摘 要：在現代醫院建筑中,各種節能照明設備、變頻空調、電梯設備、UPS、EPS以及各種先進的醫療設備均為非線性設備，這些非線性設備在運行過程中會產生大量的高次電力諧波，對配電系統和醫療設備的運行造成一定的干擾，嚴重的電力諧波問題會導致醫療設備的損壞甚至醫療事故。本文結合某三甲醫院的低壓供電系統中諧波治理的情況，介紹了諧波的產生及危害，以及通過使用有源濾波設備進行諧波治理后的效果評估，說明有源濾波設備在醫院建筑等場所的使用意義。

　　關鍵詞：醫院建筑,諧波,有源濾波設備

　　1.引言

　　現代化醫療機構為提高醫療服務水平，不斷引入新型、復雜的各種先進醫療設備如核磁共振成像(MRI)、螺旋CT、高頻電刀等等，同時各種節能照明設備、變頻空調、電梯設備等大量應用也給人們提供了便利和舒適。在現代醫院建筑中，各種節能照明設備、變頻空調、電梯設備、EPS、UPS以及各種先進的醫療設備均為非線性設備，在運行過程中會產生大量的高次諧波，對配電系統和醫療設備造成一定的干擾。同時這些先進的醫療設備都具有高檔的計算機部件和大量的高靈敏微電子器件，對供電電源的電能質量要求很高，對電壓波動和電力諧波非常敏感，嚴重的電力諧波問題會導致醫療設備的損壞甚至導致醫療事故的發生。

　　2.醫院建筑供電系統諧波的來源、特性以及危害分析

　　正常合格的電能源是以50Hz變化的三相交流正弦波電源，它的質量是由電壓幅值、波形和頻率等決定的。諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。在醫院建筑內部，諧波產生于大量的變頻負載(主要為空調、風機等負載)，還包括部分節能燈具與UPS和EPS等。

　　2.1醫院建筑供電系統諧波的來源

　　一般在一所典型三甲醫院，主要設施設備會包括如下項目：

　　表一：醫院主要建筑和醫療設施設備

　　上述設備和設施多半具有電力電子器件和鐵磁設備，根據其電氣特性產生的主要本征諧波分別如下表：

　　表二：醫院主要設施設備的主要特征諧波

　　注：上述表中 l 表示該次諧波成分的比例。

　　2.2電力諧波對配電系統的危害

　　n 原設計的電路將不能滿足現有諧波的附加發熱要求，將引起電路導體的導電能力下降;

　　n 增大電能消耗;

　　n 開關的開斷能力下降;

　　n 電動機、變壓器、電纜異常發熱;

　　n 一般用電設備故障率迅速增加;

　　n 專用電子設備不能正常工作，比如可控硅(依賴過流點進行控制導通角同步控制)工作異常、電氣設備控制系統失靈或損毀，通訊網絡無連接;

　　n 引起配電設備異常震動和噪音，嚴重時使電氣設備無法正常地運行，產生電磁干擾;

　　n 諧波使電容器等電器設備過流、過熱、甚至爆裂或著火引起火災。

　　2.3電力諧波對醫院醫療設備的危害

　　醫院作為救死扶傷的特殊類型建筑設施，本身屬于一類用電負荷。電力諧波從供用電系統可靠性和設備正常功能發揮等方面影響醫院的設施設備。

　　醫院醫技科室包含了大量技術含量高、價值昂貴的精密檢測和治療儀器，包括：數字減影儀(DSI)、核磁共振儀(MRI)、螺旋CT、彩色多普勒、熒光PCR儀、自動生化儀、同位素檢測設備、色譜儀、X射線攝像系統、腦電圖、心電圖、生化實驗儀等各種儀器等等。上述大型治療檢測設備大都帶有以微處理器為基本元件的控制裝置，對電源的擾動極其敏感，會發生影像顫動，死機，無故重啟，丟失影像、文件等，甚至設備損壞。供電的可靠性和電源質量凈化度直接關系到上述設備本身的安全和正常工作條件。嚴重的電力諧波會直接導致上述依賴微處理器技術的設備的同步失調和數據錯誤，而諧波諧振引起的共模干擾和過電流將直接危害設備內部電子線路的安全，會導致擊穿或放電。

　　此外，醫院建筑是一個具有特殊供用電性質的建筑，對供電可靠性要求極高，像手術室、分娩室、嬰兒室、急診室、化驗室、CT掃描、配血室及高壓氧倉、負壓吸引真空泵等重要用電負荷，一旦電能質量下降，甚或停電，將對醫務工作造成很大影響，甚至危及病人生命，造成醫療事故;即使其他輔助設施如電梯、空調等，仍需特殊對待，因為這類設施的故障也直接影響醫院作為救死扶傷的應急設施的可靠性。

　　綜上所述，醫院建筑內部非線性負載產生的大量諧波，會干擾醫院內的重要醫技設備的正常使用。為了滿足對醫院這一類特殊建筑在電力建設方面可靠供電、安全配電的核心需求，醫院建筑供用電系統中諧波問題的解決必須在設計建設時期充分考慮。

　　3.電網諧波國家標準要求

　　目前采用的電能質量(諧波)評定標準，主要為中國國家標準(《電能質量公用電網諧波》GB/T14549-93))，基本等同于IEC 1000—3—4、IEEE—519——1992國際標準。標準中對電網中電流電壓的畸變率有明確規定，也是作為諧波評價、治理的重要依據。IEEE(institute of Electronics Engineers,電子電氣工程師協會)1992年制定的諧波限定標準IEEE-1100中指出，當配電系統中電機、UPS和變頻變速驅動等非線性負載大于50%時，其變壓器應在通常容量的50%下運行。另外IEEEstd.519-1992標準中明確提出對計算機和類似設備，其諧波電壓畸變因數THD應在5%以下。

　　表1：IEEE-519標準有關諧波限制的規定：

　　表2: 電網諧波電壓國家標準：引用于(GB/T14549-93)：

　　表3: 注入電網公共連接點的諧波電流允許值：引用于(GB/T14549-93)：

　　當測試點短路容量不同于基準短路容量時，表2中的諧波電流允許值的換算方法如下：

        式中：Sk1—公共連接點的最小短路容量，MVA;

　　Sk2—基準短路容量，MVA;

　　Ihp—表2中的第h次諧波電流允許值，A;

　　綜合上表及公式，可得出各監測點的諧波電流分量允許值。

　　4.有源濾波設備在醫院建筑中的應用案例

　　4.1 有源濾波設備應用簡介

　　某大型三甲醫院新建的門診住院綜合樓共有6臺2000kVA和2臺1600kVA的變壓器以及2臺800KW的柴油發電機，根據該醫院各變壓器非線性負荷設備的負載率大小和相應的諧波畸變率以及各非線性設備的同時使用率來計算諧波電流的大小，配置了8臺不同容量規格的RESINE有源濾波設備。

　　下面以2#RESINE有源濾波設備投入運行前、后配電系統電能質量測試情況的對比分析為例來具體描述，其中2#變壓器負載主要為燈光照明，電梯，潛污泵，計算機中心等。

　　4.1.1有源濾波設備投運前后的數據如下：

　　(1).有源濾波設備投入前電流波形畸變比較嚴重，三相電流畸變率分別為16.45%，15.46%，17.10%;三相諧波電流有效值分別為20.1A，19.8A，19.1A;三相電壓畸變率分別為1.16%，1.15%，1.11%。

　　(2).有源濾波設備投入后電流波形畸變情況明顯改善，諧波電壓和諧波電流均滿足了國家標準(《電能質量公用電網諧波》GB/T14549-93))和國際標準IEEE—519的相關要求。三相電流畸變率明顯降低，分別為3.55%，3.88%，3.04%;三相電流有效值明顯降低，分別為2.8A，3.3A，2.5A;三相電壓畸變率分別為0.56%，0.50%，0.57%。

　　(3).電流電壓波形明顯改善，使用濾波設備后電流電壓波形近似呈正弦波形態;諧波治理的工作達到了預期的目標和效果。

　　4.1.2有源濾波器投運前后測試記錄數據：

 

　　圖4.3 濾波器投入前電流參數 圖4.4 濾波器投入后電流參數

　　圖4.5 濾波器投入前電流、電壓波形 圖4.6濾波器投入后電流、電壓波形

　　4.2 有源濾波設備在醫院建筑中應用的重要意義

　　4.2.1保護醫療用電設備安全:

　　由于節能照明設備、變頻空調、電梯設備、EPS、UPS等以及醫療用電設備等大量非線性設備產生的諧波電流，由諧波電流在各設備上引起的一個電壓降，當諧波畸變率較高的時候，很容易造成計算機電子設備、醫療設備、電機電器等故障。有源濾波設備能消除具有破壞性的諧波污染等，確保了用電設備的使用壽命，特別是醫療設備的安全。

　　4.2.2凈化電源：

　　有源濾波設備具有很強的抑制和消除能力，最高可消除95%以上的因各種諧波引起的電壓、電流的畸變，防止諧波引發的計算機屏幕頻閃，以及由于開關、短路、負載變化引起的燈光頻閃，重要負荷開關跳閘等事故。

　　4.2.3保護功率因數補償設備：

　　由于高次諧波可能和雜散的電網電感及功率因數補償(PFC)設備組合的諧波頻率形成并聯諧振回路，諧振電路引起的諧波放大使電壓和電流波形畸變更為嚴重，從而導致設備過早出現故障。使用有源濾波設備后消除了電網諧波污染，確保了功率因數補償設備的使用壽命。

　　4.2.4防止保護裝置的誤跳閘：

　　諧波電流會導致斷路器誤跳閘或是在該跳閘的時候根本不跳，或者設備無法啟動或者無法關機、操作指令發生錯誤。

　　4.2.5降低電能損耗：

　　電力線路中諧波電流會在系統中各種電氣設備(如變壓器、電力電容器、輸電線路、電機及用電設備等)上造成附加銅損和鐵損。可以把諧波源看作為產生諧波的發電機，其諧波能量是通過設備非線性基波的能量轉換而來的。諧波電流是由非線性負荷產生，然后注入電網系統中，而消耗負荷及線路上的。通過安裝有源濾波設備，可以有效降低相線電流值，從而達到節能的目的。

　　4.2.6擴大變壓器和發電機供電容量：

　　由于運用有濾波設備后將供電系統中的諧波進行了濾除，減小相線上電流的有效值，使母線上的電流下降，提高變壓器和發電機供電容量。

　　5.結論

　　本文分析了醫院建筑的諧波來源以及諧波對供電系統和醫療設備的危害，并通過某大型三甲醫院新建的門診住院綜合樓低壓配電系統中有源濾波設備的應用案例，對比分析了有源濾波設備投入使用前、后的實際情況，說明了應用有源濾波設備的有效性、必要性和實際效益。有源濾波設備的諧波治理技術是改善供電質量的有效手段之一, 在醫院建筑供電系統推廣應用后, 可將產生的諧波控制在最小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電能質量，保證醫療設備安全，能為用戶帶來巨大的經濟效益和良好的社會效益。

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