖電壓穩定裝置都將造成諧波污染，電流總諧波畸變率可達40%～50%。

X光機為典型的瞬時性負荷，工作時電壓可達幾十甚至上百千伏,變壓器原邊將增加60～70 kW的瞬時負荷。X光機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將產生較大諧波，加上X光機的瞬時工作特性，使得其諧波畸變率可達30%～50%。

1.2 信息通信設備

為了存儲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系統。它功能強大，通常包括醫療信息系統、臨床信息系統、視頻視教和遠程醫療等系統[2]。系統包含成千上萬臺計算機和不計其數的網絡連接設備，他們和醫院的視頻監控系統和音頻系統一樣，都將產生諧波電流。

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，將直流電變換成穩壓、穩頻、純凈的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量繼續工作，保證無間斷地給用電設備供電。EPS(Emergency Power System)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帶來諧波污染，是不可忽視的諧波源。對大功率UPS來說，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 電器設備

醫院里的電梯、空調、變頻水泵、照明設備等都將產生畸變諧波。如大量使用的熒光燈，會引起較大的諧波電流，其中3次諧波為最高。當多個熒光燈接成三相四線負載時，中線上就會流過很大的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，會產生大量5次、7次諧波污染電網。

醫院配電系統主要諧波源、諧波次數和畸變率情況如表1所示[4-5]，可見醫院典型設備產生的諧波主要為3次、5次、7次。正是這些設備在運行過程中產生諧波，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 醫院配電系統主要諧波源和諧波畸變率情況

2 醫療設備產生諧波對配電系統危害

2.1 對電網的影響

電網中的諧波會增加系統損耗，使設備發熱，影響設備使用壽命。此外當并聯的無功補償電容器容抗Xcn與系統感抗Xsn匹配時即Xsn=Xcn，將發生n次并聯諧振，造成電容器組的過電壓和過電流。當基波頻率為f1時，諧振頻率fr可由式(1)計算得出。其中：Sc為電源短路容量；Qc為電容器容量。

(1)

2.2 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In=Un/nf1L1n計算得到。由于電壓畸變引起的附加鐵心損耗很小，可以忽略不計。所以感應電動機整個諧波損耗即銅耗，其計算公式如式(2)所示。

(2)

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

2.3 對變壓器的影響

諧波會增加變壓器的銅耗、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生諧振，增大變壓器發熱，甚至引起局部嚴重過熱，同時使變壓器噪聲增大，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: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。諧波往往還會使電容器介質損耗增加，其直接后果是額外的發熱和壽命縮短。電容器和電源電感結合也會構成并聯或串聯諧振電路，在諧振情況下諧波電流會被放大數倍甚至數十倍，最終導致電壓會大大高于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熔斷。

2.5 對通信系統的干擾

諧波對通信系統干擾的大小由三個因素綜合決定：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，通信線路對諧波干擾的敏感程度。電網中不平衡諧波電流對通信系統，輕則產生噪聲干擾，降低通信質量，重則導致信息丟失，使系統無法正常工作。在多個中性點接地電網中，如有較大零序分量諧波電流通過中性點流入大地，將嚴重干擾附近通信系統。通常音頻通道的頻率為200～3500 Hz，而很多諧波也在這個范圍，易對臨近的電話線路產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。

2.6 對繼電保護和電氣測量儀表的影響

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。由于大多數電氣測量儀表，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，當有諧波時會產生測量誤差。

3 配電網諧波對醫療設備的危害

3.1 對影像類設備的影響

磁共振成像、螺旋CT掃描儀、彩超、心腦電圖機和X線機等醫學影像設備受諧波干擾時，其內嵌的電子元件可能會記錄噪聲并改變數據輸出，使顯像管顯示圖象變形失真，成像模糊不清，影響醫療診斷結果。

3.2 對監護類設備的影響

常見的多功能呼吸機、起搏器、心電監護儀等直接與人體接觸的監護設備信號非常微弱，當受到微小諧波干擾時，將影響儀器的正常工作，還可能引起微電擊。如諧波污染會造成呼吸機工作失靈，心臟起搏器工作失效，直接危及患者生命安全。

3.3 對理療儀器的影響

醫療系統的理療儀器主要分為微波、音頻、短波等，受諧波影響表現出來的特征各不相同。音頻類理療儀器受諧波干擾，輸出信號中將含有雜波，對患者產生電刺激。當對喉、頭部等重要部位進行治療時，將產生強烈的刺激感，存在嚴重安全隱患。短波儀器受諧波影響更加敏感，儀器會接收并放大輸出系統中的諧波，造成身體局部不適[7]。

3.4 對醫院計算機的影響

醫院計算機系統必須全天不間斷穩定運行，醫療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，對計算機網絡產生干擾，影響系統正常運行。諧波干擾還可使單個計算機程序運行錯誤、死機或無故重新啟動，當共模干擾中的尖峰干擾幅度達到2～50 V，時間持續數微秒時，就可引起計算機邏輯錯誤、信息丟失，造成嚴重后果。

4 醫療配電網諧波治理的主要措施

針對諧波產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[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或由高一級電壓的電網供電 ,以減小諧波對系統和其他用電設備的影響，并盡量保持負荷的三相平衡；同步電機采用星型連接；變壓器一側接成三角形。將產生諧波較多的醫療診斷設備與其他設備分開，選用優質Dyn11 型專用變壓器為這些醫療設備供電；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 ,以減小電容器對諧波的放大；提高設備性能,提高設備抗諧波干擾能力。

4.2 主動治理措施

改變諧波源的配置，限制大量產生諧波的工作方式，集中具有諧波互補性的裝置；增加變流裝置的相數或脈沖數；在整流器之前加裝串聯電抗器,抑制其平滑諧波電流；在自關斷器件構成的變流器中采用PWM技術使變流器產生的諧波頻率較高、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波疊加,以消除頻率較低的諧波,但這種裝置復雜,成本較高。

4.3 被動治理措施

被動治理的主要方式是外加濾波裝置，以阻止諧波源產生的諧波注入電網和電力系統的諧波流入負載，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 (Passive Power Filter, PPF)是由電容、電感和電阻等無源元件構成的諧振電路。傳統的諧波抑制和無功補償方法是將無源濾波器與需補償的非線性負載并聯,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了無功功率。

有源濾波器 (Active Power Filter,APF)主要由諧波和無功電流檢測電路、跟蹤控制電路和補償主電路構成。檢測電路的主要功能是從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,并將其反相后作為補償電流的指令信號。跟蹤控制電路再根據檢測電路產生的指令信號，計算出驅動信號并作用于補償主電路各開關器件,產生有效的補償電流,達到消除諧波與無功補償的目的。

混合型有源濾波器(Hybrid Active Power Filter，HAPF)通過串聯或并聯方式將有源濾波器與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良性能相結合，同時具備了PPF和APF的優點，是一種有前途的濾波及無功補償方式。

5 結束語

現代醫療設備廣泛采用電力電子變流和控制器件，使醫院非線性醫療設備負荷的種類和數量迅速增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統和醫療設備帶來巨大危害。但醫院供配電系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。對醫院供配電系統諧波進行研究，對改善供電質量，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。

[1] 徐天來.醫院配電系統的諧波分析及治理[J].中外醫療，2010,(32):13-14

[2] 歐陽東，陳琪，肖昕宇. 《醫療建筑電氣設計規范》編制概述[J].智能建筑電氣技術，2010,4(3)：2-9

[3] 王燕妮，李傳偉.UPS供電系統在醫療設備上的應用[J].中國醫療器械信息，2010,16(4)：25-29

[4] 陳眾勵，翁曉翔，陳杰甫，等.醫院醫技樓低壓配電系統的諧波狀況初探[J].電力電子技術，2007,41(12)：54-56

[5] 任寶立，劉曉峰.醫院配電系統的諧波治理[J].建筑電氣，2009,27(7)：27-29

[6] 程浩忠，艾芊，張志剛，等.電能質量[M].清華大學出版社，2006

[7] 李燦良，龍燕，魏承志.醫療配電網諧波危害及治理[J].中國儲運,2012,(6):129-131

[8] 張鐵龍，徐公林，桃霞.諧波抑制與濾波器的應用[J].電氣開關，2009,(4):75-78