醫院配電系統的諧波分析及治理措施

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摘要：配電網系統中的諧波分量，會降低供電電能質量水平和供電可靠性，會大大影響醫院醫療過程中所使用的各種精密靈敏設備。本文對醫院建筑用電設備產生諧波源、諧波的危害進行了分析，并提出諧波的治理方案。

關鍵詞：醫院；諧波；濾波器

前言

在大型綜合醫院中，隨著現代醫學技術的快速發展，越來越多的醫療設備用于醫療衛生領域，這為醫學研究和臨床診斷工作做出了重大貢獻的同時，也對我們的供電質量提出了更高的要求，一些醫療設備對不合格電能的容許度嚴格到了幾十甚至十幾毫秒。隨著CT機、X光機等晶閘管控制設備和電子控制裝置的廣泛應用，由于這些負載都屬于典型的非線性負載，在運行過程中會產生大量的諧波電流，加劇了電壓和電流波形的畸變，特別是3、5、7、9次奇次諧波注入到電網中，諧波電壓或電流的疊加，易導致電子開關的誤動作、線損增加和絕緣老化，還可以形成諧波的震蕩，危害整個電力系統的安全運行，大大降低了電網供電的可靠性。由于醫院建筑又對供電質量的可靠性要求非常高，因此，熟知諧波的產生及治理，對醫院建筑來說，具有人命關天的作用。

1.醫院建筑配電系統諧波的分析

在電力系統中，諧波產生的根本原因是非線性負載所致。當非線性負載投入運行時，其電壓、電流波形發生了畸變，不是標準的正弦波形，而是不同程度畸變的非正弦波。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波被消除，只有奇次諧波。醫院建筑中，產生奇次諧波源的主要用電設備如下：

（1）泵及通風等電機設備：為了節約能源，大部分醫院均采用變頻水泵、中央空調機組及風機，變頻器是非常重要的諧波源，其總諧波電流畸變率達33%以上，會產生大量的5、7次等諧波污染電網，用于電機調速的單臺變頻裝置，一般都是6脈沖裝置，其諧波電流含有率如下表：

（2）照明設備：現在醫院內部使用的燈具，絕大多數都使用的是各種熒光燈等氣體放電燈。電子整流器的整流電路與高頻逆變電路產生大量的諧波電流；氣體放電燈電弧放電時因具有負阻抗特性也產生大量的諧波電流。常見氣體放電燈諧波電流含量下表2：

（3）電子醫療設備：電子醫療精密儀器是醫生病情診斷分析的重要輔助設備，大大提高了病情的診斷效率和準確率，在醫院建筑中得以大量的使用。醫院內的放射科等大型電子醫療設備一般為開關電源直接供電，這些開關電源設備在使用過程中會產生3、5、7次等諧波注入電網。

（4）計算機及UPS：目前醫院均采用信息化就診、電子病歷、電子院囑及智能化辦公系統。計算機的數量比較多，且服務器等數據的存儲系統必須配置UPS等備用電源。臺式計算機的開關電源及UPS均為諧波源，會產生大量的3、5、7次等諧波。

2.諧波的危害

諧波的危害主要有以下幾方面：

（1）在三相四線制線路中存在諧波電流時，計算中性導體的電流應計入諧波電流的效應。當中性導體電流大于相導體導體電流時，電纜相導體按中性導體電流選擇。當三相平衡系統中存在諧波電流，4芯或5芯電纜中中性導體與相導體材料相同和截面相等時，電纜載流量的降低系數按如下表中的規定確定。因此，諧波電流的存在，在設計選擇電纜時，整個配電系統的電纜的截面需要增加，從而耗費了更多的有色金屬，增加了投資。

（2）對旋轉電動機影響：旋轉電動機中的正序和負序諧波電流分別形成正向和反向的旋轉磁場，使旋轉電動振動力矩和轉速的周期性的變化，從而是機效率降低，發熱增加。加速絕緣老化，縮短使用壽命。

（3）對供電變壓器的影響：由于過大的諧波電流而產生附加損耗，從而引起過熱，使絕緣介質老化加速，導致絕緣損壞。

（4）對并聯補償電容器的影響：電容器容易吸收諧波電流而引起過載發熱，加速電容器的損壞；容易構成諧波諧振，使電容器發熱導致絕緣擊穿的故障。

（5）對配電系統中斷路器的影響：高次諧波含量較高的電流能使斷路器的開斷能力降低，存在嚴重的諧波電流時，某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作。

（6）對通信干擾的影響：諧波通過電容耦合、電磁感應和傳導感應到通信線路上，可能損壞通話的清晰度，觸發電話鈴聲，導致醫院在緊急情況下搶救信息的不暢通。

（7）對繼電保護和自動控制裝置的影響：諧波的存在，繼電器的時間特性會改變，電流繼電器不能區分零序電流和三次諧波，從而導致誤動作。同時，電網的各類保護及自動裝置也會誤動作或拒動，這在微機保護和綜保裝置中表現突出，可能引發區域性的電網崩潰。

（8）對醫療設備及診斷結果的影響：由于高次諧波的存在，操作人員在工作中經常遇到這些先進的醫療儀器和設備出現故障，輕則出現數據差錯、圖像模糊、信息丟失，工作受到干擾。重則硬件突然損壞，軟件遭到沖擊，儀器設備無法繼續正常工作。特別是檢測人體生物電信號的儀器設備，如心電圖機、腦電圖機、心電監護儀、超聲診斷儀等直接接觸人體的儀器設備，由于信號非常的微弱，如果受到干擾，就會在檢測結果如波形、圖形、圖像上疊加一種類似于某些病變的畸變（諧波）造成誤診，同時還會引起微電擊，嚴重時還有生命危險。

3.諧波電壓電流的限制

依據《電能質量 公用電網諧波》（GB/T1459-93），諧波電壓、電流的限制值，見表4、表5。

4.項目概況及供電方案

本項目為三甲綜合醫院擴建的綜合樓，建筑面積約10.9萬平方米，內設有門急診、放射科、檢驗科、手術室、ICU及住院病房等功能科室。其中手術室有24間、CT機房3臺、各種X光機8臺、B超15機臺。根據本項目用電負荷和類別，醫院的中央空調機組、放射科分別設專用變壓器供電，其余照明、醫療設備等設一組變壓器供電。對單臺的CT機、X光機從配電室放射式供電。

5.諧波的治理

諧波治理最常用方法是設計濾波器，濾波器分為：無源濾波、有源濾波器和有源無源組合式濾波器幾種。有源濾波器的性能好，但價格較高；無源濾波器盡管治理效果不如有源濾波器，但是價格優勢明顯；無源+有源組合裝置是二者的有機結合，在治理效果、工作效率等方面都非常明顯有優勢。根據濾波器的安裝位置又可分集中式安裝治理和在單臺設備旁就地治理。

綜上考慮，結合本醫院的供配電方案，采用以下幾種治理方案：（1）照明、普通的醫療設備由于諧波含量較少，在配電系統的變壓器二次側進行無源濾波器集中治理，如圖1所示。（2）中央空調、熱水由于大量采用變頻控制裝置，在專用變壓器二次側采用無源+有源組合進行集中治理，如圖2所示。（3）放射科的各種CT機、X 光機基本上均屬于非線性負載，在專用變壓器二次側采用無源濾波器，再在CT機、X光機的機房電源配電箱處再設有源濾波器進行就地治理，如圖3所示。

6.結束語

通過以上方案的治理，濾除了電網諧波，將諧波電流濾除到國標的限值內，從而改善了電能品質，保證醫療工作的正常運行。提高功率因數，防止電網的串并聯諧振，進而減少了醫療設備的故障，延長設備的使用壽命，提高醫療工作效率。由于濾除了諧波電流和補償了無功電流，使變壓器和線路的電流減少，從而使整個配電系統的損耗降低，節約電能。

參考文獻：

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