淺談諧波對醫(yī)院電力運行的危害

張羽翔

[摘要] 隨著醫(yī)療技術(shù)的飛速進步和醫(yī)院自身的發(fā)展需求，越來越多精密的、對電能質(zhì)量敏感的醫(yī)療設(shè)備被投入使用，其中不乏使用大量電力電子元器件的醫(yī)療放射影像設(shè)備，而這些非線性負載又不可避免地產(chǎn)生大量諧波，對電能質(zhì)量造成嚴重危害。這個矛盾給醫(yī)院實際電力運行帶來許多問題，同時也對變壓器等電力設(shè)備的安全運行造成影響。該文結(jié)合對配電室低壓進線柜電能質(zhì)量的分析，闡述電力運行過程中諧波帶來的危害。

[關(guān)鍵詞] 醫(yī)院;諧波;分析;危害

[中圖分類號] R19 [文獻標識碼] A [文章編號] 1672-5654（2019）03（a）-0118-04

Talking about the Harm of Harmonics to Hospital Electric Power Operation

ZHANG Yu-xiang

Beijing Hospital of Traditional Chinese Medicine， Capital Medical University， Beijing， 100010 China

[Abstract] With the rapid advancement of medical technology and the development needs of hospitals， more and more sophisticated medical equipment sensitive to power quality has been put into use， including medical radiography equipment using a large number of power electronic components. Non-linear loads inevitably generate a large number of harmonics， which cause serious damage to power quality. This contradiction brings many problems to the actual operation of the hospital， and also affects the safe operation of power equipment such as transformers. This paper combines the analysis of power quality of low-voltage incoming cabinets in power distribution rooms to illustrate the hazards caused by harmonics during power operation.

[Key words] Hospital; Harmonics; Analysis; Hazards

“十三五”規(guī)劃中明確提出大力發(fā)展中醫(yī)醫(yī)療服務(wù)，完善公立中醫(yī)醫(yī)療機構(gòu)占主導(dǎo)地位的中醫(yī)醫(yī)療服務(wù)體系，中醫(yī)藥事業(yè)迎來了重要的發(fā)展機遇。現(xiàn)代化中醫(yī)醫(yī)院的醫(yī)療和科研模式不斷向前發(fā)展，對于先進儀器設(shè)備的更新需求日益增加。這些設(shè)備多為非線性負荷，在使用過程中會向電力系統(tǒng)傳送大量諧波，給電力設(shè)備及系統(tǒng)中其他負荷的安全運行帶來不利因素[1]。

1? 電能質(zhì)量

電能質(zhì)量是指電力系統(tǒng)中電能的質(zhì)量，它包括電壓、頻率和波形的質(zhì)量[2]。理想的電能應(yīng)該是標準對稱的正弦波，三相交流電壓平衡，且均方根值和頻率恒定，波形受到外在因素的影響會偏離對稱正弦，由此便產(chǎn)生了電能質(zhì)量問題[3]。

1.1? 電壓

電壓質(zhì)量對各類電器設(shè)備（包括用電設(shè)備）的安全、經(jīng)濟運行有直接的影響。因為電氣設(shè)備都是按在額定電壓條件下運行而設(shè)計制造的，當(dāng)其端電壓偏離額定電壓時，電氣設(shè)備的性能就要受到影響。例如，當(dāng)電壓過高時，會使各類電氣設(shè)備絕緣老化過程加快、設(shè)備壽命縮短等，過電壓情況下甚至?xí)C設(shè)備運行安全[4]。

理想的供電電壓應(yīng)該是幅值恒為額定值的三項對稱正弦電壓。由于供電系統(tǒng)存在用電負荷的變化和用電負荷的性質(zhì)（如沖擊性負荷、非線性負荷）等因素，實際供電電壓無論是在幅值上、波形上還是三相對稱性上都可能與理想電壓之間存在偏差[5]。

電壓偏差是供電系統(tǒng)在正常運行條件下，運行電壓對系統(tǒng)標稱電壓的偏差相對值，以百分數(shù)表示[6]，即：

式中：△u——電壓偏差百分數(shù)，%;U——運行電壓，V;Un——系統(tǒng)標稱電壓，V。

我國對于電壓偏差已經(jīng)有了相應(yīng)的國家標準規(guī)定，其中GB/T12325-90《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》 規(guī)定了供電端到用戶受電端的供電電壓偏差限值為：①35 kV及以上電壓供電的，電壓正、負偏差絕對值之和不超過額定電壓10%;（2）10 kV及以下三相供電的，電壓允許偏差為額定電壓的±7%;（3）220 V單相供電的，電壓允許偏差為額定電壓的+7%～-10%。

1.2? 波形

日常使用的交流電是正弦交流電，正弦交流電的波形要求是嚴格的正弦波（包括電壓和電流）。但由于電力系統(tǒng)中存在大量非線性負載，使得實際的電壓波形偏離正弦波，這種現(xiàn)象稱為電壓正弦波形畸變，表征波形畸變程度的總諧波率，使用周期性交流量中的諧波含量與其基波分量均方根值（有效值）之比，用百分數(shù)表示。電壓、電流總諧波畸變率THDU、THDI分別為：

式中：THDU——電壓總諧波畸變率，%;Uh——第h次諧波電壓均方根值，V;U1——基波電壓均方根值，V。

式中：THDI——電流總諧波畸變率，%;Ih——第h次諧波電流均方根值，A;I1——基波電流均方根值，A。

GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定各級電網(wǎng)相電壓的諧波總畸變率：①220 kV和110 kV是 2.0%;②35～66 kV 是 3.0%;③6～10 kV 是 4.0%;④0.38 kV 是 5.0%。

GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定公共聯(lián)接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量（方均根值）不應(yīng)超過表1中的允許值。

2? 醫(yī)院配電概況

2.1? 配電設(shè)備及負載

該院共有兩路10 kV外電源進行供電，院內(nèi)共有2個變電室：總變電室、315變電室?？傋冸娛抑泄灿?3臺KYN28-12高壓配電柜、4臺SCB9-1250干式變壓器、24臺ID2000型低壓配電柜、4臺SIVACON低壓應(yīng)急柜、8臺電容柜，主要為院內(nèi)門診樓和病房樓等醫(yī)療區(qū)域、辦公區(qū)域、公共區(qū)域供電。其中，考慮距離和容量等實際情況，4#變壓器所帶負載中包括3T核磁機及其冷卻機。315變電室中共有2臺XGN15-12高壓環(huán)網(wǎng)柜、1臺SC10-315干式變壓器、3臺MZS低壓配電柜，專門為院內(nèi)大型醫(yī)療放射設(shè)備以及超聲設(shè)備供電。

2.2? 電力運行問題

2017年10月，3 T核磁配電間及總變電室出現(xiàn)“越級跳閘”現(xiàn)象;經(jīng)檢查，3 T核磁配電間低壓配電開關(guān)未動作，而總變電室4#變低壓側(cè)出線開關(guān)在運行動作。后經(jīng)專業(yè)人員現(xiàn)場分析，排除配電開關(guān)整定值不匹配、核磁設(shè)備及配電開關(guān)故障等原因，判斷故障可能是由于諧波造成。另外，4#變壓器在增加3 T核磁負載后噪聲明顯增大，分析原因可能由諧波造成。

2018年4月，超聲科多臺設(shè)備出現(xiàn)自動保護情況，無法正常使用，經(jīng)檢查，315變電室低壓配電開關(guān)未動作，科室設(shè)備末端開關(guān)未動作。后經(jīng)設(shè)備廠家專業(yè)人員檢查，設(shè)備觸發(fā)了“過電壓保護”，后經(jīng)專業(yè)人員分析，判斷故障可能是由于流竄于電力系統(tǒng)中的諧波造成。

3? 電能質(zhì)量檢測

3.1? 測試點及測試設(shè)備

針對在實際電力運行中遇到的問題，我院對3T核磁配電間及315變電室低壓進線柜住進開關(guān)分別進行了測試，時間為2 h;測試設(shè)備采用美國福祿克公司生產(chǎn)的435-Ⅱ便攜式電能質(zhì)量測試儀，它有如下特點：①各相電壓真有效值（TRMS）測量達1 000 Vrms AC/DC;②各相電流真有效值（TRMS）測量可至60 KA;③電壓、電流或功率諧波相位角和諧波含有率測量（相對基波），至50次諧波;④諧波模式下，各次諧波含量序列排列顯示，并計算總諧波畸變率;⑤實時三相電壓/電流相位圖顯示（包含各相有效值和相角）;⑥在趨勢圖模式下，可記錄儲存所有參數(shù);⑦配置USB通訊接口，可將測量記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為Excel格式等，并可實時顯示各電量參數(shù)及波形圖、相位圖等。

3.2? 測試數(shù)據(jù)及分析

3.2.1 測試位置? 3T核磁配電間，見表2、圖1。

具體問題分析：各相電壓偏差均在國家標準范圍內(nèi);諧波電流最大值測試記錄數(shù)據(jù)中最大值為5次諧波的 47.12 A，低于國標中5次諧波電流允許值62 A;三相電壓畸變率 THDu 測試記錄數(shù)據(jù)中最大值為3.64%，低于5%的國家標準;典型諧波為5、7、11 次諧波。這說明3T核磁設(shè)備向電力系統(tǒng)中輸送諧波，但由于單臺設(shè)備，所以諧波各項參數(shù)均在國標范圍之內(nèi)，但諧波的存在會使變壓器噪聲增大，可能造成開關(guān)設(shè)備誤動作，增加電力系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定性。

3.2.2 測試位置? 315變電間，見表3、圖2。

具體問題分析：各相電壓偏差均超出了國家標準范圍;諧波電流最大值測試記錄數(shù)據(jù)中最大值為3次諧波的 86.74 A，高于國標中3次諧波電流允許值62 A;三相電壓畸變率 THDu 測試記錄數(shù)據(jù)中最大值為14.48%，嚴重高于5%的行業(yè)通用標準，典型諧波為3、5、7、11 次諧波。這表明由于諧波的疊加效應(yīng)，使得諧波各項指標超標，諧波在電力系統(tǒng)中流竄，會使用電設(shè)備之間互相干擾，使變壓器噪聲增大，增加電力系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定性。

4? 諧波的危害

4.1? 增加變壓器損耗

利用等值法，得到變壓器的T型等效電路，將各次諧波分量看做獨立的電源，分別施加在變壓器上，計算各次諧波損耗之和即為變壓器總的諧波損耗。

由變壓器短路和空載試驗可得。

由此可知變壓器各次諧波損耗與基波損耗呈一定的數(shù)值關(guān)系，利用疊加原理，將各個諧波分量所帶來的變壓器附加諧波損耗相疊加。則變壓器總的諧波損耗為各次諧波損耗之和為各個獨立電源損耗之和。

所以，諧波的存在會使變壓器的損耗增加，容易出現(xiàn)過熱、噪聲增大等情況，同時使其絕緣介質(zhì)老化加速，縮短使用壽命。

4.2? 影響配電設(shè)備安全使用

為補償供電系統(tǒng)的無功功率，提高功率因數(shù)，通常在主變低壓側(cè)會配備電容柜。當(dāng)諧波電壓加在電容器兩端時，由于電容器對諧波的阻抗很小，電容器很容易發(fā)生過電流發(fā)熱導(dǎo)致絕緣擊穿甚至燒毀。諧波電流也會增加電力線纜的電能損耗和電壓損耗，可使電力系統(tǒng)發(fā)生電壓諧振，從而在線路上引起過電壓，有可能擊穿線纜的絕緣。此外，諧波電流還可能造成繼電保護和自動裝置發(fā)生誤動作或拒動作，對電力系統(tǒng)的安全運行造成影響。

4.3? 危害醫(yī)療設(shè)備正常工作

隨著醫(yī)院的快速發(fā)展，有越來越多的精密醫(yī)療設(shè)備投入使用，例如：磁共振成像、心電圖機、CT等，這些先進的醫(yī)療設(shè)備大多都具有高檔的計算機部件和大量的高靈敏電子器件，對供電電源的電能質(zhì)量要求很高。諧波會造成設(shè)備出現(xiàn)數(shù)據(jù)差錯、圖像模糊、信息丟失，甚至?xí)斐捎布蝗粨p壞，軟件遭到?jīng)_擊，設(shè)備無法繼續(xù)正常工作，會給醫(yī)院造成較大經(jīng)濟損失，同樣對醫(yī)療秩序造成一定影響。

5? 小結(jié)

醫(yī)院大型放射影像設(shè)備對于電能質(zhì)量要求較高，但是同時也在向電力系統(tǒng)中源源不斷的輸送諧波。諧波的存在不僅會增加變壓器、電力線纜的損耗，還會給電力系統(tǒng)的安全運行帶來不確定性因素，威脅精密儀器設(shè)備安全。所以，在日常電力運行過程中應(yīng)充分重視諧波的存在及危害，采取對大型放射影像設(shè)備集中供電及加裝濾波器等方式，加強對供配電設(shè)備的日常巡查，從而將諧波的危害程度降到最低，確保醫(yī)院電力系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行。

[參考文獻]

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