医疗场所电能质量分析与谐波治理

2018-04-25杨正英

智能建筑电气技术 2018年1期

杨正英

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

0 引言

电力系统发展的初期，电能质量也随之进入人们的视野，但是由于当时电能质量的衡量指标和电力系统的构成比较简单（主要由各类线性荷载包括同步电动机、异步电动机和各种单纯电阻性照明设备组成），因此对于电能质量的治理也主要集中在频率偏移和电压偏移这两个方面。近些年以来，随着科技的飞速发展，电网规模也乘势得到了不断扩大，伴随而来的便是各类用电设备尤其是电力电子设备和高能耗非线性电力设备的急剧增加，进一步导致频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、谐波、供电连续性等电能质量问题的诞生，其中，谐波的影响在一些精密仪器以及有可能危害人身安全的场所显得尤为突出，大量谐波导致集肤效应产生，造成电缆发热，高频涡流损耗增加，对于线路和设备造成巨大的影响甚至损坏。

在医疗领域，由于行业性质特殊，会涉及到影响生命安全的重大事件，随着现代医疗技术的不断进步，各类高精尖医疗设备不断被研发投入到医疗场所当中用于辅助或主导治疗，但在实践当中，这些医疗设备的电能质量水平却由于受到电网中变频驱动或晶闸管整流直流驱动设备、计算机、大型精密医疗设备等非线性负载的谐波影响，造成医疗设备的故障率明显增加，严重影响临床诊治工作，对于涉及生命安全的设备，这样的影响更是致命的。因此，电能质量已经被提升为关系到整个电力系统及医疗场所用电设备的稳定、安全、经济运行，以及人民生命健康的重大问题，引起了供电部门、医疗行业、设计行业以及设备制造行业的高度重视。

1 谐波相关概念

1.1 谐波的定义

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频（50Hz）相同的分量。IEEE标准519—1981中的定义为：谐波为一周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时便有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等说法。

1.2 谐波的产生

电网谐波主要由发电设备（电源端）、输配电设备以及电力系统非线性负载的三个方面引起。

（1）电源端产生的谐波

即使以现代社会的制作工艺来说，发电机的三相绕组在制作上很难做到绝对对称，只能是不断接近于绝对对称，铁心的制作也只能是不断接近于绝对的均匀一致，加上发电机的稳定性等其他一些原因，会产生一些谐波，但一般来说相对较少。

（2）输配电过程产生的谐波

电力变压器是输配电过程中主要的谐波来源，由于变压器的设计需要考虑经济性，其铁心的磁化曲线处于非线性的饱和状态，使得工作时的磁化电流为尖顶型的波形，因而产生奇次谐波。较高的变压器铁心饱和程度使得其工作点偏离了线性曲线，产生了较大的谐波电流，其奇次谐波电流的比例可以达到变压器额定电流的0.5%以上。

（3）电力设备产生的谐波

1）整流晶闸管设备。由于整流晶闸管广泛应用在开关电源、机电控制、充电装置等方面，给电网带来了相当多的谐波。据统计，由整流设备引起的谐波将近达到全部谐波的40%，是谐波的一个主要来源。

2）变频设备。电动机、电梯、水泵、风机等机电设备中常用的变频设备中大部分是相位控制，其谐波成分比较复杂，除了整数次的谐波成分外，还含有一定分数次的谐波成分，变频设备的功率一般较大，其广泛应用对电网造成的谐波也越来越多。

3）气体放电类电光源以及LED光源。气体放电类电光源如高压钠灯、高压汞灯、荧光灯以及金属卤化物灯等，其伏安特性的非线性相当严重，有的电光源还具有负伏安特性，这些都会给输电网带来奇次谐波成分。

4）电器设备。在空调器、冰箱、洗衣机、电风扇等含有绕组的用电设备中，由于不平衡电流的变化也能使电源波形发生改变。另外，计算机、电视机、温控炊具、调光灯具等，因其具有一定的调压整流功能，也会产生高次的奇次谐波成分。这些家用电器设备也成为谐波的一个主要来源。

1.3 谐波的分类

谐波可以根据频率和相序进行分类，最常见的谐波分类方式是根据谐波的频率，分为以下两个大类。

（1）奇次谐波

以基波频率（50Hz）为基础，额定频率为其奇数倍的谐波，被称为“奇次谐波”，影响较大的如3（150Hz）、5（250Hz）、7（350Hz）次谐波。

（2）偶次谐波

以基波频率（50Hz）为基础，额定频率为其偶数倍的谐波，被称为“偶次谐波”，如 2（100Hz）、4（200Hz）、6（300Hz）次谐波。

一般情况下，偶次谐波引起的危害远不及奇次谐波引起的危害更多更大。在平衡的三相系统中，技术人员一般只考虑奇次谐波的影响以及奇次谐波的治理，这是由于对称关系，偶次谐波已经被消除。对于三相整流负载，谐波电流是指6n±1次谐波，如5、7、11、13 等。

1.4 谐波的危害

（1）谐波针对旋转的发电机、电动机，会使其出现降低发电、输电效率，同时也会影响到用电设备的效率，这是由于谐波电流在定子绕组、转子回路及铁心中产生附加损耗，甚至会造成机械共振，引起设备的损坏。

（2）谐波电压叠加在基波上之后使正弦波变得更尖，首先会造成绝缘材料承受的电应力增大，其次还会增加电气设备的磁滞及涡流损耗。对于变压器而言，谐波电流能使变压器增加铜耗，并且会造成局部过热、振动和噪声增大，绝缘老化提速，降低变压器使用寿命，浪费日趋宝贵的能源、降低供电可靠性。

（3）由于电机、变压器、电力电容器、电缆等负载处于经常的变动之中，极易与电网中含有的大量谐波源构成串联或并联的谐振条件，形成谐波振荡的可能性非常高，反过来，产生过电压或过电流又会影响到电力系统中的电机、变压器等负载以及电力系统自身的稳定性，存在极大的输配电事故隐患。

（4）测量仪表、计量装置对谐波极为敏感，目前电能计量逐步采用智能电表，谐波将会造成误动或者拒动，并使测量分析仪表和电能计量出现较大误差，使得采集的数据不具有有效性。

（5）断路器的开断能力会被谐波电流所影响，有可能会造成电弧重燃，发生短路，甚至会引发火灾事故。

（6）谐波对通信系统的干扰更为严重，在通信系统内会产生声频干扰，造成通信信号畸变，伴随严重的噪声，严重时将威胁通信设备及人身安全等。

2 医疗场所谐波分析

2.1 医疗场所谐波产生的主要因素

（1）照明设备：气体放电灯的广泛使用，其产生3次谐波电流水平达5% ～20%；LED灯作为一种新型低能耗光源在近年来也得到了广泛的应用，但是其造成的谐波污染却不可忽视，因为一般led灯具配电采用的开关恒流电源模块是一种最典型的谐波源，谐波含量非常高，波形为断续的尖峰波，上述两种主流的灯具带来的3次谐波水平都非常高，谐波电流在中性线上的叠加，导致中性线电流过大，也会造成火灾隐患。除此之外这种照明设备中的5次谐波含量也不容忽视。

（2）通风设备：任何技术的诞生总是不可避免的出现一些双刃剑的效应，从节约能源的角度出发，变频器的使用带来了很大的利好因素，因此在设计中风机及空调都偏向于采用变频调节。但是变频器却是非常重要的谐波源之一，会产生大量5、7次等谐波，总谐波电流畸变率达到三成以上。

（3）计算机及UPS：医疗场所用电负荷等级高，UPS在医院中应用较为普遍，同时服务器等数据存储系统也普遍配有UPS等备用电源；另外，信息化的进步带来了计算机的普及，在医疗场所中计算机的数量巨大，其开关电源属于谐波源，这些数量巨大的计算机开关电源以及UPS会产生大量的3、5、7次等谐波。

（4）电子医疗精密设备：医疗场所中的大型医疗设备一般都含有开关电源、晶闸管等电子器件，这些非线性负荷具有两个共同特点：谐波含有率大；使用频率较高，极易引起电压波形产生畸变，大型精密电子医疗设备有以下几类。

1）核磁共振仪（MRI），只有少量的高次谐波，但是配电干线上的电流在波峰处畸变情况严重，设备工作时的电流值较为固定，只是开关时电流突变较大。核磁共振仪的开关电源是产生谐波的主要环节。

2）电子计算机断层扫描（CT），主要谐波源头是CT设备的开关电源，产生的对系统影响较大的是3、5 次谐波。

3）数字 X 光机（Digital X-ray machine），又称DR，设备工作时电流突变较大，对于设备工作时的影响最大的是7、13次谐波。

4）数字减影血管造影（DSA），高次谐波电流含量较低，但同样是低次谐波含量较大，配电干线上的电流在波峰处畸变情况严重，影响较大。

总体来说，大型医疗设备开关电源是产生谐波的主要源头，产生的谐波电流的频谱很宽，医疗设备运行时主要产生奇次谐波，尤其是3、5次谐波，除此之外，很多高功率医疗设备还有偶次谐波分量，谐波电流畸变率很高，运行时产生的电流对配电系统的影响也比较大。

2.2 谐波对医疗设备的影响

医疗设备的主控制电路普遍采用硅整流电路，首先，这些设备将产生谐波电流注入系统，所以它是一种谐波源，会相互影响；其次，电网中的电源谐波可影响大型精密医疗设备的运行，一方面会造成医疗设备故障，另一方面还会对接受治疗的人员以及医护工作者造成生命威胁。具体表现如下。

（1）重要手术室

该场所是医院中与生命安全联系最为密切的场所之一，谐波污染会造成高频电刀等医疗设备无法正常使用，其可能会直接影响到患者的生命安全，同时心电图机输出数据也会受到谐波污染而不具有真实性影响医疗工作者的判断。

（2）重症监护室ICU

ICU是医院中与生命安全联系最为密切的另外一个场所之一，该场所会配备多种医疗设备，如：心电监护仪、多功能呼吸机、起搏器等。谐波污染将会直接影响到这些设备的运行，危及生命安全。

（3）放射科

放射科的CT、DSA、DR等设备由于技术垄断等原因均造价高昂，若遭受高次谐波干扰或电压闪变会直接冲击设备内嵌的精密电子元件，轻则电路板烧毁，重则整台仪器损毁，影响患者健康的同时也会造成巨大的经济损失。

（4）核医学科

核医学科的大型医疗设备SPECT回旋加速器等设备同样是造价高昂，维护维修不易，受到高次谐波干扰或电压闪变会造成电路板烧毁甚至仪器损坏，在承担生命健康和经济损失的同时有可能造成核泄漏事故的发生。

（5）超声诊断科

对于超声诊断科最主要影响是诊疗事故，高次谐波干扰或电压闪变，会造成超声诊断仪的检测结果出现叠加误差。

（6）信息网络部门

医疗场所中各类医疗管理运行系统繁多，每一个系统的稳定运行才能保证医疗工作的正常实施。谐波污染将使智能化系统设备产生误码、错码；运行时经常出现程序运行错误、数据错误、时间错误、死机、无故重新启动，甚至造成整个网络瘫痪，导致信息传输错误，门诊挂号、财务收费等系统混乱。

3 医疗场所谐波治理

3.1 公用电网的谐波限值

根据 GB／T 14549-93《电能质量公用电网谐波》要求，对于公用电网谐波电压的限值见表1。

表1 公用电网谐波电压的限值

3.2 谐波治理

目前，谐波治理主要有以下几种模式。

3.2.1 混合滤波

在容量大且要求补偿细致的地方，一般使用有源加无源混合型，即无源进行大容量的滤波、有源进行微调滤波，目前还没有大面积推广。

3.2.2 无源滤波

无源滤波器（PPF）是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。与此同时，兼顾无功补偿的需要。优点是结构简单、工作可靠、维护方便，是以往抑制谐波的主要手段。缺点包括：1）补偿固定谐波频率和固定无功功率；2）设备体积庞大；3）在消除固定频率谐波的同时会对某些谐波会产生放大效果，副作用明显。基于上述原因，在民用类项目中，无源滤波方式受众面远不及有源滤波方式。

3.2.3 有源滤波

有源滤波器（APF）自身就是一个谐波源。其依靠高速检测装置，在检测到系统的谐波的同时，产生一个和系统谐波幅度相等、相位相反的谐波，以抵消系统内部的谐波，通过计算机分析可以将基波和谐波分离，从而消除谐波。

有源滤波器按其与补偿对象的连接方式可分为串联型和并联型两种。并联型有源滤波器适合补偿电流型谐波源负载，而串联型有源滤波器适合补偿电压型谐波源负载。有源滤波的优点是反应动作迅速，滤除谐波可达到95%以上，补偿无功细致。因此，在实际医疗类项目中，更适合采用有源滤波的方案。

（1）主流设备厂有源滤波器技术参数

1）种类齐全，3线／4线滤波器可以同时滤除2～50次之间的各次谐波电流，对每次谐波可以进行补偿设定。容量从最小30A到最大300A不等。

2）动态的注入系统补偿电流，滤波器性能不会受系统和负载影响。

3）动态响应系统负荷的变化，滤波器响应时间＜0.3ms（检测、运算到最后补偿，整个过程所需时间＜0.3ms）。

4）功能完善：滤除谐波、功率因数补偿、三相负载不平衡补偿、闪变补偿。可以同时实现这四大功能，也可以自由选择。

5）具有自动限流功能，不会发生过载，同时具有自动消除谐振危害。

6）安装简单、方便，易于扩展，可以多台不同电流规格滤波器并联运行。

7）单柜配有单独的控制器，多台并联运行时不产生干扰。

8）由于采用的是模块化设计，系统运行和调试比较简单，易于操作。

（2）补偿方式

根据不同情况，有源滤波器补偿方式有局部负载补偿、支路补偿、集中补偿三种方式。

3.3 其他方式

除了采取安装滤波器的手段，还应当通过多种主动性技术措施提升电能质量。一方面是采取主动措施减少电力电子设备的谐波含量，主要是从变流装置本身出发，通过变流装置的结构设计和增加辅助控制策略来减少或消除谐波；另一方面是在电气设计阶段应注重变频电气设备的合理使用，在节约能源与控制谐波提高电能质量中寻找更加优化的配合度，在医疗场所这种特殊行业应当更加注重电能质量的提高。