對醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波及其治理的分析研究

1.概述

醫(yī)院供配電系統(tǒng)是醫(yī)院工作的基礎(chǔ)平臺，包含各類非線性、時變性電器設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用，若不治理，不僅會影響設(shè)備的正常運行，嚴重時甚至會威脅患者的生命安全，因此對醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波及其治理的深入分析研究勢在必行。

2.醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波源及其特點

醫(yī)院供配電系統(tǒng)中的諧波源主要可分為醫(yī)療設(shè)備、信息通信設(shè)備和電器設(shè)備三大類，具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數(shù)量多等特點。

2.1醫(yī)療設(shè)備

醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備含有大量的電力電子器件，工作時不可避免的產(chǎn)生諧波污染。常見的有CT機、核磁共振儀MRI、直線加速器、x線機、心血管造影機DSA和數(shù)字造影儀DSI等。

作為當前醫(yī)學診斷的主要檢查設(shè)備，CT機臨床運用十分廣泛，且價格十分昂貴。工作時，高頻高壓發(fā)生器先將三相交流電整流成直流，再經(jīng)并聯(lián)逆變器逆變?yōu)轭l率高達1X1OHz的交流，最后通過倍壓整流產(chǎn)生大于30kV的穩(wěn)定高壓給球管兩端供電。整個工作過程既進行整流又進行逆變，會產(chǎn)生大量諧波，嚴重時總諧波畸變率可達30％。

醫(yī)學上的核磁共振儀(MRI)依據(jù)“核磁共振”原理，利用磁場與射頻脈沖使人體組織內(nèi)進動的氫核(H+)發(fā)生章動產(chǎn)生射頻信號，再經(jīng)計算機處理分析釋放的電磁波，來繪制人體內(nèi)部的精確立體圖像。產(chǎn)生核磁共振所需交變磁場和無線電射頻脈沖都將帶來諧波污染，正常工作時MRI的諧波畸變率在20％左右。

直線加速器是指用微波電磁場加速電子的直線型加速器，在醫(yī)院腫瘤放射治療領(lǐng)域運用較為廣泛。所含磁控管和速調(diào)管所需的脈沖高壓由脈沖調(diào)制器供給，而脈沖調(diào)制器一般采用軟管線性脈沖調(diào)制器。通過直流高壓電源對充電變壓器和脈沖形成電容器進行諧振充電。在電壓穩(wěn)定度要求較高時，調(diào)制器還需采用脈沖電壓穩(wěn)定裝置。系統(tǒng)所需高頻電源、直流高壓電源的產(chǎn)生和脈沖調(diào)制器及脈沖電壓穩(wěn)定裝置都將造成諧波污染，電流總諧波畸變率可達40％～50％。

x光機為典型的瞬時性負荷，工作時電壓可達幾十甚至上百千伏，變壓器原邊將增加6O一70kW的瞬時負荷。x光機的主要部件為光球管和高壓整流器。由于高壓整流器的整流橋工作時將產(chǎn)生較大諧波，加上x光機的瞬時工作特性，使得其諧波畸變率可達30％一50％。

2.2信息通信設(shè)備

為了存儲海量信息和方便辦公，現(xiàn)在大型醫(yī)院基本都建立了醫(yī)院信息系統(tǒng)。它功能強大，通常包括醫(yī)療信息系統(tǒng)、臨床信息系統(tǒng)、視頻視教和遠程醫(yī)療等系統(tǒng)J。系統(tǒng)包含成千上萬臺計算機和不計其數(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，他們和醫(yī)院的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)一樣，都將產(chǎn)生諧波電流。

UPS(UninterruptiblePowerSystem)先將市電整流變換成直流電，一路給電池充電，另一路給逆變器供電，將直流電變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、純凈的50Hz交流電，向負載供電。當市電異?；蚬╇娭袛鄷r，逆變器改由電池提供能量繼續(xù)工作，保證無間斷地給用電設(shè)備供電。EPS(EmergencyPowerSystem)在市電正常時由市電輸出供電，同時對電池充電，當市電停電或電壓過低時則由電池經(jīng)逆變器向負載供電。EPS和UPS均采用了IGBT技術(shù)和PWM技術(shù)，進行整流和逆變時都會帶來諧波污染，是不可忽視的諧波源。對大功率UPS來說，如果整流裝置為三相全控橋6脈沖整流器，總諧波畸變率將近30％40％。

2.3電器設(shè)備

醫(yī)院里的電梯、空調(diào)、變頻水泵、照明設(shè)備等都將產(chǎn)生畸變諧波。如大量使用的熒光燈，會引起較大的諧波電流，其中3次諧波為最高。當多個熒光燈接成三相四線負載時，中線上就會流過很大的3次諧波電流。大部分醫(yī)院均采用變頻空調(diào)及風機，而變頻器是典型的諧波源，會產(chǎn)生大量5次、7次諧波污染電網(wǎng)。

醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源、諧波次數(shù)和畸變率情況如表1所示。，可見醫(yī)院典型設(shè)備產(chǎn)生的諧波主要為3次、5次、7次。正是這些設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生諧波，使醫(yī)院的電能質(zhì)量受到影響，而受到影響的電能又反過來影響設(shè)備的正常使用。

表1醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源和諧波畸變率情況

3醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生諧波對配電系統(tǒng)危害

3.1對電網(wǎng)的影響

電網(wǎng)中的諧波會增加系統(tǒng)損耗，使設(shè)備發(fā)熱，影響設(shè)備使用壽命。此外當并聯(lián)的無功補償電容器容抗與系統(tǒng)感抗匹配時，將發(fā)生n次并聯(lián)諧振，造成電容器組的過電壓和過電流。當基波頻率為時，諧振頻率，r可由式(1)計算得出。其中：Js。為電源短路容量；Q為電容器容量。

（1）

3.2對電機的影響

諧波對電機的主要影響是引起附加損耗，此外還將產(chǎn)生機械振動、噪聲和諧波過電壓，降低其工作效率。三相感應(yīng)電動機的n次諧波電流大小可通過式Ia=U。/nf?L計算得到。由于電壓畸變引起的附加鐵心損耗很小，可以忽略不計。所以感應(yīng)電動機整個諧波損耗即銅耗，其計算公式如式(2)所示。

（2）

3.3對變壓器的影響

諧波會增加變壓器的銅耗、鐵耗和雜散磁通損耗(線圈渦流損耗),可能在變壓器繞阻和線電容之間產(chǎn)生諧振，增大變壓器發(fā)熱，甚至引起局部嚴重過熱，同時使變壓器噪聲增大，減少變壓器的實際使用容量，降低變壓器的使用壽命。諧波電流引起的變壓器總的渦流損耗可由式(3)求出。

（3）

其中：W、為總諧波渦流損耗；W為額定基波電流的渦流損耗；I。為n次諧波電流；I、為額定基波電流。

3.4對電容器組的影響

在諧波的作用下電容器將過熱，導(dǎo)致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數(shù)較高時，電容器呈現(xiàn)低阻抗特性，流過電容器的電流將變大，使得電容器處在過載的工作情況，縮短使用壽命。諧波往往還會使電容器介質(zhì)損耗增加，其直接后果是額外的發(fā)熱和壽命縮短。電容器和電源電感結(jié)合也會構(gòu)成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路，在諧振情況下諧波電流會被放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，最終導(dǎo)致電壓會大大高于電容器的額定電壓值，使電容器損壞炸裂或保護熔斷器熔絲熔斷。

3.5對通信系統(tǒng)的干擾

諧波對通信系統(tǒng)干擾的大小由三個因素綜合決定：電力線路諧波電壓和諧波電流大小，電力線路和通信線路之間的耦合強度，通信線路對諧波干擾的敏感程度。電網(wǎng)中不平衡諧波電流對通信系統(tǒng)，輕則產(chǎn)生噪聲干擾，降低通信質(zhì)量，重則導(dǎo)致信息丟失，使系統(tǒng)無法正常工作。在多個中性點接地電網(wǎng)中，如有較大零序分量諧波電流通過中性點流入大地，將嚴重干擾附近通信系統(tǒng)。通常音頻通道的頻率為200~3500Hz,而很多諧波也在這個范圍，易對臨近的電話線路產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發(fā)電話響鈴，重則危及設(shè)備和操作人員安全。

3.6對繼電保護和電氣測量儀表的影響

只要通入諧波有效值和基波相同，就可引起電磁式繼電器誤動作，導(dǎo)致感應(yīng)型繼電器運動過程來回擺動，機電型繼電器時間延時特性改變，零序電流繼電器不能區(qū)分零序電流和次諧波電流，導(dǎo)致誤跳閘。由于大多數(shù)電氣測量儀表，如電流表、電壓表、功率表都是按工頻正弦波來設(shè)計，對非正弦信號呈現(xiàn)出不同響應(yīng)特性，當有諧波時會產(chǎn)生測量誤差。

4.配電網(wǎng)諧波對醫(yī)療設(shè)備的危害

4.1對影像類設(shè)備的影響

磁共振成像、螺旋CT掃描儀、彩超、心腦電圖機和X線機等醫(yī)學影像設(shè)備受諧波干擾時，其內(nèi)嵌的電子元件可能會記錄噪聲并改變數(shù)據(jù)輸出，使顯像管顯示圖象變形失真，成像模糊不清，影響醫(yī)療診斷結(jié)果。

4.2對監(jiān)護類設(shè)備的影響

常見的多功能呼吸機、起搏器、心電監(jiān)護儀等直接與人體接觸的監(jiān)護設(shè)備信號非常微弱，當受到微小諧波干擾時，將影響儀器的正常工作，還可能引起微電擊。如諧波污染會造成呼吸機工作失靈，心臟起搏器工作失效，直接危及患者生命安全。

4.3對理療儀器的影響

醫(yī)療系統(tǒng)的理療儀器主要分為微波、音頻、短波等，受諧波影響表現(xiàn)出來的特征各不相同。音頻類理療儀器受諧波干擾，輸出信號中將含有雜波，對患者產(chǎn)生電刺激。當對喉、頭部等重要部位進行治療時，將產(chǎn)生強烈的刺激感，存在嚴重安全隱患。短波儀器受諧波影響更加敏感，儀器會接收并放大輸出系統(tǒng)中的諧波，造成身體局部不適[。

4.4對醫(yī)院計算機的影響

醫(yī)院計算機系統(tǒng)必須全天不間斷穩(wěn)定運行，醫(yī)療設(shè)備配置計算機也要求在設(shè)備運行時能正常工作。而諧波可通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)等方式，對計算機網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，影響系統(tǒng)正常運行。諧波干擾還可使單個計算機程序運行錯誤、死機或無故重新啟動，當共模干擾中的尖峰干擾幅度達到2~50V,時間持續(xù)數(shù)微秒時，就可引起計算機邏輯錯誤、信息丟失，造成嚴重后果。

5.醫(yī)療配電網(wǎng)諧波治理的主要措施

針對諧波產(chǎn)生的特點諧波治理的措施主要有：受端治理、主動治理及被動治理三類。

5.1受端治理措施

選擇合理的供電方式，將諧波源由較大容量的供電點或由高一級電壓的電網(wǎng)供電,以減小諧波對系統(tǒng)和其他用電設(shè)備的影響，并盡量保持負荷的三相平衡；同步電機采用星型連接；變壓器一側(cè)接成三角形。將產(chǎn)生諧波較多的醫(yī)療診斷設(shè)備與其他設(shè)備分開，選用優(yōu)質(zhì)Dyn11型專用變壓器為這些醫(yī)療設(shè)備供電；將電容器組的某些支路改為濾波器，或限定電容器組的投入容量，以減小電容器對諧波的放大；提高設(shè)備性能，提高設(shè)備抗諧波干擾能力。