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    淺談醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波危害及治理
    閱讀:      時間:2023/08/22

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

    關(guān)鍵詞:醫(yī)院供配電系統(tǒng);醫(yī)療設(shè)備;諧波危害;諧波治理

    1.概述

    醫(yī)院供配電系統(tǒng)是醫(yī)院工作的基礎(chǔ)平臺,包含各類非線性、時變性電器設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用,若不治理,不僅會影響設(shè)備的正常運行,嚴(yán)重時甚至?xí){患者的生命安全,因此對醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波及其治理的深入分析研究勢在必行。

    2.醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波源及其特點

    醫(yī)院供配電系統(tǒng)中的諧波源主要可分為醫(yī)療設(shè)備、信息通信設(shè)備和電器設(shè)備三大類,具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數(shù)量多等特點。

    2.1醫(yī)療設(shè)備

    醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備含有大量的電力電子器件,工作時不可避免的產(chǎn)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(shù)字造影儀DSI等。

    2.2信息通信設(shè)備

    為了存儲海量信息和方便辦公,現(xiàn)在大型醫(yī)院基本都建立了醫(yī)院信息系統(tǒng)。它功能強大,通常包括醫(yī)療信息系統(tǒng)、臨床信息系統(tǒng)、視頻視教和遠(yuǎn)程醫(yī)療等系統(tǒng)J。系統(tǒng)包含成千上萬臺計算機和不計其數(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備,他們和醫(yī)院的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)一樣,都將產(chǎn)生諧波電流。

    2.3電器設(shè)備

    醫(yī)院里的電梯、空調(diào)、變頻水泵、照明設(shè)備等都將產(chǎn)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*。當(dāng)多個熒光燈接成三相四線負(fù)載時,中線上就會流過很大的3次諧波電流。大部分醫(yī)院均采用變頻空調(diào)及風(fēng)機,而變頻器是典型的諧波源,會產(chǎn)生大量5次、7次諧波污染電網(wǎng)。

    醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源、諧波次數(shù)和畸變率情況如表1所示。,可見醫(yī)院典型設(shè)備產(chǎn)生的諧波主要為3次、5次、7次。正是這些設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生諧波,使醫(yī)院的電能質(zhì)量受到影響,而受到影響的電能又反過來影響設(shè)備的正常使用。

    表1醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源和諧波畸變率情況

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    3醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生諧波對配電系統(tǒng)危害

    3.1對電網(wǎng)的影響

    電網(wǎng)中的諧波會增加系統(tǒng)損耗,使設(shè)備發(fā)熱,影響設(shè)備使用壽命。此外當(dāng)并聯(lián)的無功補償電容器容抗與系統(tǒng)感抗匹配時,將發(fā)生n次并聯(lián)諧振,造成電容器組的過電壓和過電流。當(dāng)基波頻率為時,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、噪聲和諧波過電壓,降低其工作效率。三相感應(yīng)電動機的n次諧波電流大小可通過式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(yīng)電動機整個諧波損耗即銅耗,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(chǎn)生諧振,增大變壓器發(fā)熱,甚至引起局部嚴(yán)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的渦流損耗可由式(3)求出。

    (3)

    其中:W、為諧波渦流損耗;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熱,導(dǎo)致絕緣部分老化,縮短使用壽命。當(dāng)諧波次數(shù)較高時,電容器呈現(xiàn)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(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(jié)合也會構(gòu)成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路,在諧振情況下諧波電流會被放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍,*終導(dǎo)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。

    3.5對通信系統(tǒng)的干擾

    諧波對通信系統(tǒng)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(wǎng)中不平衡諧波電流對通信系統(tǒng),輕則產(chǎn)生噪聲干擾,降低通信質(zhì)量,重則導(dǎo)致信息丟失,使系統(tǒng)無法正常工作。在多個中性點接地電網(wǎng)中,如有較大零序分量諧波電流通過中性點流入大地,將嚴(yán)重干擾附近通信系統(tǒng)。通常音頻通道的頻率為200~3500Hz,而很多諧波也在這個范圍,易對臨近的線路產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng),輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發(fā)響鈴,重則危及設(shè)備和操作人員安全。

    3.6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(dǎo)致感應(yīng)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(qū)分零序電流和次諧波電流,導(dǎo)致誤跳閘。由于大多數(shù)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(shè)計,對非正弦信號呈現(xiàn)出不同響應(yīng)特性,當(dāng)有諧波時會產(chǎn)生測量誤差。

    4.配電網(wǎng)諧波對醫(yī)療設(shè)備的危害

    4.1對影像類設(shè)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(yī)學(xué)影像設(shè)備受諧波干擾時,其內(nèi)嵌的電子元件可能會記錄噪聲并改變數(shù)據(jù)輸出,使顯像管顯示圖象變形失真,成像模糊不清,影響醫(yī)療診斷結(jié)果。

    4.2對監(jiān)護類設(shè)備的影響

    常見的多功能呼吸機、起搏器、心電監(jiān)護儀等直接與人體接觸的監(jiān)護設(shè)備信號非常微弱,當(dāng)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。

    4.3對理療儀器的影響

    醫(yī)療系統(tǒng)的理療儀器主要分為微波、音頻、短波等,受諧波影響表現(xiàn)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(chǎn)生電刺激。當(dāng)對喉、頭部等重要部位進(jìn)行治療時,將產(chǎn)生強烈的刺激感,存在嚴(yán)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(tǒng)中的諧波,造成身體局部不適[。

    4.4對醫(yī)院計算機的影響

    醫(yī)院計算機系統(tǒng)必須全天不間斷穩(wěn)定運行,醫(yī)療設(shè)備配置計算機也要求在設(shè)備運行時能正常工作。而諧波可通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)等方式,對計算機網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾,影響系統(tǒng)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(dāng)共模干擾中的尖峰干擾幅度達(dá)到2~50V,時間持續(xù)數(shù)微秒時,就可引起計算機邏輯錯誤、信息丟失,造成嚴(yán)重后果。

    5.醫(yī)療配電網(wǎng)諧波治理的主要措施

    針對諧波產(chǎn)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。

    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或由高一級電壓的電網(wǎng)供電,以減小諧波對系統(tǒng)和其他用電設(shè)備的影響,并盡量保持負(fù)荷的三相平衡;同步電機采用星型連接;變壓器一側(cè)接成三角形。將產(chǎn)生諧波較多的醫(yī)療診斷設(shè)備與其他設(shè)備分開,選用Dyn11型變壓器為這些醫(yī)療設(shè)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(shè)備性能,提高設(shè)備抗諧波干擾能力。

    5.2主動治理措施

    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(shù)或脈沖數(shù);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(gòu)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、幅值較小;設(shè)計或采用高功率因數(shù)變流器,如矩陣式變頻器、四象限變流器等;用多重化技術(shù)將多個波疊加,以消除頻率較低的諧波,但這種裝置復(fù)雜,成本較高。

    5.3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(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)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(PassivePowerFilter,PPF)是由電容、電感和電阻等無源元件構(gòu)成的諧振電路。傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法是將無源濾波器與需補償?shù)姆蔷€性負(fù)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(yīng)的諧波電流流入無源支路而避免流入電網(wǎng),在濾除諧波的同時也適當(dāng)?shù)匮a償了無功功率。

    有源濾波器(ActivePowerFilter,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(gòu)成。檢測電路的主要功能是從負(fù)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(jù)檢測電路產(chǎn)生的指令信號,計算出驅(qū)動信號并作用于補償主電路各開關(guān)器件,產(chǎn)生有效的補償電流,達(dá)到消除諧波與無功補償?shù)哪康摹?

    混合型有源濾波器(HybridActivePowerFilter,HAPF)通過串聯(lián)或并聯(lián)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(jìn)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(yōu)良性能相結(jié)合,同時具備了PPF和APF的優(yōu)點,是一種有前途的濾波及無功補償方式。

    6.醫(yī)院有源諧波治理系統(tǒng)解決方案

    都是諧波源,比如X光機、CT機等都會產(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(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲,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(tǒng)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(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作,使電能計量出現(xiàn)混亂。對于醫(yī)院的精密化驗設(shè)備可能會產(chǎn)生干擾。

    為了消除配電系統(tǒng)諧波對醫(yī)院設(shè)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),通過實時檢測負(fù)載的諧波和無功分量,采用PWM變流技術(shù),從變流器中產(chǎn)生一個和當(dāng)前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實時注入電力系統(tǒng),從而實現(xiàn)諧波治理和無功補償。

    有源諧波治理系統(tǒng)硬件配置方案

    名稱

    型號

    功能

    有源諧波治理系統(tǒng)

    AnSin-□-MI型

    采用DSP+FPGA全數(shù)字控制方式,并聯(lián)在系統(tǒng)中,兼補諧波和無功:可對2~51次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償;具備完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能:基于谷歌Fliutter框架構(gòu)建的遙信、遙控軟件平臺,具備遠(yuǎn)程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能;支持IOS、安卓、PC多平臺交互;具備前和滯后的功率因數(shù)校正功能,可將三相不平衡負(fù)荷調(diào)整至平衡;具備動態(tài)過溫降載功能,較大限度的保證濾波器的持續(xù)運行;具備智能風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制功能,根據(jù)負(fù)荷率和環(huán)境溫度智能控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,降低損耗;具備動態(tài)擴容功能。

    有源無功補償系統(tǒng)

    AnCos-□-MI型

    采用DSP高速檢測和運算的數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)控及顯示系統(tǒng);具備無功功率線性補償、三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能,并可濾除5、7、11、13次以內(nèi)的諧波;具備遠(yuǎn)程通訊接口功能,并可通過PC機進(jìn)行實時監(jiān)控:基于谷歌Fliutter框架構(gòu)建的遙信、遙控軟件平臺,具備遠(yuǎn)程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能;支持IOS、安卓、PC多平臺交互;具備數(shù)據(jù)可視化與策略定制化;具備自動檢測運行功能;具備智能散熱和無極調(diào)速的功能;具備動態(tài)擴容功能,支持插拔,方便更換;具備測量監(jiān)視和定值設(shè)定功能;具備過壓切除、過壓閉鎖、欠壓切除、溫告警等保護功能。

    低壓無功功率補償裝置

    ANSVC

    多種補償形式:三相共補、三相分補、共補十分補三種形式,并使用串聯(lián)電抗器保護電容器;控制器具有多回路循環(huán)或編碼投切運行方式,能有效避免分組投切時個別電容投切過于頻繁的問題;具有電力參數(shù)監(jiān)測、采集和統(tǒng)計功能和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口,可實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測和計算機聯(lián)網(wǎng)管理。

    諧波保護器

    ANHPD

    吸收3kHz?10MHz頻率各種能量的諧波干擾,消除高次諧波、高頻噪聲、脈沖尖峰、浪涌等干擾,擠正電壓、電流波形,克服由于高頻諧波污染引起的干擾,保障設(shè)備的安全運行。

    中銭安防保護器

    ANSNP

    DSP+FPGA控制方式,響應(yīng)時間短,全數(shù)字控制算法;可濾除中性線中由3N次諧波或三相不平衡造成的過大電流;具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能:釆用4.3英寸屏慕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制;多機并聯(lián),達(dá)到較高的電流輸出等級。

    混合動態(tài)諧波無功補償

    系統(tǒng)

    AnCos-□/□-MI型

    線性輸出,無功功率全容性-全感性輸出的同時,可濾除特定次諧波;具備三相不平衡治理及穩(wěn)壓功能;補償后系統(tǒng)功率因數(shù)>0.99;具有有源濾波功能,單模塊有四種規(guī)格:30kvar無功十15A濾波,50kvar無功+25A濾波,75kvar無功+37.5A濾波,lOOkvar無功+50A濾波;模塊化并聯(lián)設(shè)計;基于谷歌Fliutter框架構(gòu)建的遙信、遙控軟件平臺,具備運程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能;支持IOS、安卓、PC多平臺交互。

    混合動態(tài)無功補償系統(tǒng)

    AnCos-□/Q□II型

    補償方式靈活;無功補償,諧波治理,解決三相不平衡問題;全模塊設(shè)計;具有人性化的人機交互界面,實時顯示系統(tǒng)的電能質(zhì)量信息;基于谷歌Fliutter框架構(gòu)建的遙信、遙控軟件平臺,具備遠(yuǎn)程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能:支持IOS、安卓、PC多平臺交互;采用7寸觸摸屏,可以監(jiān)控每一路TSCI作狀態(tài),實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制,保障功率因數(shù)可以達(dá)到0.99以上。

    混合動態(tài)消諧補償系統(tǒng)

    AnCos-□/C□II型

    控制方式靈活,釆用*的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?,快速響?yīng);一機多能,既可補償諧波,又可兼補無功;模塊化設(shè)計;釆用可靠的電容電疣器組合,防止出現(xiàn)諧振;基于谷歌Fliutter框架構(gòu)建的遙信、遙控軟件平臺,具備遠(yuǎn)程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能;支持IOS、安卓、PC多平臺交互;采用7英寸大屏慕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制,使用方便,易于操作和維護。

    7結(jié)束語

    現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備廣泛采用電力電子變流和控制器件,使醫(yī)院非線性醫(yī)療設(shè)備負(fù)荷的種類和數(shù)量迅速增加,諧波污染日趨嚴(yán)重,給配電系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備帶來巨大危害。但醫(yī)院供配電系統(tǒng)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(shè)備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟損失相當(dāng)巨大。對醫(yī)院供配電系統(tǒng)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(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義。

    產(chǎn)品分類
    公司信息
    安科瑞電氣股份有限公司

    聯(lián)系人:周經(jīng)理

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