摘 要：在現(xiàn)代醫(yī)院建筑中,各種節(jié)能照明設(shè)備、變頻空調(diào)、電梯設(shè)備、UPS、EPS以及各種先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備均為非線性設(shè)備，這些非線性設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的高次電力諧波，對配電系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行造成一定的干擾，嚴(yán)重的電力諧波問題會導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備的損壞甚至醫(yī)療事故。本文結(jié)合某三甲醫(yī)院的低壓供電系統(tǒng)中諧波治理的情況，介紹了諧波的產(chǎn)生及危害，以及通過使用有源濾波設(shè)備進(jìn)行諧波治理后的效果評估，說明有源濾波設(shè)備在醫(yī)院建筑等場所的使用意義。

　　關(guān)鍵詞：醫(yī)院建筑,諧波,有源濾波設(shè)備

　　1.引言

　　現(xiàn)代化醫(yī)療機(jī)構(gòu)為提高醫(yī)療服務(wù)水平，不斷引入新型、復(fù)雜的各種先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備如核磁共振成像(MRI)、螺旋CT、高頻電刀等等，同時各種節(jié)能照明設(shè)備、變頻空調(diào)、電梯設(shè)備等大量應(yīng)用也給人們提供了便利和舒適。在現(xiàn)代醫(yī)院建筑中，各種節(jié)能照明設(shè)備、變頻空調(diào)、電梯設(shè)備、EPS、UPS以及各種先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備均為非線性設(shè)備，在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的高次諧波，對配電系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備造成一定的干擾。同時這些先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備都具有高檔的計算機(jī)部件和大量的高靈敏微電子器件，對供電電源的電能質(zhì)量要求很高，對電壓波動和電力諧波非常敏感，嚴(yán)重的電力諧波問題會導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備的損壞甚至導(dǎo)致醫(yī)療事故的發(fā)生。

　　2.醫(yī)院建筑供電系統(tǒng)諧波的來源、特性以及危害分析

　　正常合格的電能源是以50Hz變化的三相交流正弦波電源，它的質(zhì)量是由電壓幅值、波形和頻率等決定的。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。在醫(yī)院建筑內(nèi)部，諧波產(chǎn)生于大量的變頻負(fù)載(主要為空調(diào)、風(fēng)機(jī)等負(fù)載)，還包括部分節(jié)能燈具與UPS和EPS等。

　　2.1醫(yī)院建筑供電系統(tǒng)諧波的來源

　　一般在一所典型三甲醫(yī)院，主要設(shè)施設(shè)備會包括如下項目：

　　表一：醫(yī)院主要建筑和醫(yī)療設(shè)施設(shè)備

　　上述設(shè)備和設(shè)施多半具有電力電子器件和鐵磁設(shè)備，根據(jù)其電氣特性產(chǎn)生的主要本征諧波分別如下表：

　　表二：醫(yī)院主要設(shè)施設(shè)備的主要特征諧波

　　注：上述表中 l 表示該次諧波成分的比例。

　　2.2電力諧波對配電系統(tǒng)的危害

　　n 原設(shè)計的電路將不能滿足現(xiàn)有諧波的附加發(fā)熱要求，將引起電路導(dǎo)體的導(dǎo)電能力下降;

　　n 增大電能消耗;

　　n 開關(guān)的開斷能力下降;

　　n 電動機(jī)、變壓器、電纜異常發(fā)熱;

　　n 一般用電設(shè)備故障率迅速增加;

　　n 專用電子設(shè)備不能正常工作，比如可控硅(依賴過流點進(jìn)行控制導(dǎo)通角同步控制)工作異常、電氣設(shè)備控制系統(tǒng)失靈或損毀，通訊網(wǎng)絡(luò)無連接;

　　n 引起配電設(shè)備異常震動和噪音，嚴(yán)重時使電氣設(shè)備無法正常地運(yùn)行，產(chǎn)生電磁干擾;

　　n 諧波使電容器等電器設(shè)備過流、過熱、甚至爆裂或著火引起火災(zāi)。

　　2.3電力諧波對醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備的危害

　　醫(yī)院作為救死扶傷的特殊類型建筑設(shè)施，本身屬于一類用電負(fù)荷。電力諧波從供用電系統(tǒng)可靠性和設(shè)備正常功能發(fā)揮等方面影響醫(yī)院的設(shè)施設(shè)備。

　　醫(yī)院醫(yī)技科室包含了大量技術(shù)含量高、價值昂貴的精密檢測和治療儀器，包括：數(shù)字減影儀(DSI)、核磁共振儀(MRI)、螺旋CT、彩色多普勒、熒光PCR儀、自動生化儀、同位素檢測設(shè)備、色譜儀、X射線攝像系統(tǒng)、腦電圖、心電圖、生化實驗儀等各種儀器等等。上述大型治療檢測設(shè)備大都帶有以微處理器為基本元件的控制裝置，對電源的擾動極其敏感，會發(fā)生影像顫動，死機(jī)，無故重啟，丟失影像、文件等，甚至設(shè)備損壞。供電的可靠性和電源質(zhì)量凈化度直接關(guān)系到上述設(shè)備本身的安全和正常工作條件。嚴(yán)重的電力諧波會直接導(dǎo)致上述依賴微處理器技術(shù)的設(shè)備的同步失調(diào)和數(shù)據(jù)錯誤，而諧波諧振引起的共模干擾和過電流將直接危害設(shè)備內(nèi)部電子線路的安全，會導(dǎo)致?lián)舸┗蚍烹姟?/p>

　　此外，醫(yī)院建筑是一個具有特殊供用電性質(zhì)的建筑，對供電可靠性要求極高，像手術(shù)室、分娩室、嬰兒室、急診室、化驗室、CT掃描、配血室及高壓氧倉、負(fù)壓吸引真空泵等重要用電負(fù)荷，一旦電能質(zhì)量下降，甚或停電，將對醫(yī)務(wù)工作造成很大影響，甚至危及病人生命，造成醫(yī)療事故;即使其他輔助設(shè)施如電梯、空調(diào)等，仍需特殊對待，因為這類設(shè)施的故障也直接影響醫(yī)院作為救死扶傷的應(yīng)急設(shè)施的可靠性。

　　綜上所述，醫(yī)院建筑內(nèi)部非線性負(fù)載產(chǎn)生的大量諧波，會干擾醫(yī)院內(nèi)的重要醫(yī)技設(shè)備的正常使用。為了滿足對醫(yī)院這一類特殊建筑在電力建設(shè)方面可靠供電、安全配電的核心需求，醫(yī)院建筑供用電系統(tǒng)中諧波問題的解決必須在設(shè)計建設(shè)時期充分考慮。

　　3.電網(wǎng)諧波國家標(biāo)準(zhǔn)要求

　　目前采用的電能質(zhì)量(諧波)評定標(biāo)準(zhǔn)，主要為中國國家標(biāo)準(zhǔn)(《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549-93))，基本等同于IEC 1000—3—4、IEEE—519——1992國際標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中對電網(wǎng)中電流電壓的畸變率有明確規(guī)定，也是作為諧波評價、治理的重要依據(jù)。IEEE(institute of Electronics Engineers,電子電氣工程師協(xié)會)1992年制定的諧波限定標(biāo)準(zhǔn)IEEE-1100中指出，當(dāng)配電系統(tǒng)中電機(jī)、UPS和變頻變速驅(qū)動等非線性負(fù)載大于50%時，其變壓器應(yīng)在通常容量的50%下運(yùn)行。另外IEEEstd.519-1992標(biāo)準(zhǔn)中明確提出對計算機(jī)和類似設(shè)備，其諧波電壓畸變因數(shù)THD應(yīng)在5%以下。

　　表1：IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)諧波限制的規(guī)定：

　　表2: 電網(wǎng)諧波電壓國家標(biāo)準(zhǔn)：引用于(GB/T14549-93)：

　　表3: 注入電網(wǎng)公共連接點的諧波電流允許值：引用于(GB/T14549-93)：

　　當(dāng)測試點短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時，表2中的諧波電流允許值的換算方法如下：

        式中：Sk1—公共連接點的最小短路容量，MVA;

　　Sk2—基準(zhǔn)短路容量，MVA;

　　Ihp—表2中的第h次諧波電流允許值，A;

　　綜合上表及公式，可得出各監(jiān)測點的諧波電流分量允許值。

　　4.有源濾波設(shè)備在醫(yī)院建筑中的應(yīng)用案例

　　4.1 有源濾波設(shè)備應(yīng)用簡介

　　某大型三甲醫(yī)院新建的門診住院綜合樓共有6臺2000kVA和2臺1600kVA的變壓器以及2臺800KW的柴油發(fā)電機(jī)，根據(jù)該醫(yī)院各變壓器非線性負(fù)荷設(shè)備的負(fù)載率大小和相應(yīng)的諧波畸變率以及各非線性設(shè)備的同時使用率來計算諧波電流的大小，配置了8臺不同容量規(guī)格的RESINE有源濾波設(shè)備。

　　下面以2#RESINE有源濾波設(shè)備投入運(yùn)行前、后配電系統(tǒng)電能質(zhì)量測試情況的對比分析為例來具體描述，其中2#變壓器負(fù)載主要為燈光照明，電梯，潛污泵，計算機(jī)中心等。

　　4.1.1有源濾波設(shè)備投運(yùn)前后的數(shù)據(jù)如下：

　　(1).有源濾波設(shè)備投入前電流波形畸變比較嚴(yán)重，三相電流畸變率分別為16.45%，15.46%，17.10%;三相諧波電流有效值分別為20.1A，19.8A，19.1A;三相電壓畸變率分別為1.16%，1.15%，1.11%。

　　(2).有源濾波設(shè)備投入后電流波形畸變情況明顯改善，諧波電壓和諧波電流均滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)(《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549-93))和國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE—519的相關(guān)要求。三相電流畸變率明顯降低，分別為3.55%，3.88%，3.04%;三相電流有效值明顯降低，分別為2.8A，3.3A，2.5A;三相電壓畸變率分別為0.56%，0.50%，0.57%。

　　(3).電流電壓波形明顯改善，使用濾波設(shè)備后電流電壓波形近似呈正弦波形態(tài);諧波治理的工作達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)和效果。

　　4.1.2有源濾波器投運(yùn)前后測試記錄數(shù)據(jù)：

 

　　圖4.3 濾波器投入前電流參數(shù) 圖4.4 濾波器投入后電流參數(shù)

　　圖4.5 濾波器投入前電流、電壓波形 圖4.6濾波器投入后電流、電壓波形

　　4.2 有源濾波設(shè)備在醫(yī)院建筑中應(yīng)用的重要意義

　　4.2.1保護(hù)醫(yī)療用電設(shè)備安全:

　　由于節(jié)能照明設(shè)備、變頻空調(diào)、電梯設(shè)備、EPS、UPS等以及醫(yī)療用電設(shè)備等大量非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流，由諧波電流在各設(shè)備上引起的一個電壓降，當(dāng)諧波畸變率較高的時候，很容易造成計算機(jī)電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、電機(jī)電器等故障。有源濾波設(shè)備能消除具有破壞性的諧波污染等，確保了用電設(shè)備的使用壽命，特別是醫(yī)療設(shè)備的安全。

　　4.2.2凈化電源：

　　有源濾波設(shè)備具有很強(qiáng)的抑制和消除能力，最高可消除95%以上的因各種諧波引起的電壓、電流的畸變，防止諧波引發(fā)的計算機(jī)屏幕頻閃，以及由于開關(guān)、短路、負(fù)載變化引起的燈光頻閃，重要負(fù)荷開關(guān)跳閘等事故。

　　4.2.3保護(hù)功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備：

　　由于高次諧波可能和雜散的電網(wǎng)電感及功率因數(shù)補(bǔ)償(PFC)設(shè)備組合的諧波頻率形成并聯(lián)諧振回路，諧振電路引起的諧波放大使電壓和電流波形畸變更為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致設(shè)備過早出現(xiàn)故障。使用有源濾波設(shè)備后消除了電網(wǎng)諧波污染，確保了功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備的使用壽命。

　　4.2.4防止保護(hù)裝置的誤跳閘：

　　諧波電流會導(dǎo)致斷路器誤跳閘或是在該跳閘的時候根本不跳，或者設(shè)備無法啟動或者無法關(guān)機(jī)、操作指令發(fā)生錯誤。

　　4.2.5降低電能損耗：

　　電力線路中諧波電流會在系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備(如變壓器、電力電容器、輸電線路、電機(jī)及用電設(shè)備等)上造成附加銅損和鐵損。可以把諧波源看作為產(chǎn)生諧波的發(fā)電機(jī)，其諧波能量是通過設(shè)備非線性基波的能量轉(zhuǎn)換而來的。諧波電流是由非線性負(fù)荷產(chǎn)生，然后注入電網(wǎng)系統(tǒng)中，而消耗負(fù)荷及線路上的。通過安裝有源濾波設(shè)備，可以有效降低相線電流值，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

　　4.2.6擴(kuò)大變壓器和發(fā)電機(jī)供電容量：

　　由于運(yùn)用有濾波設(shè)備后將供電系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行了濾除，減小相線上電流的有效值，使母線上的電流下降，提高變壓器和發(fā)電機(jī)供電容量。

　　5.結(jié)論

　　本文分析了醫(yī)院建筑的諧波來源以及諧波對供電系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備的危害，并通過某大型三甲醫(yī)院新建的門診住院綜合樓低壓配電系統(tǒng)中有源濾波設(shè)備的應(yīng)用案例，對比分析了有源濾波設(shè)備投入使用前、后的實際情況，說明了應(yīng)用有源濾波設(shè)備的有效性、必要性和實際效益。有源濾波設(shè)備的諧波治理技術(shù)是改善供電質(zhì)量的有效手段之一, 在醫(yī)院建筑供電系統(tǒng)推廣應(yīng)用后, 可將產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電能質(zhì)量，保證醫(yī)療設(shè)備安全，能為用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。

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