周　岩/何珍栋

(中国新兴建设开发总公司，北京 100039)



医院供用电系统谐波治理技术

周岩/何珍栋

(中国新兴建设开发总公司，北京 100039)

简要介绍电力谐波污染的概念和有关国际、国内标准，并举例说明某医院建筑供用电系统中存在的电能质量问题，对该院内主要医疗设备供电电能质量的净化提出了解决思路和方法，具有很好的推广价值与应用前景。

医疗电气设备电能质量谐波电力滤波器

0　概述

随着科技水平的提升，医院建筑内的非线性负荷(如计算机、空调、变频、UPS、电子器件等)比重也随之增大，电力谐波、电压波动和电磁干扰等因素使电磁环境、电能质量迅速恶化，给医院电气安全与医院医疗、检验设备的正常工作带来严重危害，是危害医院手术环境的重要因素，其中，电力谐波对医疗设备的干扰尤为严重，所以对医院用电系统进行谐波治理很有必要。

美国IEEE在1992年制定的谐波限定标准IEEE-1100中指出，当配电系统中电机、UPS和变频变速驱动等非线性负载>50%时，变压器应在其容量的50%下运行；ANSI/IEEE-519标准中明确提出，计算机和类似设备的谐波电压畸变因数THD应在5%以下，一些关键性使用场所(如医院、机场等直接涉及人身安全的场所)则要求THD应<3%。我国国家技术监督局发布的国家标准GB/T 14549《电能质量、公用电网谐波标准》中明确规定了电网标称电压为380V，电压总谐波畸变率THD限值应在5%以下。

医院内部电气设施和大量现代化电子设备产生的大量谐波会严重污染电网，危害医院电能质量使其下降，因此，在设计建设医院建筑供用电系统时期就必须要充分考虑谐波问题的解决。

1　医院供用电系统的谐波来源分析

某市中心医院为综合性三级甲等医院，本工程为扩建门诊病房楼项目(全科医生临床培养基地)。总建筑面积52 083m2，地上6～17层，地下2层，最大建筑高度71m。本工程为高层民用建筑及裙房，建筑物耐火等级一级，结构形式为钢筋混凝土框架、框架剪力墙结构。扩建门诊病房楼建筑外观效果图如图1所示。扩建门诊病房楼主要设施设备如表1所示。

表1所示的设备和设施多半具有电力电子器件和电磁设备，其电气特性产生的主要特征谐波如表2所示。

表1　医院主要建筑和医疗设施设备

表2　医院主要设施设备的主要特征谐波

注：表2中“●”表示该次谐波成分的比例；“-”表示不含该次谐波成分。

图1　扩建门诊病房楼建筑外观效果图

从表2可看出，医院供用电设备本身的主要特征谐波按照所占权重分别是5次、7次和3次谐波，其次是11、13次谐波。按照实际测量统计和理论计算的结果可知，上述几类谐波占总谐波含量的90%～95%。从统计中可看出，医院供用电系统的电能质量主要是受到表2中设备特征谐波的干扰，反映到医院整体电能质量和THD水平，就是设备综合谐波叠加的结果，所以设备既是电能谐波危害的受影响者又是电力谐波的产生者。

2　医院供用电系统谐波处理方法

就医院建筑设施部分而言，根据IEC和IEEE国际标准可知，医院供电系统设备本身进行容量设计时就应充分考虑到用电系统设备受到谐波危害后导电系统的冗余量设计。关于谐波的计算和测量可参阅GB/T 1459-1993及其他有关书籍，此处不再赘述。在工程上还可以采用判断、类比以及考虑设备对电能质量的要求等因素来采用有效措施。一般小型医院的非线性负载占电气设备总容量的比率不是很高，可以忽略谐波对电源的影响，规模较大的医院都含有表2所列的非线性设备，容量要达到200～600kW或更高，且设备在运行状态下峰值电流也很高。考虑设备群本身的调节因素，对产生谐波的设备可做如下处理。

2.1设置专用变压器

将表2中的医疗诊断设备与其他设备分开，选用优质变压器分别作为这些医疗诊断设备的电源，即大、中型综合性医院的医疗诊断设备应单独设置专用变压器。由于医院诊断设备是医院抢救治疗病人的重要设备，有些设备是需要连续工作的，所以必须要有两路相互独立的电源供电。

2.2采用电力滤波器

通过测量计算，并对比国家标准谐波电压限值的要求，确定是否安装电力滤波器。电力滤波器分为有源、无源两种形式，无源滤波器可针对某次谐波，通过对电阻、电容、电感等无源器件的组合进行滤除，适用于对电网中某次谐波含量高及其他谐波含量低的情况，无源滤波器示意图如图2所示。有源电力滤波器是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备，由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成，有源滤波器可以滤除多次谐波含量，净化电网效果显著，有源滤波器示意图如图3所示。

图2　无源滤波器示意图

图3　有源滤波器示意图

根据电力滤波器滤波位置的不同可以有如下三种滤波器的安装方式。

(1)滤波器连接在医疗诊断设备的专用变压器上，对变压器所接全部负载均起作用。这种方式要求滤波器容量大，对多次谐波都能发挥作用，因此适合有源滤波。

(2)对非线性负载相对集中的机房，采用集中加装有源滤波器的方式，既能改善设备本身谐波的干扰，又减少对电网的污染。

(3)一对一方式，这种方式针对性强、效果显著，适用于比较重要且有分散设备的场所，但投资较高，选择时要进行综合考虑，以获取最佳的投资效果。

3　部分大型医用设备的负载容量和谐波统计

通过对扩建门诊病房楼配电系统的主要设备配置进行典型分析可知，该配电系统负载类型复杂，主要包含多种大型医疗器械(MR、CT等)、照明、风机、电梯、精密空调等。

通过统计主要医疗诊断设备设施的动力负载容量，可以发现，大型医疗设备的标称能耗较高，部分设备峰值电流很大。根据对上述负载设备电气特性进行分析可知，上述设备的谐波含量变化幅度较大，对无功补偿系统的调节有较高要求。

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该系统由8台变压器供电，选择1#、2#变压器进行分析，2台变压器的低压侧总进线三相电压、电流有效值和总谐波畸变率分别如表3和表4所示。

表3　1#变压器低压侧的三相电压电流有效值、总谐波畸变率

由表3～4可知，各台变压器总的谐波电流为40～70A，电流畸变率在20%左右，此时电流的波形严重失真，其中3、5、7次谐波为主要谐波。

表4　2#变压器低压侧的三相电压电流有效值、总谐波畸变率

考虑到医院设施设备的综合情况和投资效益比，本项目对价值昂贵的设备和功能重要的诊断治疗设备设施，在其电源供应上设置了健全的谐波滤波设备，对主要电力谐波和电压突变采取有效的针对性消除，并利用有源滤波器消除有关电磁干扰对精密医疗电子设备的影响，实现设备运行的全面保障。

通过分析前面提到的电力滤波器的三种接线方式和实测数据后决定采用方式(1)对本院重要医疗诊断设备进行滤波保护，在1#变压器的低压侧安装1台100A的有源滤波器，在2#变压器的低压侧安装1台50A的有源滤波器。

加装有源电力谐波装置后，接于该安装点后的所有设备将得到可靠的保护，有源滤波器可对主要3、5、7次谐波和高次谐波进行处理，可完全消除电力谐波和电压波动对设备的干扰和潜在危害。总体电能质量水平将达到或优于国际标准要求，满足重要设备的标定工作条件。

4　结束语

若电力滤波器仅安装在总配电房的低压配电处，如果医院某个科室的设备或仪器产生大量的谐波，那将降低附近各个科室的供电质量，影响各个仪器的正常工作。可以根据具体电流谐波的检测结果，在大量产生谐波的医疗仪器和电梯设备等处同时加装电力滤波器，进而更好地净化医院内的电能，使医院供电电网质量得到更可靠的保证。

在对行业技术发展状况广泛调研的基础上，通过理论分析和试验论证提出通过设置专用变压器和多点采用电力滤波器来滤除谐波的方式，不仅克服了以往在单一点或采用单一方式滤除谐波达不到行业标准的弊端，还可以将谐波量有效地控制在严苛的限值以内，防止谐波污染对电网和各种电气设备造成危害，总体电能质量水平将达到或优于国际标准要求，满足重要设备的标定工作条件，具有很好的推广价值与应用前景。

[1]JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]全国民用建筑工程设计技术措施[M].北京：中国计划出版社，2009：5-15.

[3]工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005：280-291.

[4]GB/T 14549-1993电能质量公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1993.

周岩

毕业于西北建筑工程学院，大学本科，高级工程师，国家注册电气工程师，设备室副主任，研究领域：建筑电气技术。

作者简介

何珍栋

毕业于北京建筑大学，硕士研究生，工程师，研究领域：建筑电气、控制理论与控制工程。

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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