醫(yī)院供用電系統(tǒng)諧波治理技術(shù)

周　巖/何珍棟

(中國(guó)新興建設(shè)開(kāi)發(fā)總公司，北京 100039)

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醫(yī)院供用電系統(tǒng)諧波治理技術(shù)

周巖/何珍棟

(中國(guó)新興建設(shè)開(kāi)發(fā)總公司，北京 100039)

簡(jiǎn)要介紹電力諧波污染的概念和有關(guān)國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，并舉例說(shuō)明某醫(yī)院建筑供用電系統(tǒng)中存在的電能質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)該院內(nèi)主要醫(yī)療設(shè)備供電電能質(zhì)量的凈化提出了解決思路和方法，具有很好的推廣價(jià)值與應(yīng)用前景。

醫(yī)療電氣設(shè)備電能質(zhì)量諧波電力濾波器

0　概述

隨著科技水平的提升，醫(yī)院建筑內(nèi)的非線性負(fù)荷(如計(jì)算機(jī)、空調(diào)、變頻、UPS、電子器件等)比重也隨之增大，電力諧波、電壓波動(dòng)和電磁干擾等因素使電磁環(huán)境、電能質(zhì)量迅速惡化，給醫(yī)院電氣安全與醫(yī)院醫(yī)療、檢驗(yàn)設(shè)備的正常工作帶來(lái)嚴(yán)重危害，是危害醫(yī)院手術(shù)環(huán)境的重要因素，其中，電力諧波對(duì)醫(yī)療設(shè)備的干擾尤為嚴(yán)重，所以對(duì)醫(yī)院用電系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理很有必要。

美國(guó)IEEE在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(dòng)等非線性負(fù)載>50%時(shí)，變壓器應(yīng)在其容量的50%下運(yùn)行；ANSI/IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)中明確提出，計(jì)算機(jī)和類似設(shè)備的諧波電壓畸變因數(shù)THD應(yīng)在5%以下，一些關(guān)鍵性使用場(chǎng)所(如醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)等直接涉及人身安全的場(chǎng)所)則要求THD應(yīng)<3%。我國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549《電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定了電網(wǎng)標(biāo)稱電壓為380V，電壓總諧波畸變率THD限值應(yīng)在5%以下。

醫(yī)院內(nèi)部電氣設(shè)施和大量現(xiàn)代化電子設(shè)備產(chǎn)生的大量諧波會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng)，危害醫(yī)院電能質(zhì)量使其下降，因此，在設(shè)計(jì)建設(shè)醫(yī)院建筑供用電系統(tǒng)時(shí)期就必須要充分考慮諧波問(wèn)題的解決。

1　醫(yī)院供用電系統(tǒng)的諧波來(lái)源分析

某市中心醫(yī)院為綜合性三級(jí)甲等醫(yī)院，本工程為擴(kuò)建門(mén)診病房樓項(xiàng)目(全科醫(yī)生臨床培養(yǎng)基地)?？偨ㄖ娣e52 083m2，地上6～17層，地下2層，最大建筑高度71m。本工程為高層民用建筑及裙房，建筑物耐火等級(jí)一級(jí)，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架、框架剪力墻結(jié)構(gòu)。擴(kuò)建門(mén)診病房樓建筑外觀效果圖如圖1所示。擴(kuò)建門(mén)診病房樓主要設(shè)施設(shè)備如表1所示。

表1所示的設(shè)備和設(shè)施多半具有電力電子器件和電磁設(shè)備，其電氣特性產(chǎn)生的主要特征諧波如表2所示。

表1　醫(yī)院主要建筑和醫(yī)療設(shè)施設(shè)備

表2　醫(yī)院主要設(shè)施設(shè)備的主要特征諧波

注：表2中“●”表示該次諧波成分的比例；“-”表示不含該次諧波成分。

圖1　擴(kuò)建門(mén)診病房樓建筑外觀效果圖

從表2可看出，醫(yī)院供用電設(shè)備本身的主要特征諧波按照所占權(quán)重分別是5次、7次和3次諧波，其次是11、13次諧波。按照實(shí)際測(cè)量統(tǒng)計(jì)和理論計(jì)算的結(jié)果可知，上述幾類諧波占總諧波含量的90%～95%。從統(tǒng)計(jì)中可看出，醫(yī)院供用電系統(tǒng)的電能質(zhì)量主要是受到表2中設(shè)備特征諧波的干擾，反映到醫(yī)院整體電能質(zhì)量和THD水平，就是設(shè)備綜合諧波疊加的結(jié)果，所以設(shè)備既是電能諧波危害的受影響者又是電力諧波的產(chǎn)生者。

2　醫(yī)院供用電系統(tǒng)諧波處理方法

就醫(yī)院建筑設(shè)施部分而言，根據(jù)IEC和IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可知，醫(yī)院供電系統(tǒng)設(shè)備本身進(jìn)行容量設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮到用電系統(tǒng)設(shè)備受到諧波危害后導(dǎo)電系統(tǒng)的冗余量設(shè)計(jì)。關(guān)于諧波的計(jì)算和測(cè)量可參閱GB/T 1459-1993及其他有關(guān)書(shū)籍，此處不再贅述。在工程上還可以采用判斷、類比以及考慮設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的要求等因素來(lái)采用有效措施。一般小型醫(yī)院的非線性負(fù)載占電氣設(shè)備總?cè)萘康谋嚷什皇呛芨?，可以忽略諧波對(duì)電源的影響，規(guī)模較大的醫(yī)院都含有表2所列的非線性設(shè)備，容量要達(dá)到200～600kW或更高，且設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下峰值電流也很高?？紤]設(shè)備群本身的調(diào)節(jié)因素，對(duì)產(chǎn)生諧波的設(shè)備可做如下處理。

2.1設(shè)置專用變壓器

將表2中的醫(yī)療診斷設(shè)備與其他設(shè)備分開(kāi)，選用優(yōu)質(zhì)變壓器分別作為這些醫(yī)療診斷設(shè)備的電源，即大、中型綜合性醫(yī)院的醫(yī)療診斷設(shè)備應(yīng)單獨(dú)設(shè)置專用變壓器。由于醫(yī)院診斷設(shè)備是醫(yī)院搶救治療病人的重要設(shè)備，有些設(shè)備是需要連續(xù)工作的，所以必須要有兩路相互獨(dú)立的電源供電。

2.2采用電力濾波器

通過(guò)測(cè)量計(jì)算，并對(duì)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)諧波電壓限值的要求，確定是否安裝電力濾波器。電力濾波器分為有源、無(wú)源兩種形式，無(wú)源濾波器可針對(duì)某次諧波，通過(guò)對(duì)電阻、電容、電感等無(wú)源器件的組合進(jìn)行濾除，適用于對(duì)電網(wǎng)中某次諧波含量高及其他諧波含量低的情況，無(wú)源濾波器示意圖如圖2所示。有源電力濾波器是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備，由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成，有源濾波器可以濾除多次諧波含量，凈化電網(wǎng)效果顯著，有源濾波器示意圖如圖3所示。

圖2　無(wú)源濾波器示意圖

圖3　有源濾波器示意圖

根據(jù)電力濾波器濾波位置的不同可以有如下三種濾波器的安裝方式。

(1)濾波器連接在醫(yī)療診斷設(shè)備的專用變壓器上，對(duì)變壓器所接全部負(fù)載均起作用。這種方式要求濾波器容量大，對(duì)多次諧波都能發(fā)揮作用，因此適合有源濾波。

(2)對(duì)非線性負(fù)載相對(duì)集中的機(jī)房，采用集中加裝有源濾波器的方式，既能改善設(shè)備本身諧波的干擾，又減少對(duì)電網(wǎng)的污染。

(3)一對(duì)一方式，這種方式針對(duì)性強(qiáng)、效果顯著，適用于比較重要且有分散設(shè)備的場(chǎng)所，但投資較高，選擇時(shí)要進(jìn)行綜合考慮，以獲取最佳的投資效果。

3　部分大型醫(yī)用設(shè)備的負(fù)載容量和諧波統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)擴(kuò)建門(mén)診病房樓配電系統(tǒng)的主要設(shè)備配置進(jìn)行典型分析可知，該配電系統(tǒng)負(fù)載類型復(fù)雜，主要包含多種大型醫(yī)療器械(MR、CT等)、照明、風(fēng)機(jī)、電梯、精密空調(diào)等。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)主要醫(yī)療診斷設(shè)備設(shè)施的動(dòng)力負(fù)載容量，可以發(fā)現(xiàn)，大型醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)稱能耗較高，部分設(shè)備峰值電流很大。根據(jù)對(duì)上述負(fù)載設(shè)備電氣特性進(jìn)行分析可知，上述設(shè)備的諧波含量變化幅度較大，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的調(diào)節(jié)有較高要求。

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該系統(tǒng)由8臺(tái)變壓器供電，選擇1#、2#變壓器進(jìn)行分析，2臺(tái)變壓器的低壓側(cè)總進(jìn)線三相電壓、電流有效值和總諧波畸變率分別如表3和表4所示。

表3　1#變壓器低壓側(cè)的三相電壓電流有效值、總諧波畸變率

由表3～4可知，各臺(tái)變壓器總的諧波電流為40～70A，電流畸變率在20%左右，此時(shí)電流的波形嚴(yán)重失真，其中3、5、7次諧波為主要諧波。

表4　2#變壓器低壓側(cè)的三相電壓電流有效值、總諧波畸變率

考慮到醫(yī)院設(shè)施設(shè)備的綜合情況和投資效益比，本項(xiàng)目對(duì)價(jià)值昂貴的設(shè)備和功能重要的診斷治療設(shè)備設(shè)施，在其電源供應(yīng)上設(shè)置了健全的諧波濾波設(shè)備，對(duì)主要電力諧波和電壓突變采取有效的針對(duì)性消除，并利用有源濾波器消除有關(guān)電磁干擾對(duì)精密醫(yī)療電子設(shè)備的影響，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的全面保障。

通過(guò)分析前面提到的電力濾波器的三種接線方式和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后決定采用方式(1)對(duì)本院重要醫(yī)療診斷設(shè)備進(jìn)行濾波保護(hù)，在1#變壓器的低壓側(cè)安裝1臺(tái)100A的有源濾波器，在2#變壓器的低壓側(cè)安裝1臺(tái)50A的有源濾波器。

加裝有源電力諧波裝置后，接于該安裝點(diǎn)后的所有設(shè)備將得到可靠的保護(hù)，有源濾波器可對(duì)主要3、5、7次諧波和高次諧波進(jìn)行處理，可完全消除電力諧波和電壓波動(dòng)對(duì)設(shè)備的干擾和潛在危害。總體電能質(zhì)量水平將達(dá)到或優(yōu)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足重要設(shè)備的標(biāo)定工作條件。

4　結(jié)束語(yǔ)

若電力濾波器僅安裝在總配電房的低壓配電處，如果醫(yī)院某個(gè)科室的設(shè)備或儀器產(chǎn)生大量的諧波，那將降低附近各個(gè)科室的供電質(zhì)量，影響各個(gè)儀器的正常工作?？梢愿鶕?jù)具體電流諧波的檢測(cè)結(jié)果，在大量產(chǎn)生諧波的醫(yī)療儀器和電梯設(shè)備等處同時(shí)加裝電力濾波器，進(jìn)而更好地凈化醫(yī)院內(nèi)的電能，使醫(yī)院供電電網(wǎng)質(zhì)量得到更可靠的保證。

在對(duì)行業(yè)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)論證提出通過(guò)設(shè)置專用變壓器和多點(diǎn)采用電力濾波器來(lái)濾除諧波的方式，不僅克服了以往在單一點(diǎn)或采用單一方式濾除諧波達(dá)不到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的弊端，還可以將諧波量有效地控制在嚴(yán)苛的限值以內(nèi)，防止諧波污染對(duì)電網(wǎng)和各種電氣設(shè)備造成危害，總體電能質(zhì)量水平將達(dá)到或優(yōu)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足重要設(shè)備的標(biāo)定工作條件，具有很好的推廣價(jià)值與應(yīng)用前景。

[1]JGJ 16-2008 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009：5-15.

[3]工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005：280-291.

[4]GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

周巖

畢業(yè)于西北建筑工程學(xué)院，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，國(guó)家注冊(cè)電氣工程師，設(shè)備室副主任，研究領(lǐng)域：建筑電氣技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介

何珍棟

畢業(yè)于北京建筑大學(xué)，碩士研究生，工程師，研究領(lǐng)域：建筑電氣、控制理論與控制工程。

Harmonic Treatment Technology for Hospital Power Supply System

Zhou Yan/He Zhendong

The concept of the electric power harmonic pollution and the related international and domestic standards are intraluced briefly,and illustrating power quality problems in power supply system in the hospital,and aimed at purification of power supply quality for the major medical equipment the design ideas and methods are forward,it has good popularization value and application prospect.

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