醫(yī)院項目中的諧波測量與治理

姚 丹(華東建筑設計研究院總院, 上海 200002)

醫(yī)院項目中的諧波測量與治理

姚 丹
(華東建筑設計研究院總院, 上海 200002)

對整流、高頻電源類型設備的數(shù)學模型進行闡述。對某醫(yī)院項目中一些設備負載運行時產(chǎn)生的諧波進行測量,分析諧波數(shù)據(jù),并給出諧波治理方案。應用案例對大型醫(yī)院項目中的諧波問題具有參考意義。

電能質(zhì)量; 諧波測量; 數(shù)據(jù)分析; 醫(yī)院諧波治理

0 引 言

1993年國家技術(shù)監(jiān)督局制定頒布了GB/T 14549—1993 《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》標準,規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值,限制了用電戶諧波污染的排放。

1995年國家通過了《電力法》,規(guī)定:用戶用電不得危害供電、用電安全和擾亂供電、用電秩序(第三十二條),在電能質(zhì)量治理上必須遵循“誰污染、誰治理”的原則。

1998年,電力工業(yè)部頒發(fā)了《電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定》(電綜(1998) 211號文),該文規(guī)定了國家電力公司是負責全國電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理部門,以各級電力調(diào)動部門為中心,逐步加強對電能質(zhì)量指標的全面運行監(jiān)測。

2001年,國家電力公司下發(fā)了《關(guān)于進一步提高用戶電壓質(zhì)量管理的指導意見》,規(guī)定供電部門應對配電區(qū)的電壓質(zhì)量進行 24 h輪測,發(fā)現(xiàn)電能污染超過“標準”的用戶應采取措施,加裝抑制諧波及功率因數(shù)補償設備,必要時依據(jù)《電力法》規(guī)定,運用法律手段治理電能污染。

1 整流、高頻電源類型設備的數(shù)學模型

整流、高頻電源類負載都含有六脈波整流部分,其輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機理為：六脈整流波形按傅立葉級數(shù)分解,將產(chǎn)生以6n±1次為主的特征諧波,各次諧波電流的含有率約為1/n。眾多現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)也反映了這一特性,主要以5、7次諧波為主,其諧波電流含量很高,諧波電流值很大。其中，高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng),使輸入側(cè)因電流的非正弦而使電網(wǎng)電壓畸變,對系統(tǒng)的其他用電設備造成供電質(zhì)量影響。高頻電源類型設備數(shù)字模型如圖1所示。

圖1 高頻電源類型設備數(shù)字模型

為計算出上述模型的諧波含量,電路中的電感、電容以及等效有功的大小必須已知,但上述數(shù)據(jù)只能知道等效有功的大小,所以將模型等效為阻感負載的三相橋式整流電路進行計算。

忽略換相過程和電流脈動,阻感負載的三相橋式整流電路如圖2所示。同樣,交流側(cè)電抗為0,直流電感Ld為無窮大。設電源為如下三相平衡電源:

圖2 阻感負載的三相橋式整流電流

(1)

(2)

(3)

其中,Em、E分別為電源電壓的幅值和有效值。電流為正負半周各120°的方波,三相電流波形相同,且依次相差120°,其有效值I與直流電流Id的關(guān)系:

(4)

同樣,可將電流波形分解為傅立葉級數(shù)。以A相電流為例,將電流負、正兩半波的中點作為時間零點,則

(5)

其中,k為1,2,3,…,若以A相電壓過零點為時間零點,α為控制角,則有

(6)

可見,無論時間原點的位置取在哪里,因波形未變,所以基波和各次諧波的幅值也不變,只是如果時間原點左移了α,則基波初相減少了α,各次諧波分量的初相角減少了nα。

由上式可得,電流基波和各次諧波有效值分別為

(7)

(8)

由此可得以下結(jié)論:電流中僅含6k1次諧波,各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比,且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。頻譜圖如圖3所示。

圖3 頻譜圖

以上僅是通過簡化的方法,對理想情況下的諧波含量進行了分析,實際情況下整流設備的工作過程較為復雜,諧波含量會有一些變化。

根據(jù)理論分析可以判斷,以整流類和變頻類設備為主要用電設備的用電系統(tǒng),諧波含量超過國家標準。

2 某醫(yī)院的項目實際測量

某醫(yī)院主要測量點有配電房1 250 kVA變壓器的低壓出線側(cè)、X射線進線側(cè)和CT室進線側(cè),分別記為測試點1、測試點2和測試點3。系統(tǒng)配電示意圖如圖4所示。

測試點1圖表數(shù)據(jù)分析如圖5所示。通過圖5可知:

圖4 系統(tǒng)配電示意圖和測量點

(1) 系統(tǒng)電壓波形良好,呈現(xiàn)出嚴格的正弦波形,總畸變率小于1%,對照GB/T 14549—1993,該值沒有越限,諧波電壓無需治理。

(2) 電流波形已經(jīng)完全偏離正弦波,畸變非常嚴重。A、B、C三相的電流最大畸變率分別約為14%、18%和16%。

(3) 主要諧波為3、5、7、9、11次等奇次諧波,治理時針對這些諧波進行;同時,設備正常運行的過程中,母線系統(tǒng)電流中含有少量高次諧波,包括39、41、43、45、47、49次諧波,為電力設備的穩(wěn)定運行埋下隱患。

圖5 測試點1圖表數(shù)據(jù)分析

測試點2的三相電流及電流畸變率如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可知：

圖6 測試點2的A相電流及電流畸變率

圖7 測試點2的B相電流及電流畸變率

(1) 電壓波動很小,相電壓有效值基本穩(wěn)定在230 V左右,畸變率很小,故無需治理。

(2) 電流波形上出現(xiàn)大量尖峰,畸變比較嚴重。A、B、C三相的電流最大畸變率瞬時分別達到400%、80%和80%,如不及時治理,將會產(chǎn)生嚴重后果。

(3) 主要諧波為5、7、9次等奇次諧波。

圖8 測試點2的C相電流及電流畸變率

(4) 三相電流稍微有點不平衡,A相電流比B、C相的小些。三相負載不平衡是造成中性線電流和電壓增高的原因,應及時采取措施進行治理。

測試點3數(shù)據(jù)圖表數(shù)據(jù)如圖9～圖11所示。

圖9 測試點3的A相電流及電流畸變率

圖10 測試點3的B相電流及電流畸變率

由圖9～圖11可知：

(1) 電壓有效值基本不變,近似為一條直線。相電壓有效值基本穩(wěn)定在230 V左右,畸變率很小,符合國家標準。

圖11 測試點3的C相電流及電流畸變率

(2) 電流有效值在某幾個時間點上變化非常明顯,波動范圍比較大。電流畸變率曲線波動很明顯,諧波比較嚴重。A、B、C的三相最大電流畸變率瞬時分別達到80%、80%和70%,應及時消除諧波。

(3) 主要諧波為3、5、7、9次等奇次諧波。

3 治理方案及效益

根據(jù)以上的檢測數(shù)據(jù)和分析,測試點1的電流畸變率約為15%,測試點2和測試點3的電流畸變率非常大,甚至某相瞬時畸變率達到400%,電能質(zhì)量非常差。測試點1是變壓器出線側(cè),即是總負載的進線側(cè),而測試點2和測試點3則是在各個分負載側(cè)。

在綜合醫(yī)院的設計系統(tǒng)中,門診樓的大型醫(yī)療設備儀器比較多,比如核磁共振、X光、CT等等均會產(chǎn)生大量電磁輻射、諧波。設計時對電磁輻射較嚴重場所采用專用屏蔽措施,使其對外界的放射或輻射強度限制在允許范圍內(nèi)。對這些大型設備采用專線供電,按低電阻饋電線路要求進行設計,并在末端增加濾波裝置,可有效地減少諧波。

諧波治理時可選擇兩種方案:① 在總負載側(cè)進行集中補償;② 在每個負載側(cè)進行就地補償。

4 結(jié) 語

醫(yī)院工程項目中一些設備負載運行時產(chǎn)生大量諧波,會導致一些醫(yī)療設備運行異常,所以需濾除電力系統(tǒng)中的諧波,才能保證良好的電能質(zhì)量,使各種醫(yī)療設備正常工作的同時,減少電磁輻射對人體的影響,減少諧波注入對大電網(wǎng)的影響,創(chuàng)造綠色清潔的供電系統(tǒng)。

[1] 盧迪平.非線性負荷諧波特性的分析與評估[D].北京:華北電力大學,2008.

[2] 肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京:中國電力出版社,2004.

[3] GB/T 14549—1993 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].

Harmonic Measurement and Control in Hospital Project

YAO Dan

(East China Architectural Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200002， China)

This paper expounded the mathematical model of rectifier and high frequency power devices.A lot of harmonics are generated when some equipments operate in hospitals project.The actual measurements of harmonic were carried out and the data of harmonic were analyzed.The solution plan of harmonic was given.It can provide references for the harmonic problems in large hospital project.

power quality; harmonic measurement; data analysis; hospital harmonic control

姚 丹(1982—),男,工程師,從事供配電系統(tǒng)及自動化方面的工作。

TM 933

A

1674-8417(2015)10-0044-05

2015-09-23