淺談醫院供配電係統諧波危害及治理

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

關(guan) 鍵詞：醫院供配電係統；醫療設備；諧波危害；諧波治理

1.概述

醫院供配電係統是醫院工作的基礎平台，包含各類非線性、時變性電器設備和醫療設備。它們(men) 產(chan) 生的諧波相互作用，若不治理，不僅(jin) 會(hui) 影響設備的正常運行，嚴(yan) 重時甚至會(hui) 威脅患者的生命安全，因此對醫院供配電係統諧波及其治理的深入分析研究勢在必行。

2.醫院供配電係統諧波源及其特點

醫院供配電係統中的諧波源主要可分為(wei) 醫療設備、信息通信設備和電器設備三大類，具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數量多等特點。

2.1醫療設備

醫院的醫療設備含有大量的電力電子器件，工作時不可避免的產(chan) 生諧波汙染。常見的有CT機、核磁共振儀(yi) MRI、直線加速器、x線機、心血管造影機DSA和數字造影儀(yi) DSI等。

作為(wei) 當前醫學診斷的主要檢查設備，CT機臨(lin) 床運用十分廣泛，且價(jia) 格十分昂貴。工作時，高頻高壓發生器先將三相交流電整流成直流，再經並聯逆變器逆變為(wei) 頻率高達1X1OHz的交流，最後通過倍壓整流產(chan) 生大於(yu) 30kV的穩定高壓給球管兩(liang) 端供電。整個(ge) 工作過程既進行整流又進行逆變，會(hui) 產(chan) 生大量諧波，嚴(yan) 重時總諧波畸變率可達30％。

醫學上的核磁共振儀(yi) (MRI)依據“核磁共振"原理，利用磁場與(yu) 射頻脈衝(chong) 使人體(ti) 組織內(nei) 進動的氫核(H+)發生章動產(chan) 生射頻信號，再經計算機處理分析釋放的電磁波，來繪製人體(ti) 內(nei) 部的精確立體(ti) 圖像。產(chan) 生核磁共振所需交變磁場和無線電射頻脈衝(chong) 都將帶來諧波汙染，正常工作時MRI的諧波畸變率在20％左右。

直線加速器是指用微波電磁場加速電子的直線型加速器，在醫院腫瘤放射治療領域運用較為(wei) 廣泛。所含磁控管和速調管所需的脈衝(chong) 高壓由脈衝(chong) 調製器供給，而脈衝(chong) 調製器一般采用軟管線性脈衝(chong) 調製器。通過直流高壓電源對充電變壓器和脈衝(chong) 形成電容器進行諧振充電。在電壓穩定度要求較高時，調製器還需采用脈衝(chong) 電壓穩定裝置。係統所需高頻電源、直流高壓電源的產(chan) 生和脈衝(chong) 調製器及脈衝(chong) 電壓穩定裝置都將造成諧波汙染，電流總諧波畸變率可達40％～50％。

x光機為(wei) 典型的瞬時性負荷，工作時電壓可達幾十甚至上百千伏，變壓器原邊將增加6O一70kW的瞬時負荷。x光機的主要部件為(wei) 光球管和高壓整流器。由於(yu) 高壓整流器的整流橋工作時將產(chan) 生較大諧波，加上x光機的瞬時工作特性，使得其諧波畸變率可達30％一50％。

2.2信息通信設備

為(wei) 了存儲(chu) 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係統。它功能強大，通常包括醫療信息係統、臨(lin) 床信息係統、視頻視教和遠程醫療等係統J。係統包含成千上萬(wan) 台計算機和不計其數的網絡連接設備，他們(men) 和醫院的視頻監控係統和音頻係統一樣，都將產(chan) 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、純淨的50Hz交流電，向負載供電。當市電異常或供電中斷時，逆變器改由電池提供能量繼續工作，保證無間斷地給用電設備供電。EPS(EmergencyPowerSystem)在市電正常時由市電輸出供電，同時對電池充電，當市電停電或電壓過低時則由電池經逆變器向負載供電。EPS和UPS均采用了IGBT技術和PWM技術，進行整流和逆變時都會(hui) 帶來諧波汙染，是不可忽視的諧波源。對大功率UPS來說，如果整流裝置為(wei) 三相全控橋6脈衝(chong) 整流器，總諧波畸變率將近30％40％。

2.3電器設備

醫院裏的電梯、空調、變頻水泵、照明設備等都將產(chan) 生畸變諧波。如大量使用的熒光燈，會(hui) 引起較大的諧波電流，其中3次諧波為(wei) 最高。當多個(ge) 熒光燈接成三相四線負載時，中線上就會(hui) 流過很大的3次諧波電流。大部分醫院均采用變頻空調及風機，而變頻器是典型的諧波源，會(hui) 產(chan) 生大量5次、7次諧波汙染電網。

醫院配電係統主要諧波源、諧波次數和畸變率情況如表1所示。，可見醫院典型設備產(chan) 生的諧波主要為(wei) 3次、5次、7次。正是這些設備在運行過程中產(chan) 生諧波，使醫院的電能質量受到影響，而受到影響的電能又反過來影響設備的正常使用。

表1醫院配電係統主要諧波源和諧波畸變率情況

3醫療設備產(chan) 生諧波對配電係統危害

3.1對電網的影響

電網中的諧波會(hui) 增加係統損耗，使設備發熱，影響設備使用壽命。此外當並聯的無功補償(chang) 電容器容抗與(yu) 係統感抗匹配時，將發生n次並聯諧振，造成電容器組的過電壓和過電流。當基波頻率為(wei) 時，諧振頻率，r可由式(1)計算得出。其中：Js。為(wei) 電源短路容量；Q為(wei) 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(chan) 生機械振動、噪聲和諧波過電壓，降低其工作效率。三相感應電動機的n次諧波電流大小可通過式Ia=U。/nf₁L計算得到。由於(yu) 電壓畸變引起的附加鐵心損耗很小，可以忽略不計。所以感應電動機整個(ge) 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(hui) 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(chan) 生諧振，增大變壓器發熱，甚至引起局部嚴(yan) 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總的渦流損耗可由式(3)求出。

（3）

其中：W、為(wei) 總諧波渦流損耗；W為(wei) 額定基波電流的渦流損耗；I。為(wei) n次諧波電流；I、為(wei) 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，導致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數較高時，電容器呈現低阻抗特性，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(hui) 使電容器介質損耗增加，其直接後果是額外的發熱和壽命縮短。電容器和電源電感結合也會(hui) 構成並聯或串聯諧振電路，在諧振情況下諧波電流會(hui) 被放大數倍甚至數十倍，最終導致電壓會(hui) 大大高於(yu) 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(si) 熔斷。

3.5對通信係統的幹擾

諧波對通信係統幹擾的大小由三個(ge) 因素綜合決(jue) 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，通信線路對諧波幹擾的敏感程度。電網中不平衡諧波電流對通信係統，輕則產(chan) 生噪聲幹擾，降低通信質量，重則導致信息丟(diu) 失，使係統無法正常工作。在多個(ge) 中性點接地電網中，如有較大零序分量諧波電流通過中性點流入大地，將嚴(yan) 重幹擾附近通信係統。通常音頻通道的頻率為(wei) 200~3500Hz,而很多諧波也在這個(ge) 範圍，易對臨(lin) 近的電話線路產(chan) 生靜電感應和電磁感應，輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發電話響鈴，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儀(yi) 表的影響

隻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，導致感應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分零序電流和次諧波電流，導致誤跳閘。由於(yu) 大多數電氣測量儀(yi) 表，如電流表、電壓表、功率表都是按工頻正弦波來設計，對非正弦信號呈現出不同響應特性，當有諧波時會(hui) 產(chan) 生測量誤差。

4.配電網諧波對醫療設備的危害

4.1對影像類設備的影響

磁共振成像、螺旋CT掃描儀(yi) 、彩超、心腦電圖機和X線機等醫學影像設備受諧波幹擾時，其內(nei) 嵌的電子元件可能會(hui) 記錄噪聲並改變數據輸出，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對監護類設備的影響

常見的多功能呼吸機、起搏器、心電監護儀(yi) 等直接與(yu) 人體(ti) 接觸的監護設備信號非常微弱，當受到微小諧波幹擾時，將影響儀(yi) 器的正常工作，還可能引起微電擊。如諧波汙染會(hui) 造成呼吸機工作失靈，心髒起搏器工作失效，直接危及患者生命安全。

4.3對理療儀(yi) 器的影響

醫療係統的理療儀(yi) 器主要分為(wei) 微波、音頻、短波等，受諧波影響表現出來的特征各不相同。音頻類理療儀(yi) 器受諧波幹擾，輸出信號中將含有雜波，對患者產(chan) 生電刺激。當對喉、頭部等重要部位進行治療時，將產(chan) 生強烈的刺激感，存在嚴(yan) 重安全隱患。短波儀(yi) 器受諧波影響更加敏感，儀(yi) 器會(hui) 接收並放大輸出係統中的諧波，造成身體(ti) 局部不適[。

4.4對醫院計算機的影響

醫院計算機係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能正常工作。而諧波可通過電磁感應、靜電感應等方式，對計算機網絡產(chan) 生幹擾，影響係統正常運行。諧波幹擾還可使單個(ge) 計算機程序運行錯誤、死機或無故重新啟動，當共模幹擾中的尖峰幹擾幅度達到2~50V,時間持續數微秒時，就可引起計算機邏輯錯誤、信息丟(diu) 失，造成嚴(yan) 重後果。

5.醫療配電網諧波治理的主要措施

針對諧波產(chan) 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供電,以減小諧波對係統和其他用電設備的影響，並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(ce) 接成三角形。將產(chan) 生諧波較多的醫療診斷設備與(yu) 其他設備分開，選用優(you) 質Dyn11型專(zhuan) 用變壓器為(wei) 這些醫療設備供電；將電容器組的某些支路改為(wei) 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，提高設備抗諧波幹擾能力。

5.2主動治理措施

改變諧波源的配置，限製大量產(chan) 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衝(chong) 數；在整流器之前加裝串聯電抗器，抑製其平滑諧波電流；在自關(guan) 斷器件構成的變流器中采用PWM技術使變流器產(chan) 生的諧波頻率較高、幅值較小；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；用多重化技術將多個(ge) 波疊加，以消除頻率較低的諧波，但這種裝置複雜，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(chan) 生的諧波注入電網和電力係統的諧波流入負載，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成的諧振電路。傳(chuan) 統的諧波抑製和無功補償(chang) 方法是將無源濾波器與(yu) 需補償(chang) 的非線性負載並聯，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源支路而避免流入電網，在濾除諧波的同時也適當地補償(chang) 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、跟蹤控製電路和補償(chang) 主電路構成。檢測電路的主要功能是從(cong) 負載電流中實時分離出諧波電流分量和基波無功電流分量，並將其反相後作為(wei) 補償(chang) 電流的指令信號。跟蹤控製電路再根據檢測電路產(chan) 生的指令信號，計算出驅動信號並作用於(yu) 補償(chang) 主電路各開關(guan) 器件，產(chan) 生有效的補償(chang) 電流，達到消除諧波與(yu) 無功補償(chang) 的目的。

混合型有源濾波器(HybridActivePowerFilter,HAPF)通過串聯或並聯方式將有源濾波器與(yu) 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，再用有源濾波器進行濾波，從(cong) 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(you) 良性能相結合，同時具備了PPF和APF的優(you) 點，是一種有前途的濾波及無功補償(chang) 方式。

6.醫院有源諧波治理係統解決(jue) 方案

都是諧波源，比如X光機、CT機等都會(hui) 產(chan) 生大量諧波，諧波使電能的生產(chan) 、傳(chuan) 輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產(chan) 生振動和噪聲，並使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力係統局部並聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會(hui) 引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂(luan) 。對於(yu) 醫院的精密化驗設備可能會(hui) 產(chan) 生幹擾。

為(wei) 了消除配電係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2~31次諧波幹擾。

AnSinI係列有源電力濾波裝置，以並聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從(cong) 變流器中產(chan) 生一個(ge) 和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量並實時注入電力係統，從(cong) 而實現諧波治理和無功補償(chang) 。

有源諧波治理係統硬件配置方案

7結束語

現代醫療設備廣泛采用電力電子變流和控製器件，使醫院非線性醫療設備負荷的種類和數量迅速增加，諧波汙染日趨嚴(yan) 重，給配電係統和醫療設備帶來巨大危害。但醫院供配電係統諧波問題一直沒得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經濟損失相當巨大。對醫院供配電係統諧波進行研究，對改善供電質量，提高電網的安全和經濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義(yi) 。

安科瑞侯文莉