淺談醫院供配電系統諧波危害及治理

摘要：論文從典型醫療設備工作原理出發(fā)，概述了醫院供配電系統中的諧波源及其特點(diǎn)。對醫療設備所產(chǎn)生諧波對供配電系統的危害，以及配電網(wǎng)中的諧波對醫療設備的危害進(jìn)行了深入分析研究，并總結了諧波治理的主要措施。

關(guān)鍵詞：醫院供配電系統；醫療設備；諧波危害；諧波治理

1.概述

醫院供配電系統是醫院工作的基礎平臺，包含各類(lèi)非線(xiàn)性、時(shí)變性電器設備和醫療設備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用，若不治理，不僅會(huì )影響設備的正常運行，嚴重時(shí)甚至會(huì )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。

2.醫院供配電系統諧波源及其特點(diǎn)

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(lèi)，具有頻譜寬、畸變率高、種類(lèi)雜和數量多等特點(diǎn)。

2.1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(shí)不可避免的產(chǎn)生諧波污染。常見(jiàn)的有CT機、核磁共振儀MRI、直線(xiàn)加速器、x線(xiàn)機、心血管造影機DSA和數字造影儀DSI等。

作為當前醫學(xué)診斷的主要檢查設備，CT機臨床運用十分廣泛，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1X1OHz的交流，最后通過(guò)倍壓整流產(chǎn)生大于30kV的穩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，嚴重時(shí)總諧波畸變率可達30％。

醫學(xué)上的核磁共振儀(MRI)依據“核磁共振"原理，利用磁場(chǎng)與射頻脈沖使人體組織內進(jìn)動(dòng)的氫核(H+)發(fā)生章動(dòng)產(chǎn)生射頻信號，再經(jīng)計算機處理分析釋放的電磁波，來(lái)繪制人體內部的精確立體圖像。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，在醫院腫瘤放射治療領(lǐng)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(xiàn)性脈沖調制器。通過(guò)直流高壓電源對充電變壓器和脈沖形成電容器進(jìn)行諧振充電。在電壓穩定度要求較高時(shí)，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(chǎn)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(shí)性負荷，工作時(shí)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(shí)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(shí)將產(chǎn)生較大諧波，加上x(chóng)光機的瞬時(shí)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J。系統包含成千上萬(wàn)臺計算機和不計其數的網(wǎng)絡(luò )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(chǎn)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、純凈的50Hz交流電，向負載供電。當市電異?；蚬╇娭袛鄷r(shí)，逆變器改由電池提供能量繼續工作，保證無(wú)間斷地給用電設備供電。EPS(EmergencyPowerSystem)在市電正常時(shí)由市電輸出供電，同時(shí)對電池充電，當市電停電或電壓過(guò)低時(shí)則由電池經(jīng)逆變器向負載供電。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％。

2.3電器設備

醫院里的電梯、空調、變頻水泵、照明設備等都將產(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。當多個(gè)熒光燈接成三相四線(xiàn)負載時(shí)，中線(xiàn)上就會(huì )流過(guò)很大的3次諧波電流。大部分醫院均采用變頻空調及風(fēng)機，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。，可見(jiàn)醫院典型設備產(chǎn)生的諧波主要為3次、5次、7次。正是這些設備在運行過(guò)程中產(chǎn)生諧波，使醫院的電能質(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

3醫療設備產(chǎn)生諧波對配電系統危害

3.1對電網(wǎng)的影響

電網(wǎng)中的諧波會(huì )增加系統損耗，使設備發(fā)熱，影響設備使用壽命。此外當并聯(lián)的無(wú)功補償電容器容抗與系統感抗匹配時(shí)，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。當基波頻率為時(shí)，諧振頻率，r可由式(1)計算得出。其中：Js。為電源短路容量；Q為電容器容量。

（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(chǎn)生機械振動(dòng)、噪聲和諧波過(guò)電壓，降低其工作效率。三相感應電動(dòng)機的n次諧波電流大小可通過(guò)式Ia=U。/nf?L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(dòng)機整個(gè)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(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：W、為總諧波渦流損耗；W為額定基波電流的渦流損耗；I。為n次諧波電流；I、為額定基波電流。

3.4對電容器組的影響

在諧波的作用下電容器將過(guò)熱，導致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數較高時(shí)，電容器呈現低阻抗特性，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合也會(huì )構成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路，在諧振情況下諧波電流會(huì )被放大數倍甚至數十倍，最終導致電壓會(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熔斷器熔絲熔斷。

3.5對通信系統的干擾

諧波對通信系統干擾的大小由三個(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)路之間的耦合強度，通信線(xiàn)路對諧波干擾的敏感程度。電網(wǎng)中不平衡諧波電流對通信系統，輕則產(chǎn)生噪聲干擾，降低通信質(zhì)量，重則導致信息丟失，使系統無(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，將嚴重干擾附近通信系統。通常音頻通道的頻率為200~3500Hz,而很多諧波也在這個(gè)范圍，易對臨近的電話(huà)線(xiàn)路產(chǎn)生靜電感應和電磁感應，輕則引起可以察覺(jué)的雜音甚至觸發(fā)電話(huà)響鈴，重則危及設備和操作人員安全。

3.6對繼電保護和電氣測量?jì)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，導致感應型繼電器運動(dòng)過(guò)程來(lái)回擺動(dòng)，機電型繼電器時(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?jì)x表，如電流表、電壓表、功率表都是按工頻正弦波來(lái)設計，對非正弦信號呈現出不同響應特性，當有諧波時(shí)會(huì )產(chǎn)生測量誤差。

4.配電網(wǎng)諧波對醫療設備的危害

4.1對影像類(lèi)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(xiàn)機等醫學(xué)影像設備受諧波干擾時(shí)，其內嵌的電子元件可能會(huì )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。

4.2對監護類(lèi)設備的影響

常見(jiàn)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(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 )造成呼吸機工作失靈，心臟起搏器工作失效，直接危及患者生命安全。

4.3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(lái)的特征各不相同。音頻類(lèi)理療儀器受諧波干擾，輸出信號中將含有雜波，對患者產(chǎn)生電刺激。當對喉、頭部等重要部位進(jìn)行治療時(shí)，將產(chǎn)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(huì )接收并放大輸出系統中的諧波，造成身體局部不適[。

4.4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(shí)能正常工作。而諧波可通過(guò)電磁感應、靜電感應等方式，對計算機網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生干擾，影響系統正常運行。諧波干擾還可使單個(gè)計算機程序運行錯誤、死機或無(wú)故重新啟動(dòng)，當共模干擾中的尖峰干擾幅度達到2~50V,時(shí)間持續數微秒時(shí)，就可引起計算機邏輯錯誤、信息丟失，造成嚴重后果。

5.醫療配電網(wǎng)諧波治理的主要措施

針對諧波產(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)。

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(diǎn)或由高一級電壓的電網(wǎng)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(chǎn)生諧波較多的醫療診斷設備與其他設備分開(kāi)，選用優(yōu)質(zhì)Dyn11型專(zhuān)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。

5.2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(lián)電抗器，抑制其平滑諧波電流；在自關(guān)斷器件構成的變流器中采用PWM技術(shù)使變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較??；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(shù)將多個(gè)波疊加，以消除頻率較低的諧波，但這種裝置復雜，成本較高。

5.3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)和電力系統的諧波流入負載，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(PassivePowerFilter,PPF)是由電容、電感和電阻等無(wú)源元件構成的諧振電路。傳統的諧波抑制和無(wú)功補償方法是將無(wú)源濾波器與需補償的非線(xiàn)性負載并聯(lián)，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(wú)源支路而避免流入電網(wǎng)，在濾除諧波的同時(shí)也適當地補償了無(wú)功功率。

有源濾波器(ActivePowerFilter,APF)主要由諧波和無(wú)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(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償電流的指令信號。跟蹤控制電路再根據檢測電路產(chǎn)生的指令信號，計算出驅動(dòng)信號并作用于補償主電路各開(kāi)關(guān)器件，產(chǎn)生有效的補償電流，達到消除諧波與無(wú)功補償的目的。

混合型有源濾波器(HybridActivePowerFilter,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)功補償方式。

6.醫院有源諧波治理系統解決方案

都是諧波源，比如X光機、CT機等都會(huì )產(chǎn)生大量諧波，諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會(huì )引起繼電保護和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計量出現混亂。對于醫院的精密化驗設備可能會(huì )產(chǎn)生干擾。

為了消除配電系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(wǎng)2~31次諧波干擾。

AnSinI系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測負載的諧波和無(wú)功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當前諧波分量和無(wú)功分量對應的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統，從而實(shí)現諧波治理和無(wú)功補償。

有源諧波治理系統硬件配置方案

 7結束語(yǔ)

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(xiàn)性醫療設備負荷的種類(lèi)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(lái)巨大危害。但醫院供配電系統諧波問(wèn)題一直沒(méi)得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟損失相當巨大。對醫院供配電系統諧波進(jìn)行研究，對改善供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義。

參考文獻：

[1]李志東.醫院供配電系統諧波危害及治理

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2020.06版．

[3]安科瑞用戶(hù)變電站變配電監控解決方案2021.10