医院供配电系统谐波的分析和治理李勇

医院供配电系统谐波的分析和治理李勇

李勇

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司重庆400042)

摘要：随着现代医学技术的快速发展,越来越多的医学装备应用于医疗卫生领域。这在为医学研究和临床诊断工作做出重大作用的同时,也对我们的供电质量提出了更高的要求,一些设备对于不合格电力的容许程度严格到了几十甚至十几毫秒。随着晶闸管控制设备和电子控制装置等非线性负载的广泛应用,加剧了电压和电流波形的畸变,大量的3、5、7、9次谐波注入到电网中。谐波电压电流的积累叠加,易导致电子开关误动作、线损增加和绝缘老化,还可能形成谐波振荡,危害整个电力系统的安全运行。因此,认识谐波,精确谐波源和谐波含量,积极地治理谐波、净化电网,具有积极和深远的意义。

关键词：医院；特殊性；谐波；滤波器

一、医院供配电系统谐波以及其危害

1.1谐波

谐波在多个领域中有所涉及，本文所说的谐波专指电力谐波，其基本定义为：一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。

谐波在各种级别、各种形式的电力系统工作中均较为常见，分析表明，非线性负载是谐波产生的核心原因，即常规、非常规变换电力系统的工作参数和条件、要求，导致系统的工作复杂无序，电流的大小不断变化，且受到电阻而非电压影响，非正弦电流，也即谐波因此产生。一般的三相系统中，由于对称关系的影响，目前只存在奇次谐波，这也是医院供配电系统谐波的主要类型。

1.2谐波的危害

1.2.1降低设备的使用寿命

谐波的存在是直接影响设备的使用寿命，其会对设备构件造成影响，加大绝缘材料的电应力并导致变压器和电容器的涡流损耗在固有标准下快速增加，变压器的金属绕组也会受到影响，出现过热和较大的噪音，绝缘老化加剧，使用寿命降低。

1.2.2增加线损

谐波电压以及谐波电流在电力系统的工作中会持续产生，而且不会在短时间内快速消失，这导致其会在电网中持续积累，使线路和大部分相关构件受损，甚至进一步降低变压器的带载能力。

1.2.3影响通信

谐波的存在会直接影响各类通信活动，由于谐波的长度是不固定的，通信活动中的长波、短波都可能受到其影响，增加通信噪音，这种噪音的影响随着距离的缩短而加剧，语音信号、视频信号传输等均会受到影响。

1.2.4引发误动作

一般来说，机电型继电器会受到谐波影响，降低工作能力，由于其难以有效甄别3次谐波和零序电流，误保护动作因此出现。此外，一些自动装置也可能在谐波的影响下发生误动作，导致跳闸事故等。

二、医院供配电系统谐波的治理

2.1医院的谐波来源

对医院的谐波进行治理，首先要了解其来源。虽然医院供配电系统的各个环节都涉及到电能的使用，但有些环节的电能供应是持续和稳定的，即通常所说的线性负载，在这种情况下一般不会产生谐波。谐波只在非线性负载的条件下出现，进一步的分析则表明，医院供配电系统中产生谐波的环节主要有4个，即通风设备、照明设备、电子医疗精密设备、计算机及UPS。

通风设备主要包括大型换气扇、空调设备等，大型换气扇、空调设备往往应用变频风机作为核心设备，在实际工作中，即便输出功率是恒定不变的，但受到设备老化、空气条件等因素影响，变频风机总谐波电流畸变率达33％以上，会产生大量5、7次等谐波污染电网。照明设备方面，由于医院一般使用荧光灯具照明，数目众多的荧光灯形成三相四线负载，谐波电流也会大量产生。电子医疗精密设备会产生3、5、7次谐波，并将其注入系统中，引起后续影响。计算机及UPS也会产生3、5、7次谐波，同时大量的单相非线性负荷会造成三相不平衡，引起中性线谐波过载、谐波超标等问题。

2.2医院供配电系统谐波的治理

2.2.1方案选择

医院供配电系统谐波的来源相对固定，这使相关治理能够有的放矢，目前业界对谐波的治理主要有3种方式，即有源滤波处理法、无源滤波处理法和综合处理法(有源滤波处理法和无源滤波处理法的综合)，有源滤波器(APF)价格较高，无源滤波器则相对廉价，不过有源滤波器治理效果通常好于无源滤波器，将二者进行融合，主要是指设备融合，其技术在现有条件下尚无法做到兼容。

2.2.2模拟治理过程

针对谐波产生的地点和方式，建立了模型，并代入了相关参数进行实验，实验的主要观测对象为谐波的产生、积累情况，以通信干扰作为直观指标进行分析。实验共进行8次，第一、二次实验，以固有模型作为测试目标，了解谐波的产生、积累情况以及通信干扰水平；第三、四次实验，以变更模型作为测试目标，应用有源滤波处理法，了解谐波的产生、积累情况以及通信干扰水平；第五、六次实验，以变更模型作为测试目标，应用无源滤波处理法，了解谐波的产生、积累情况以及通信干扰水平；第七、八次实验，以变更模型作为测试目标，应用综合处理法，了解谐波的产生、积累情况以及通信干扰水平,所获的数据的情况如表1所示。

实验表明，在不进行处理的情况下，通信信号受到严重干扰，接收有效率只有56.77％(有效率指接受总量中的可辨识量),应用有源滤波处理法则可以提升信号接收有效率到98.89％的水平，无源滤波处理法情况下为81.66％，综合处理法为96.51％，虽然不如有源滤波处理法，但能够达到通信标准，满足一般的通信要求。

2.2.3谐波治理前后波形对比

医院使用大量的非线性负载设备用于医疗卫生工作，经测量发现一线路无源滤波处理未能解决部分次谐波畸变严重的问题。而投入有源滤波器(APF)后，谐波电流能得到有效治理，测量电压电流波形趋近于正弦波。从治理后的效果可以看出，表1实验结果医院该电网的谐波含量得以减少，供电质量得到改善。

2.2.4治理优势

对谐波进行治理，除了能够提升通信效果外，还能够改善输电品质、提高配电能力。应用综合处理法，电网净化装置能全面改善电能质量问题，补偿功率因素，电网谐波被滤除，串联和并联的谐振也得到控制，包括供电效率、设备使用寿命等均得到了提升。电网净化装置还能降低谐波电流，一般情况下，未经处理的谐波电流占据电路中电流总量的4％～15％左右，电网净化装置可以降低降低到0.2％以下的水平，电能的损耗得到控制，变压器损耗、线路损耗也同步降低，在应用有源滤波处理法的情况下，电能有效利用率综合提高8.5％，综合处理法下也能达到7％左右。

参考文献

[1]朱明星，钱辰辰，段晓波.基于城市轨道交通运行图的供配电系统谐波预评估仿真[J].城市轨道交通研究，2015，18(6):56-61.

[2]陈海需，杨文焕，李荣高.电缆分布电容引起的港口供配电系统谐波谐振分析[J].电力科学与工程，2014，30(1):38-41.

[3]陈杰甫,杨泓,马旻雯,等.医院供配电系统谐波状况普查与K系数研究[J].电气工程应用,2007,4:23.

[4]GB/T14549—93.电能质量公用电网谐波[S].北京:中国标准出版社,1993.