2022-11-22 18:00:56
趙雨
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摘要：醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展與建設離不開電。醫(yī)療行業(yè)的配電系統(tǒng)是保證醫(yī)院供電的一項重要因素。隨著我國現(xiàn)代科學技術的逐漸發(fā)展與進步，醫(yī)院的供電設施也得到了很大的改良以及提高。在發(fā)展的過程中，各種技術使得我國醫(yī)院的配電系統(tǒng)得到了逐漸的完善。一些大型醫(yī)院裝備了許多電子醫(yī)技設備．這些設備共同的特點是：設備運行會產(chǎn)生大量的諧波；對電源質量要求很高。醫(yī)療設備所在配電系統(tǒng)中，如果存在大量的諧波，會使電壓、電流波形發(fā)生畸變，影響系統(tǒng)供電質量。同時還對其它供電及用電設備造成危害：縮短設備使用壽命，干擾重要醫(yī)療設備的正常工作。醫(yī)院配電系統(tǒng)的電能質量治理已成為醫(yī)院和設計部門須考慮。
關鍵詞：醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng)；醫(yī)療設備；電能質量；諧波危害及治理；系統(tǒng)解決方案
1引言
在醫(yī)院的發(fā)展以及運行中，需要采用高科技等技術手段來滿足醫(yī)院供電設施的要求，從而逐漸實現(xiàn)醫(yī)院的科學用電以及節(jié)能用電等，這樣能夠合理地減少醫(yī)院的成本。醫(yī)院供配電系統(tǒng)是醫(yī)院工作的基礎平臺，包含各類非線性、時變性電器設備和醫(yī)療設備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用，若不治理，不僅會影響設備的正常運行，嚴重時甚*會威脅患者的生命安全，因此對醫(yī)院供配電系統(tǒng)電能質量治理的深入分析研究勢在必行。
2醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng)諧波源及其特點
醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng)中的諧波源主要可分為醫(yī)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(shù)量多等特點。
2.1醫(yī)療設備
醫(yī)院的95%醫(yī)療設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。常見的醫(yī)療設備有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。
作為當前醫(yī)學診斷的主要檢查設備，CT機臨床運用十分廣泛，且價格十分昂貴。工作時，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1×104Ｈz的交流，通過倍壓整流產(chǎn)生大于30KV的穩(wěn)定高壓給球管兩端供電。整個工作過程既進行整流又進行逆變，會產(chǎn)生大量諧波，嚴重時總諧波畸變率可達30%。
醫(yī)學上的核磁共振儀（MRI）依據(jù)“核磁共振"原理，產(chǎn)生核磁共振所需交變磁場和無線電射頻脈沖都將帶來諧波污染，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(yī)院腫瘤放射治療領域運用較為廣泛。系統(tǒng)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(wěn)定裝置都將造成諧波污染，電流總諧波畸變率可達40％~50％。
X光機為典型的瞬時性負荷，工作時電壓可達幾十甚*上百千伏，變壓器原邊將增加60~70kＷ的瞬時負荷。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將產(chǎn)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％~50％。
2.2信息通信設備
為了存儲海量信息和方便辦公，現(xiàn)在大型醫(yī)院基本建立了醫(yī)院信息系統(tǒng)。系統(tǒng)本身功能強大，通常包括醫(yī)療信息系統(tǒng)、臨床信息系統(tǒng)、視頻視教和遠程醫(yī)療等系統(tǒng)。信息系統(tǒng)一般由成千上萬臺計算機和不計其數(shù)的網(wǎng)絡連接設備構成，與醫(yī)院的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)一樣，運行過程必將產(chǎn)生諧波電流。
以UPS典型負載為例，UPS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(wěn)壓、穩(wěn)頻、純凈的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(xù)工作，保證無間斷地給用電設備供電。EPS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(jīng)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帶來諧波污染，是不可忽視的諧波源。對大功率UPS來說，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(yī)院內電梯、空調、變頻水泵、通風、照明設備等都將產(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次諧波為較高。當多個熒光燈接成三相四線負載時，由于3次諧波電流屬于零序諧波電流，三相矢量角度一致，3次諧波電流向零線疊加，造成中性線電流過大。大部分醫(yī)院均采用變頻空調及風機，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程中產(chǎn)生諧波，使醫(yī)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。
3醫(yī)療設備產(chǎn)生諧波對配電系統(tǒng)危害
正常的供電網(wǎng)絡所提供的電壓應該是單一的固定頻率和規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對供電電網(wǎng)是一種污染，它對用電設備正常運行造成危害。醫(yī)療設備對配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波的危害主要體現(xiàn)在如下方面：
3.1對電網(wǎng)的影響
電網(wǎng)中的諧波會增加系統(tǒng)損耗，使設備發(fā)熱，影響設備使用壽命。此外當并 聯(lián)的無功補償電容器容抗Xcn與系統(tǒng)感抗Xsn匹配時即Xcn＝Xsn，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。當基波頻率為f1時，諧振頻率fr可由下式計算得出。其中，Sc為電源短路容量；Qc為電容器容量。
表1醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源和諧波畸變率情況
3.2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，增加變壓器發(fā)熱，甚*引起局部嚴重過熱，同時使變壓器噪聲增加，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下列公式求出：
式中，
為總諧波渦流損耗；
為額定基波電流的渦流損耗；
為n次諧波電流；
為額定基波電流。
3.3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。三相感應電動機的n次諧波電流大小可通過式
（
為n次諧波電壓；
為基波頻率）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。所以感應電動機整個諧波損耗即銅耗。
3.4對電容柜的影響
在諧波的作用下電容器將過熱，導致*緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數(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構成并聯(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*數(shù)十倍，終會導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對網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的影響
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銳程度。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，降低通信質量，重則導致信息丟失，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，易對臨近的電話線路產(chǎn)生靜電感應和電磁感應，輕則引起可以察覺的雜音甚*觸發(fā)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(qū)分零序電流和次諧波電流，導致誤跳閘。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計，對非正弦信號呈現(xiàn)出不同響應特性，當有諧波時會產(chǎn)生測量誤差。
4醫(yī)療行業(yè)電能質量治理需求分析及主要特征
4.1需求分析
醫(yī)療設備的進步，體現(xiàn)著現(xiàn)代醫(yī)院診療水平，醫(yī)院的電磁環(huán)境因此發(fā)生了較大變化。現(xiàn)代化醫(yī)院通過不斷引入新型、復雜的電子醫(yī)療系統(tǒng)來提高醫(yī)療服務水平。諧波干擾問題必將成為醫(yī)院現(xiàn)代化進程中須重視的問題。醫(yī)院建設、管理，電氣工程設計是以后發(fā)展過程中須考慮的問題。
其原因有二：一是因為當前電子技術正朝著高頻、高速、高靈敏度、高可靠性、多功能、小型化方向發(fā)展，導致了現(xiàn)代電子設備產(chǎn)生和接受電磁干擾的幾率大大增加；二是隨著電力電子裝置本身功率容量和功率密度的不斷增加，電網(wǎng)的諧波干擾和反串也日益嚴重。諧波不僅降低電網(wǎng)的供電品質，還會嚴重危及醫(yī)療設備供配電系統(tǒng)的電力器件的運行，容易產(chǎn)生誤動作，擊穿電容補償柜，對小型儀表類醫(yī)療設備產(chǎn)生電源干擾。所以電力諧波是個不容忽視的問題，應以重視。
4.2醫(yī)療行業(yè)電能質量主要特征：
1）對電能質量要求高；
2）負載中含有多種諧波源，配電諧波含量較高；
3）治理方案：根據(jù)負載特征，需通過配電房集中治理和針對性的就地治理共同實現(xiàn)。
5醫(yī)療行業(yè)電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案
5.1解決方案
隨著各種先進醫(yī)療設備(磁共振成像(MRI)、二維圖像彩色B超儀、全身螺旋CT掃描儀、單(雙)光子發(fā)射計算機斷層掃描機、全自動生化儀、采用電磁波技術的碎石機、胃腸斷層掃描機、高頻電刀、多功能微波治療儀等)的引進與使用，各種電子電路和電力電子技術在現(xiàn)代醫(yī)院的應用，生物醫(yī)學工程在現(xiàn)代化醫(yī)院中所起的作用越來越重要。這些儀器在保證醫(yī)療質量的同時，也因為儀器的高負載等特性，造成了大量的諧波污染，大量的諧波必然會產(chǎn)生嚴重危害，特別是諧波造成的電壓波動會影響醫(yī)療設備，使其受到諧波信號的干擾而影響儀器的性能。特別值得關注的是，醫(yī)院是對電能質量要求很高的場合，意外斷電和電網(wǎng)干擾對醫(yī)療儀器的影響不容忽視。特別是對于部分進口儀器，對使用的電網(wǎng)環(huán)境要求很高，因為國外已經(jīng)很早就重視了電能質量問題而進行了嚴格限制，很多儀器不能保證在諧波環(huán)境下正常檢測，甚*會影響其使用壽命。
安科瑞電氣提出的電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運維與電能質量治理等方面的需求，致力于為醫(yī)療行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價值。
5.2方案特點
電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質量監(jiān)測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-MED醫(yī)療建筑綜合能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務；
全控技術實現(xiàn)電能質量；
電能質量監(jiān)測：電能質量實時在線監(jiān)測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；
電能質量監(jiān)測與治理裝置整體設計，通過上位平臺實現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；
高品質電能質量治理：配套電力電子裝置技術過關、質量過硬，具備網(wǎng)絡化、可調控、快速響應的性能；
電能管理務業(yè)務綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運維、電能分析與電能質量數(shù)據(jù)共享融通，為企業(yè)電能供給與消費提供控制手段。
5.3方案價值
全方面監(jiān)測電能質量，保障供電可靠性
對供電回路的電氣參數(shù)進行全方面監(jiān)測，確保設備用電符合標準要求。微秒*故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發(fā)生時全部數(shù)據(jù)信息，支持開展故障追蹤與問題定位。
完整電能質量治理
通過集中+就地整體電能質量治理模式，更大程度滿足無功和諧波治理的要求，提高整個醫(yī)療供配電系統(tǒng)的電能質量，減少對其它供電及醫(yī)療設備造成危害。
數(shù)據(jù)應用及增值服務
系統(tǒng)提供多維度的用電指標統(tǒng)計與電能數(shù)據(jù)分析工具，為配電系統(tǒng)運行管理*化和節(jié)能降耗提供指導。
6安科瑞電能質量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型
6.1集中治理
針對醫(yī)療行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的電梯、空調、風機、大型水泵等電器設備及數(shù)量較多的計算機和音頻等網(wǎng)絡通信設備，為減少諧波對電網(wǎng)側的危害和影響，同時確保無功功率因數(shù)達到國標要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進行電能質量在線監(jiān)測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見表2。
表2電能質量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表
6.2就地治理
核磁共振器MRI、CT機、X光機及UPS作為醫(yī)療行業(yè)中重要的末端設備，運行過程中不可避免的對整個醫(yī)療供配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波污染，電流畸變率一般會達到40%~50%。同時醫(yī)院照明普遍采用LED熒光燈、金鹵燈、調光器等，此類照明裝置主要負荷類型為開關電源型，諧波電流以3次諧波電流為主，3次諧波電流作為零序電流，三相矢量角度一致，因此向N線進行疊加，導致N線電流過大。針對以上負載情況，建議在各重要設備的配電箱增加電能質量補償設備進行就地治理，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個配電系統(tǒng)和其他用電設備。
就地治理的產(chǎn)品選型見表3
7上海某中心人民醫(yī)院電能質量治理項目案例
7.1項目背景
以上海某中心人民醫(yī)院諧波治理和無功補償項目為例，考慮到醫(yī)院復雜的各種先進醫(yī)療設備如核磁共振、 CT機、 血透機等，同時各種LED節(jié)能照明設備、變頻空調、電梯設備等大量投入使用，使用過程中會產(chǎn)生大量的諧波，對醫(yī)院中1-4號變壓器進線柜和4號變壓器無功柜進行測量，并根據(jù)具體測量數(shù)據(jù)給出相應的治理方案。
7.2測量結果
以1號變壓器為例，變壓器負載側和進線側測量數(shù)據(jù)分別如下：
負載側
進線側
由上述兩組數(shù)據(jù)可看出，一號變壓器無功補償前功率因數(shù)0.95，現(xiàn)場只投入兩組，補償后功率達到0.97，諧波的主要次數(shù)為3次，5次和7次，對于5次和7次諧波可通過在配電房集中治理，消滅諧波對整個供配電系統(tǒng)、變壓器、無功柜和其它用電設備的影響；通過數(shù)據(jù)得到由于3次諧波在N線線性疊加，N線電流約140A，對其進行末端就地治理，防止諧波對N線造成損害，保護線路，同時阻止火災的發(fā)生。
7.3治理方案
由于系統(tǒng)中無功柜均為純容性，較易與諧波電流產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，放大諧波電流，使無功柜受到損害，在諧波較大的場合建議改造，具體方案如下：
方案一：集中治理：建議配電房無功柜改造，并串接14%電抗，結合AnSin-G Ⅰ型有源諧波治理系統(tǒng)裝置進行集中諧波治理；無功柜未投入時功率因數(shù)較好，若不改造，在不影響功率因數(shù)的基礎上可先暫停，直接裝設有源諧波治理系統(tǒng)裝置進行諧波治理。
方案二：就地治理：建議在樓層配電間或負載末端加裝ANSNP中線安防保護器，治理3N次諧波和三相不平衡導致N線電流過大問題，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個配電系統(tǒng)和其他用電設備。
8結論
現(xiàn)代醫(yī)療行業(yè)中的設備普遍采用電力電子變流和控制器件，使醫(yī)院非線性醫(yī)療設備負荷的種類和數(shù)量迅速增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統(tǒng)和醫(yī)療設備帶來巨大危害。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、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟損失相當巨大。通過對醫(yī)院供配電系統(tǒng)電能質量進行研究，結合系統(tǒng)平臺提出合理的整體解決方案，對改良供電質量，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。
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