安科瑞 周菁
江蘇安科瑞電器制造有限公司 江陰
摘要
現今科技發(fā)展日新月異，醫療水平不斷提高，同時(shí)也伴隨著(zhù)各種大型醫療設備的引入，這些醫療設施中產(chǎn)生大量諧波，給醫療設備的電氣安全和設備的正常工作帶來(lái)嚴重危害，有源濾波裝置成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵裝置。
關(guān)鍵詞 有源濾波裝置 諧波 治理 醫療機構
引言
本文從分析醫院中哪些設備是諧波源，分析其危害，提出治理措施，并以實(shí)際案例來(lái)分析有源濾波裝置如何選型。
1醫院供配電系統諧波源
1.1醫療設備
在醫療設備中有大量的電力電子元器件，這些設備在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量諧波，造成污染。比較常見(jiàn)的設備有MRI（核磁共振儀）、CT機、X線(xiàn)機、DSA(心血管造影機）等。其中，MRI工作時(shí)會(huì )生成射頻脈沖和交變磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生核磁共振，而射頻脈沖和交變磁場(chǎng)都會(huì )帶來(lái)諧波污染；X光機中高壓整流器的整流橋工作時(shí)將產(chǎn)生較大諧波，而且X光機為瞬時(shí)性負荷，工作時(shí)電壓可達幾十千伏，變壓器的原邊將增加60~70kw的瞬時(shí)負荷，也會(huì )增加電網(wǎng)諧波。
1.2電器設備
醫院中的通風(fēng)設備如空調、風(fēng)機等，以及照明設備如熒光燈都會(huì )產(chǎn)生大量諧波。為了節約能源，醫院中大都采用變頻風(fēng)機及空調。變頻器是一種非常重要的諧波源，其總諧波電流畸變率THD-i達到33%以上，會(huì )產(chǎn)生大量5、7次諧波電流污染電網(wǎng)。醫院內部的照明設備中，有大量的熒光燈具，也會(huì )產(chǎn)生大量的諧波電流。當多個(gè)熒光燈接成三相四線(xiàn)負載時(shí)，中線(xiàn)會(huì )流過(guò)很大的三次諧波電流。
1.3通信設備
目前醫院均為計算機網(wǎng)絡(luò )化管理，這就表示計算機數量、視頻監控和音頻設備數量很多，而這些都是典型的諧波源。此外，計算機網(wǎng)絡(luò )管理系統中有存儲數據的服務(wù)器，配有UPS等備用電源。UPS先將市電整流成直流電，一部分儲存在電池中，另一部分通過(guò)逆變器轉換成穩壓交流電向負載供電；當市電終端供應時(shí)，改由電池向逆變器供電以繼續工作，保證負載的正常運作。而我們知道，整流和逆變會(huì )采用到IGBT和PWM技術(shù)，所以UPS在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量3、5、7次諧波電流。
2諧波對醫療設備的危害
從上面的描述中我們可以發(fā)現，醫院的配電系統中有很多諧波源，會(huì )產(chǎn)生大量諧波（以3、5、7次諧波為多）嚴重污染電網(wǎng)，引起諧波超標、中性線(xiàn)諧波過(guò)載等電能質(zhì)量問(wèn)題。這些問(wèn)題都會(huì )影響醫療設備的使用。
2.1諧波對影像采集類(lèi)設備的危害
由于受到諧波的影響，醫療工作人員經(jīng)常會(huì )遇到設備故障。這些故障輕則發(fā)生數據差錯、圖像模糊、信息丟失等問(wèn)題，重則損壞電路板元器件造成醫療設備無(wú)法繼續正常工作；特別是一些成像設備，受到諧波影響時(shí)內部的電子元件可能會(huì )記錄波動(dòng)并改變輸出，將導致波形圖像重疊變形或模糊不清，容易造成誤診。
2.2諧波對治療護理儀器的危害
治療用電子儀器有很多，受諧波危害較大的是手術(shù)治療儀器。手術(shù)治療是指用激光、高頻電磁波、放射線(xiàn)、微波、超聲等單獨的或配合傳統手術(shù)的治療。相關(guān)設備受到諧波干擾，輸出信號中將含有雜波或直接放大諧波信號，對患者造成強烈的電刺激，在對某些重要部位進(jìn)行治療時(shí)，存在重大安全隱患。而護理儀器比如呼吸機、起搏器、心電監護儀等都與被監護人的生命息息相關(guān)，有些儀器的信號本身就非常微弱，當受到諧波干擾時(shí)可能導致采集信息錯誤甚至無(wú)法工作，給患者和醫院造成重大損失。
3諧波的治理措施
根據諧波的產(chǎn)生原因，其治理措施大致可分為以下三種：減少系統阻抗、限制諧波源、安裝濾波裝置。
3.1減少系統阻抗
要達到減少系統阻抗的目的，就要減少非線(xiàn)性用電設備與電源間的電氣距離，換句話(huà)說(shuō)就是提高供電電壓等級。比如某鋼廠(chǎng)的主要設備是電弧爐，原先用35KV供電，由兩個(gè)110KV的變電所分別架設一回35KV專(zhuān)線(xiàn)供電，在35KV的母線(xiàn)上測得諧波分量較高；后改用一個(gè)距離只有4公里的220KV變電所架設5回35KV專(zhuān)線(xiàn)供電，母線(xiàn)上諧波情況明顯好轉，此外該廠(chǎng)還使用了較大容量的同步發(fā)電機，使這些非線(xiàn)性負荷的電氣距離大大下降，使該廠(chǎng)產(chǎn)生的諧波量減少。這種方法的投資大，需要和電網(wǎng)發(fā)展規劃協(xié)調，適用于大型工業(yè)項目，而且醫院要求不間斷連續供電，一般由兩個(gè)或以上變電所供電，故不優(yōu)先考慮此方法。
3.2限制諧波源
此法需要改變諧波源的配置，限制大量產(chǎn)生諧波的工作方式，集中使用具有諧波互補性的裝置使設備諧波互相抵消；增加變流裝置的相數，使特征諧波次數提高，從而大大地降低諧波電流的值。這種方法需要重新布置設備線(xiàn)路，協(xié)調安排儀器的使用配合，具有較高的局限性。醫院可以根據自身情況稍作調整，可以在一定程度上減少諧波量。
3.3安裝濾波裝置
目前常用的交流濾波裝置有：無(wú)源濾波裝置、有源濾波裝置（APF）兩種。無(wú)源濾波裝置又稱(chēng)LC濾波裝置，是利用LC諧振原理，人為地造成一條串聯(lián)諧振支路，為準備濾除的特定次數諧波提供阻抗極低的通道，使之不注入電網(wǎng)。無(wú)源濾波裝置結構簡(jiǎn)單，吸收諧波效果較明顯，但于固有頻率的諧波，而且補償特性售電網(wǎng)阻抗的影響很大（在特定頻率下，電網(wǎng)阻抗和LC濾波裝置之間可能會(huì )發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振）。有源濾波裝置（APF）是一種新型電力電子裝置，用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補償無(wú)功。它能夠實(shí)時(shí)的采集并分析負載的電流信號，分離各次諧波和無(wú)功，通過(guò)控制器控制變流器輸出與諧波及無(wú)功電流等幅、反向的補償電流，抵消負載中諧波電流，從而達到諧波治理的目的。有源濾波裝置具有實(shí)時(shí)跟蹤、響應迅速、補償（可同時(shí)補償無(wú)功和2~31次諧波）等顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。
4 ANAPF有源濾波裝置在醫療機構中的具體應用
隨著(zhù)人們生活水平的不斷提高以及人口老齡化加速到來(lái)，醫療服務(wù)需求正在穩步增加，醫療服務(wù)產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入快速增長(cháng)期，而醫療行業(yè)顯著(zhù)也是重要的代表就是醫院。由于醫院特殊的社會(huì )價(jià)值和重要性，其電能質(zhì)量問(wèn)題的解決刻不容緩。
4.1 ANAPF的選型
諧波治理的好處，首先就是病患和醫護人員的人身安全的到保障，即通過(guò)治理諧波減少或消除其對配電系統的不良影響，保證變壓器和醫療儀器的正常運行；其次直接體現經(jīng)濟效益，即保障低壓電容補償系統的正常運行，發(fā)揮其應有的作用，降低電網(wǎng)中諧波含量，并且提高功率因數，減少無(wú)功損耗，延長(cháng)設備使用壽命。
某市區人民醫院配電系統，主要負載為電子醫療設備、照明及變頻通風(fēng)設備、計算機及UPS等，其主要負載諧波電流畸變率大致可參考下表。
通過(guò)現場(chǎng)人員了解到，此次需要治理諧波的負載集中在4臺變壓器下，這4臺變壓器容量分別為：兩臺1600KVA，具體參數如圖1所示。
圖1 蘇州區人民醫院3#變壓器
兩臺2000KVA，具體參數如圖2所示。
圖2 蘇州區人民醫院5#變壓器
根據變壓器容量及具體設備使用情況，我們可以發(fā)現系統中多數為非線(xiàn)性設備，產(chǎn)生了大量諧波，對無(wú)功柜和其他用電設備均會(huì )產(chǎn)生影響。為了避免這種危害，考慮到治理效果和成本，并結合客戶(hù)治理需求，根據公式（1）估算，我們此次的方案定為用兩臺200A的有源濾波裝置和兩臺250A的有源濾波裝置分別對4臺變壓器二次側進(jìn)行集中補償。其中兩臺1600KVA的變壓器采用200A的APF配套3000/5的采樣電流互感器，兩臺2000KVA的變壓器采用250A的APF配套4000/5的采樣電流互感器。
4.2 ANAPF的安裝方式
本項目柜體采用的是模塊化組合式安裝，如圖3所示，該方式在此項目中有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1）可根據負載使用變化隨時(shí)增、減APF設備的容量；
（2）每個(gè)模塊單獨安裝散熱單元，并可在柜體上加裝散熱風(fēng)扇，散熱效果良好；
（3）多個(gè)模塊之間雖有通訊連接，但各臺的故障并不會(huì )相互影響其它模塊繼續工作；
（4）后期維護方便，可實(shí)現故障模塊單獨維修、更換；維護期間ANAPF有源濾波裝置可持續工作。
圖3 模塊式組合安裝示意圖
本項目中的安裝方案為負載側集中補償，安裝方便，只需要將柜體放至位置并接入主電路接線(xiàn)以及電流互感器接線(xiàn)即可調試使用，接線(xiàn)原理圖如圖4所示。
圖4 主回路接線(xiàn)及互感器接線(xiàn)原理圖
其中主電路接線(xiàn)一端接于主母排并線(xiàn)點(diǎn)，另一端接于ANAPF的柜后進(jìn)線(xiàn)匯流銅排A/B/C/N上；電流互感器套在ANAPF并網(wǎng)點(diǎn)和需要補償的負載之間進(jìn)行采樣，然后將信號接至柜內互感器接線(xiàn)端子上。
5 結語(yǔ)
從本文中我們可以了解到諧波對醫療行業(yè)的危害是很大的，大量的諧波會(huì )影響儀器的性能和使用，嚴重時(shí)可能危及人身安全；還會(huì )增加線(xiàn)路功率損耗和導體發(fā)熱量，降低設備使用效率和壽命，故治理諧波的重要性不言而喻。通過(guò)安裝有源濾波裝置，能夠很好地達到治理諧波的目的，從而保障人身和設備安全。從短期來(lái)看，治理諧波需要一定的前期資金投入；但從長(cháng)久發(fā)展來(lái)看，ANAPF有源濾波裝置后期維護方便，可實(shí)時(shí)投切使用，它治理諧波所帶來(lái)的經(jīng)濟效益和凈化電網(wǎng)的社會(huì )效益也是很明顯的。
【參考資料】
［1］ 安科瑞電能質(zhì)量監測與治理選型手冊。2015.08版
［2］ 安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版
