淺談醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波分析與治理技術(shù)方案

發(fā)布時間： 2024-09-24　　點擊次數(shù)： 118次

安科瑞陳聰

摘要：文章從諧波治理的危害、治理意義、諧波源組成、諧波治理等方面進行了論述。目的在于通過綜合整治電網(wǎng)的諧波，有效地改善醫(yī)院配電系統(tǒng)的安全、可靠、節(jié)能。

關(guān)鍵詞：醫(yī)院；配電系統(tǒng)；諧波治理

0引言

配電系統(tǒng)中存在的諧波成分，會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的電能品質(zhì)下降，從而導(dǎo)致電力供應(yīng)的可靠性下降。在醫(yī)院里，會對各種高精度高的醫(yī)療器械儀器產(chǎn)生很大的影響，如發(fā)生攝像系統(tǒng)圖像的干擾，監(jiān)視器出現(xiàn)的花屏、醫(yī)療器械設(shè)備的動作不靈敏、傳感器元件的故障等，從而影響到這些精度高醫(yī)療器械設(shè)備的正常工作。因此，本文就諧波對醫(yī)院配電系統(tǒng)的影響和危害進行了分析和討論。提出了一種具有針對性的控制技術(shù)措施，以達到降低配電系統(tǒng)諧波成分的目的，從而有效地改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

1配電系統(tǒng)諧波治理意義

1.1控制高次諧波分量

采用無功補償、濾波器等諧波補償后，能夠有效的補償配電系統(tǒng)的諧波、減小諧波等成分，保證配電系統(tǒng)指標(biāo)達到國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求，從而為醫(yī)院的配電系統(tǒng)和電力設(shè)備，醫(yī)療器械設(shè)備的安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟、、穩(wěn)定地運行提供了重要的技術(shù)裝置保證。

1.2提供電能功率因素

采用自動消諧濾波器，能有效地降低電網(wǎng)的電壓、電流諧波；此外，采用消諧濾波器，可減少或消除諧波諧振，從而使醫(yī)療器械設(shè)備得到高質(zhì)量、率、經(jīng)濟的電力資源，減少因諧波引起的不必要的電力資源損耗。通過多年的實際工作，我們知道，經(jīng)過對自動調(diào)頻過濾柜等設(shè)備的技術(shù)改造，可以使醫(yī)院配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，在很長一段時間內(nèi)保持在0.97以上。通過這種方式，既能為醫(yī)技樓的醫(yī)療診斷設(shè)備提供一個較好的使用條件，又能有效的提高醫(yī)療診斷設(shè)備的綜合使用效率，達到5%——30%的節(jié)能效果。

1.3改善供電電能品質(zhì)

采用自動消諧式過濾器等電網(wǎng)凈化設(shè)備，對提高醫(yī)院配電系統(tǒng)的電力品質(zhì)具有重要意義。通過過濾配電系統(tǒng)的諧波，對電網(wǎng)的功率因數(shù)進行補償，避免了電力系統(tǒng)中的串并聯(lián)共振現(xiàn)象，保證醫(yī)療衛(wèi)生工作的安全、穩(wěn)定、有效的開展。

2電力諧波的危害

普通電力系統(tǒng)的電壓應(yīng)為一個特定的頻率，并具有一定的幅度。諧波的產(chǎn)生，會對電力系統(tǒng)的供電系統(tǒng)有影響，并對電力系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生一定的影響。諧波的危害表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性

在電磁繼電器中，由于電力諧波的存在，往往會導(dǎo)致繼電保護裝置設(shè)備的誤動作、不能正常工作，從而影響到系統(tǒng)的正常運行。

2.2對動力設(shè)備的影響

諧波對電動機產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為：電動機的工作效率下降、使用壽命縮短（受影響設(shè)備有供暖、供水、中央空調(diào)、電梯等）。此外，3次諧波在導(dǎo)線上流動時，導(dǎo)線長期過熱，造成絕緣老化后引起著火。

3醫(yī)療行業(yè)諧波治理需求分析

醫(yī)療器械設(shè)備的發(fā)展，是醫(yī)院的一個重要標(biāo)志，也是醫(yī)院先進技術(shù)的一個重要標(biāo)志?，F(xiàn)代醫(yī)院不斷引進先進的電子醫(yī)療體系，不斷的改善醫(yī)療質(zhì)量。諧波干擾是當(dāng)前醫(yī)院建設(shè)中亟待解決的問題。醫(yī)院的建設(shè)，管理，電氣工程項目的設(shè)計，在今后的發(fā)展中都要加以重視。

由于電力電子設(shè)備自身的功率和效率的提高，使得電網(wǎng)中的諧波干擾和反串現(xiàn)象越來越突出。諧波不但會使電網(wǎng)的供電質(zhì)量下降，而且會對醫(yī)療器械設(shè)備、用電裝置設(shè)備造成故障，造成誤動作、擊穿電容器、對小型設(shè)備儀器的電源模塊造成干擾。因此，電網(wǎng)的諧波問題是一個不可忽略的問題。

4醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波源分析

4.1醫(yī)院配電系統(tǒng)負荷主要特征

醫(yī)院作為一種特殊的服務(wù)場所，其醫(yī)療器械設(shè)備的種類、數(shù)量、人員的流動性、供電可靠性、節(jié)能經(jīng)濟性等都有很大的影響。如果出現(xiàn)停電、供電不足等問題，對患者的經(jīng)濟、社會造成大的影響甚至?xí)斐墒中g(shù)等無法正常進行，造成嚴(yán)重的后果。在醫(yī)院配電系統(tǒng)中，一般采用10/0.4千伏主變壓器（兩路電源），其主要的非線性負荷有：醫(yī)療器械設(shè)備、節(jié)能照明設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備、計算機、 UPS應(yīng)急電源系統(tǒng)等，這些電力負荷大多為單相非線性負荷，所產(chǎn)生的諧波成分會被注入到配電系統(tǒng)，從而污染電力網(wǎng)絡(luò)。

4.2醫(yī)院配電系統(tǒng)中的主要諧波源

通過對醫(yī)院配電系統(tǒng)的大量測試和分析，得出結(jié)論：通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備，是醫(yī)院配電系統(tǒng)中的諧波源。如醫(yī)院照明系統(tǒng)中，使用大量的節(jié)能型熒光燈，這些熒光燈在運行時，會產(chǎn)生大量的諧波，對配電網(wǎng)造成一定的污染。采用三相四線供電的多盞節(jié)能燈，在三相四線負荷運行的情況下，三相三次諧波對醫(yī)院配電系統(tǒng)造成嚴(yán)重的污染。醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備中有大量的電力電子元器件，這些醫(yī)療設(shè)備在工作時會產(chǎn)生較大的諧波，造成電網(wǎng)污染。比較常見的設(shè)備有MRI（核磁共振）、CT機、X線機等。其中，MRI工作時會生成射頻脈沖和交變磁場來產(chǎn)生核磁共振，而射頻脈沖和交變磁場都會帶來諧波污染；X光機中高壓整流器的整流橋工作時將產(chǎn)生較大諧波，而且X光機為瞬時性負荷，工作時電壓可達百千伏，變壓器的負載將增加60~70kw的瞬時負荷，也會增加電網(wǎng)諧波。

5醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波綜合治理方案

醫(yī)院配電網(wǎng)的諧波治理的總體目標(biāo)是：電網(wǎng)的總諧波 THDI (3%，電源功率因數(shù)cosφ)0.95。

5.1采用串聯(lián)電抗器

該裝置以串聯(lián)電抗器為核心，對諧振進行控制，并對電容進行保護，以達到安全補償。但是，這種諧波治理方法，在諧波處理方面，卻是束手無策，而且諧波治理的效果也不是很好，所以，在醫(yī)院配電系統(tǒng)的諧波治理中，很難取得較好的效果。

5.2采用無源調(diào)諧式濾波器進行濾波補償

在實際應(yīng)用中，一般采用無源調(diào)諧式濾波器，其阻抗率可分為5.67%、7%和14%三大類。其中，具有5.67%電抗系數(shù)的調(diào)諧電容器，具有210Hz的單調(diào)諧振頻率，它的主要作用是能吸收50%以上電力裝置的5次諧波；具有7%電抗系數(shù)的調(diào)諧電容器，具有189 Hz的單調(diào)諧振頻率，其主要作用是吸收電力裝置20%以上的5次諧波和少量7次諧波；而具有14%電抗系數(shù)的調(diào)諧電容，其單調(diào)諧振頻率為133 Hz，其主要作用是對3次諧波的控制。該方法利用無源調(diào)諧式濾波器對電網(wǎng)的電容無功進行補償，取得了很好的濾波效果。這種方法更經(jīng)濟、更具性價比，但僅適用于低諧波的情況。

5.3采用有源濾波器

有源濾波器用于電網(wǎng)的諧波濾波及無功補償，能滿足電網(wǎng)的諧波治理和無功補償需求，但是，無功補償?shù)臒o功功率消耗了有源濾波器的容量，而且其費用也比電容高，因而很少用于實際工程中。

5.4混合濾波補償方案

在醫(yī)院配電系統(tǒng)中，將有源濾波器+無源調(diào)諧式濾波器、無功補償?shù)姆椒ńY(jié)合起來，既能保證無功的安全，又能完*消除電網(wǎng)的諧波成分，節(jié)約能源，經(jīng)濟效益顯著。

5.5采用無功補償方案

通過對靜態(tài)無功補償（SvC)、靜態(tài)無功產(chǎn)生（SvG）進行補償，并與在線無功補償系統(tǒng)相結(jié)合，能夠根據(jù)醫(yī)院配電系統(tǒng)的具體狀況，動態(tài)的進行補償，從而吸收高次諧波，降低電壓閃點，從而有效地改善電網(wǎng)的供電可靠性和供電品質(zhì)。

5.6諧波治理設(shè)備的選擇

對于已投入使用的醫(yī)院，可以根據(jù)實際情況來確定過濾裝置的容量。對正在建設(shè)的醫(yī)院大樓，根據(jù)以下方法計算出諧波電流，選擇合適的濾波裝置。

a.現(xiàn)場補償：根據(jù)用電設(shè)備的工作電流乘以諧波失真率，可以得到有效的諧波電流，并選用三線濾波電路。

b.在不使用現(xiàn)場補償?shù)那闆r下，僅使用集中的方式，將醫(yī)療器械設(shè)備與其它電器設(shè)備相結(jié)合，可使失真率增加至20%。

由于有源濾波器的輸出電壓隨系統(tǒng)的諧波而發(fā)生動態(tài)變化，不存在過補償問題；此外，該濾波器還具有過載保護的特性，而無需考慮過負載問題。

6安科瑞醫(yī)院EMS能效管理系統(tǒng)

6.1平臺拓撲圖

6.2醫(yī)院電力監(jiān)控解決方案

電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對變壓器、柴油發(fā)電機、斷路器以及其它重要設(shè)備進行監(jiān)視、測量、記錄、報警等功能，并與保護設(shè)備和遠方控制及其他設(shè)備通信，實時掌握供電系統(tǒng)運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高醫(yī)院供電可靠性。

電力監(jiān)控系統(tǒng)主要針對開閉所和10/0.4kV變電所，對高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況。同時對醫(yī)院重要設(shè)備如柴油發(fā)電機、無功補償裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)測。

電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置

應(yīng)用場合	名稱	系列型號	圖片	功能
系統(tǒng)后臺	電力監(jiān)控軟件	Acrel-2000/Z		數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)字通信、遠程操作與程序拉制、權(quán)限管理、車件記錄與告營、故障分析、各類報表
通訊層	智能網(wǎng)關(guān)	Anet系列		8個RS485串口2kV隔離，2個以太網(wǎng)接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協(xié)議設(shè)備的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協(xié)議、支持多不同數(shù)據(jù)服務(wù)要求，支持斷點續(xù)傳，裝置電源:220VAC/DC。
35KV、10KV	微機保護裝置	AM6-x		相間電流速斷保護，相間限*電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。
35KV\10KV進線側(cè)	電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置	APView500		相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內(nèi)存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。
35KV/10KV測量	多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表	APM-520		具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、電能統(tǒng)計、電能質(zhì) 量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功能及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、AO模塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控
35KV\10KV帶電顯示裝置	智能操控裝置	ASD500		5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預(yù)分預(yù)合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應(yīng)、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出；
35KV\10KV弧光保護	弧光保護裝置	ARB5-x		主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、11個跳閘出口；擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號：弧光探頭，可安裝于中壓開關(guān)柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜。弧光探頭的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域；
35KV\10KV配電柜	無線測溫	ATE400（PT柜選用ATE200）		監(jiān)測母線、線纜接頭、斷路器觸臂、觸頭溫度，可通過無線傳輸至ASD320就地顯示，也可以上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。電源分為內(nèi)置電池式和感應(yīng)取電式，固定方式有螺栓固定，表帶式捆綁，測溫范圍-50℃-125℃，精度±1℃
0.4KV進線	多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表	APM-520(96外型)		具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、電能統(tǒng)計、電能質(zhì) 量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功能及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、AO模塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控
	電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置	APView500		相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內(nèi)存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。
	測溫監(jiān)控裝置	ARTM-Pn-E		無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊；
	無線測溫傳感器	ATE400		監(jiān)測母線、線纜接頭、斷路器觸臂、觸頭溫度，可通過無線傳輸至ASD320就地顯示，也可以上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。電源分為內(nèi)置電池式和感應(yīng)取電式，固定方式有螺栓固定，表帶式捆綁，測溫范圍-50℃-125℃，精度±1℃
0.4KV濾波柜	有源諧波治理系統(tǒng)	AnSin-xxx		有源電力濾波器井聯(lián)在含諧波負載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)討B(tài)變化的諧波電流進行快速實時的跟蹤和補償，
0.4KV補償柜	有源無功補償系統(tǒng)	AnCos-xxx		低壓無功功率補償裝置并聯(lián)在整個供電系統(tǒng)中，能根據(jù)電網(wǎng)中負載功率因數(shù)的變化通過控制器控制電力電容器投切進行補償,無功功率補償裝置采用散件組成方案，主要以電容電抗、投切開關(guān)、控制器等組成。補償方式:線性補償，全響應(yīng)時間<5ms，瞬時響應(yīng)時間≤100us;補償效果:≥0.99，可補償容性無功和感性無功，濾除5、7、9、11、13次以內(nèi)的諧波;自身損耗:≤百分之2，效率:>百分之98;監(jiān)控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過PC機實時監(jiān)控;具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統(tǒng)和本體的實時電能質(zhì)量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控;標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。
0.4KV饋線	多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表	APM-510(72外型)		具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、電能統(tǒng)計、電能質(zhì) 量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功能及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、AO模塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控
	電氣火災(zāi)監(jiān)測模塊	ARCM200系列		三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cos中)，視在電能、四象限電能計量，單回路剩余電流監(jiān)測，4路溫度監(jiān)測，2路繼電器輸出，4路開關(guān)量輸入，事件記錄，內(nèi)置時鐘，點陣式LCD顯示，2路獨立RS485/Modbus通訊
	測溫監(jiān)控裝置	ARTM-Pn-E		無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊；
	無線測溫傳感器	ATE400		合金片固定，CT感應(yīng)取電，啟動電流大于5安培，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米；
低壓回路	電流互感器	AKH-0.66系列		測量型互感器，采集交流電流信號