安科瑞 繆凱倫
摘要:醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展與建設(shè)離不開電,。醫(yī)療行業(yè)的配電系統(tǒng)是保證醫(yī)院供電的一項重要因素。隨著我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展與進(jìn)步,,醫(yī)院的供電設(shè)施也得到了很大的改良以及提高。在發(fā)展的過程中,各種技術(shù)使得我國醫(yī)院的配電系統(tǒng)得到了逐漸的完善,。一些大型醫(yī)院裝備了許多電子醫(yī)技設(shè)備.這些設(shè)備共同的特點是:設(shè)備運行會產(chǎn)生大量的諧波;對電源質(zhì)量要求很高,。醫(yī)療設(shè)備所在配電系統(tǒng)中,,如果存在大量的諧波,會使電壓,、電流波形發(fā)生畸變,,影響系統(tǒng)供電質(zhì)量。同時還對其它供電及用電設(shè)備造成危害:縮短設(shè)備使用壽命,,干擾重要醫(yī)療設(shè)備的正常工作,。醫(yī)院配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理已成為醫(yī)院和設(shè)計部門須考慮。
關(guān)鍵詞:醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng),;醫(yī)療設(shè)備,;電能質(zhì)量;諧波危害及治理,;系統(tǒng)解決方案
1引言
在醫(yī)院的發(fā)展以及運行中,,需要采用高科技等技術(shù)手段來滿足醫(yī)院供電設(shè)施的要求,從而逐漸實現(xiàn)醫(yī)院的科學(xué)用電以及節(jié)能用電等,,這樣能夠合理地減少醫(yī)院的成本,。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(yán)重時甚至?xí){患者的生命安全,因此對醫(yī)院供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理的深入分析研究勢在必行。
2醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng)諧波源及其特點
醫(yī)療行業(yè)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95%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,。常見的醫(yī)療設(shè)備有CT機(jī),、核磁共振儀MRI、直線加速器,、X線機(jī),、心血管造影機(jī)DSA和數(shù)字造影儀DSI等。
作為當(dāng)前醫(yī)學(xué)診斷的主要檢查設(shè)備,,CT機(jī)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(dá)1×104Hz的交流,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(jìn)行整流又進(jìn)行逆變,,會產(chǎn)生大量諧波,嚴(yán)重時總諧波畸變率可達(dá)30%,。
醫(yī)學(xué)上的核磁共振儀(MRI)依據(jù)“核磁共振"原理,,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。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(dá)40%~50%。
X光機(jī)為典型的瞬時性負(fù)荷,,工作時電壓可達(dá)幾十甚至上百千伏,,變壓器原邊將增加60~70kW的瞬時負(fù)荷。X光機(jī)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(jī)的瞬時工作特性,使得其諧波畸變率可達(dá)30%~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)院基本建立了醫(yī)院信息系統(tǒng),。系統(tǒng)本身功能強(qiáng)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(yuǎn)程醫(yī)療等系統(tǒng),。信息系統(tǒng)一般由成千上萬臺計算機(jī)和不計其數(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備構(gòu)成,,與醫(yī)院的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)一樣,運行過程必將產(chǎn)生諧波電流,。
以UPS典型負(fù)載為例,,UPS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(fù)載供電。當(dāng)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在市電正常時由市電輸出供電,,同時對電池充電,當(dāng)市電停電或電壓過低時則由電池經(jīng)逆變器向負(fù)載供電,。EPS和UPS均采用了IGBT技術(shù)和PWM技術(shù),,進(jìn)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)院內(nèi)電梯,、空調(diào)、變頻水泵,、通風(fēng),、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次諧波為較高。當(dāng)多個熒光燈接成三相四線負(fù)載時,,由于3次諧波電流屬于零序諧波電流,,三相矢量角度一致,3次諧波電流向零線疊加,造成中性線電流過大,。大部分醫(yī)院均采用變頻空調(diào)及風(fēng)機(jī),,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,。
3醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生諧波對配電系統(tǒng)危害
正常的供電網(wǎng)絡(luò)所提供的電壓應(yīng)該是單一的固定頻率和規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn),,對供電電網(wǎng)是一種污染,,它對用電設(shè)備正常運行造成危害。醫(yī)療設(shè)備對配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波的危害主要體現(xiàn)在如下方面:
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(dāng)并 聯(lián)的無功補償電容器容抗Xcn與系統(tǒng)感抗Xsn匹配時即Xcn=Xsn,,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(dāng)基波頻率為f1時,,諧振頻率fr可由下式計算得出,。其中,Sc為電源短路容量,;Qc為電容器容量,。

表1醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源和諧波畸變率情況
3.2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,,增加變壓器發(fā)熱,甚至引起局部嚴(yán)重過熱,,同時使變壓器噪聲增加,,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下列公式求出:

式中,,

為總諧波渦流損耗,;

為額定基波電流的渦流損耗;

為n次諧波電流,;

為額定基波電流,。
3.3對電機(jī)的影響
諧波對電機(jī)的主要影響是引起附加損耗,此外還將產(chǎn)生機(jī)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(jī)的n次諧波電流大小可通過式

(

為n次諧波電壓,;

為基波頻率)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(jī)整個諧波損耗即銅耗。
3.4對電容柜的影響
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(dāng)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,終會導(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(hù)熔斷器熔絲熔斷,。
3.5對網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的影響
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(qiáng)度,,通信線路對諧波干擾的敏銳程度,。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(yán)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(hù)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(jī)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(dāng)有諧波時會產(chǎn)生測量誤差,。
4醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量治理需求分析及主要特征
4.1需求分析
醫(yī)療設(shè)備的進(jìn)步,體現(xiàn)著現(xiàn)代醫(yī)院診療水平,,醫(yī)院的電磁環(huán)境因此發(fā)生了較大變化?,F(xiàn)代化醫(yī)院通過不斷引入新型、復(fù)雜的電子醫(yī)療系統(tǒng)來提高醫(yī)療服務(wù)水平,。諧波干擾問題必將成為醫(yī)院現(xiàn)代化進(jìn)程中須重視的問題,。醫(yī)院建設(shè)、管理,,電氣工程設(shè)計是以后發(fā)展過程中須考慮的問題,。
其原因有二:一是因為當(dāng)前電子技術(shù)正朝著高頻、高速,、高靈敏度,、高可靠性、多功能,、小型化方向發(fā)展,,導(dǎo)致了現(xiàn)代電子設(shè)備產(chǎn)生和接受電磁干擾的幾率大大增加;二是隨著電力電子裝置本身功率容量和功率密度的不斷增加,,電網(wǎng)的諧波干擾和反串也日益嚴(yán)重,。諧波不僅降低電網(wǎng)的供電品質(zhì),還會嚴(yán)重危及醫(yī)療設(shè)備供配電系統(tǒng)的電力器件的運行,,容易產(chǎn)生誤動作,,擊穿電容補償柜,對小型儀表類醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生電源干擾,。所以電力諧波是個不容忽視的問題,,應(yīng)以重視,。
4.2醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量主要特征:
1)對電能質(zhì)量要求高;
2)負(fù)載中含有多種諧波源,,配電諧波含量較高,;
3)治理方案:根據(jù)負(fù)載特征,需通過配電房集中治理和針對性的就地治理共同實現(xiàn),。
5醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案
5.1解決方案
隨著各種*醫(yī)療設(shè)備(磁共振成像(MRI),、二維圖像彩色B超儀、全身螺旋CT掃描儀,、單(雙)光子發(fā)射計算機(jī)斷層掃描機(jī),、全自動生化儀、采用電磁波技術(shù)的碎石機(jī),、胃腸斷層掃描機(jī),、高頻電刀、多功能微波治療儀等)的引進(jìn)與使用,,各種電子電路和電力電子技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)院的應(yīng)用,,生物醫(yī)學(xué)工程在現(xiàn)代化醫(yī)院中所起的作用越來越重要。這些儀器在保證醫(yī)療質(zhì)量的同時,,也因為儀器的高負(fù)載等特性,造成了大量的諧波污染,,大量的諧波必然會產(chǎn)生嚴(yán)重危害,,特別是諧波造成的電壓波動會影響醫(yī)療設(shè)備,使其受到諧波信號的干擾而影響儀器的性能,。特別值得關(guān)注的是,,醫(yī)院是對電能質(zhì)量要求很高的場合,意外斷電和電網(wǎng)干擾對醫(yī)療儀器的影響不容忽視,。特別是對于部分進(jìn)口儀器,,對使用的電網(wǎng)環(huán)境要求很高,因為國外已經(jīng)很早就重視了電能質(zhì)量問題而進(jìn)行了嚴(yán)格限制,,很多儀器不能保證在諧波環(huán)境下正常檢測,,甚至?xí)绊懫涫褂脡勖?/span>
安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運維與電能質(zhì)量治理等方面的需求,,致力于為醫(yī)療行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案,,從產(chǎn)品、系統(tǒng),、服務(wù)等不同方面來滿足用戶的需要,,為用戶創(chuàng)造價值。
5.2方案特點
電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測,、治理與設(shè)備運維等功能外,,亦可通過接入AcrelEMS-MED醫(yī)療建筑綜合能效管理平臺,,為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù);
全控技術(shù)實現(xiàn)電能質(zhì)量,;
電能質(zhì)量監(jiān)測:電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測,,測量精度高、測得準(zhǔn),,符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn),;
電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置整體設(shè)計,通過上位平臺實現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制,;
高品質(zhì)電能質(zhì)量治理:配套電力電子裝置技術(shù)過關(guān),、質(zhì)量過硬,具備網(wǎng)絡(luò)化,、可調(diào)控,、快速響應(yīng)的性能;
電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同:配電監(jiān)控管理與運維,、電能分析與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享融通,,為企業(yè)電能供給與消費提供控制手段。
5.3方案價值
全方面監(jiān)測電能質(zhì)量,,保障供電可靠性
對供電回路的電氣參數(shù)進(jìn)行全方面監(jiān)測,,確保設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發(fā)生時全部數(shù)據(jù)信息,,支持開展故障追蹤與問題定位,。
完整電能質(zhì)量治理
通過集中+就地整體電能質(zhì)量治理模式,更大程度滿足無功和諧波治理的要求,,提高整個醫(yī)療供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量,,減少對其它供電及醫(yī)療設(shè)備造成危害。
數(shù)據(jù)應(yīng)用及增值服務(wù)
系統(tǒng)提供多維度的用電指標(biāo)統(tǒng)計與電能數(shù)據(jù)分析工具,,為配電系統(tǒng)運行管理優(yōu)化和節(jié)能降耗提供指導(dǎo),。

6安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型
6.1集中治理
針對醫(yī)療行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的電梯、空調(diào),、風(fēng)機(jī),、大型水泵等電器設(shè)備及數(shù)量較多的計算機(jī)和音頻等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備,為減少諧波對電網(wǎng)側(cè)的危害和影響,,同時確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值,,避免罰款,可采用配電房集中治理的方式,,同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測,,其中包含諧波分析、波形采樣,、電壓暫降/暫升/中斷,、閃變監(jiān)測等,,其集中治理的產(chǎn)品選型見表2。
表2電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表
6.2就地治理
核磁共振器MRI,、CT機(jī),、X光機(jī)及UPS作為醫(yī)療行業(yè)中重要的末端設(shè)備,運行過程中不可避免的對整個醫(yī)療供配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波污染,,電流畸變率一般會達(dá)到40%~50%,。同時醫(yī)院照明普遍采用LED熒光燈、金鹵燈,、調(diào)光器等,,此類照明裝置主要負(fù)荷類型為開關(guān)電源型,諧波電流以3次諧波電流為主,,3次諧波電流作為零序電流,,三相矢量角度一致,因此向N線進(jìn)行疊加,,導(dǎo)致N線電流過大,。針對以上負(fù)載情況,建議在各重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補償設(shè)備進(jìn)行就地治理,,達(dá)到終端治理諧波的目的,,避免諧波影響到整個配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備。
就地治理的產(chǎn)品選型見表3
7上海某中心人民醫(yī)院電能質(zhì)量治理項目案例
7.1項目背景
以上海某中心人民醫(yī)院諧波治理和無功補償項目為例,,考慮到醫(yī)院復(fù)雜的各種*醫(yī)療設(shè)備如核磁共振,、 CT機(jī)、 血透機(jī)等,,同時各種LED節(jié)能照明設(shè)備、變頻空調(diào),、電梯設(shè)備等大量投入使用,,使用過程中會產(chǎn)生大量的諧波,對醫(yī)院中1-4號變壓器進(jìn)線柜和4號變壓器無功柜進(jìn)行測量,,并根據(jù)具體測量數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的治理方案,。
7.2測量結(jié)果
以1號變壓器為例,變壓器負(fù)載側(cè)和進(jìn)線側(cè)測量數(shù)據(jù)分別如下:



負(fù)載側(cè)



進(jìn)線側(cè)
由上述兩組數(shù)據(jù)可看出,,一號變壓器無功補償前功率因數(shù)0.95,,現(xiàn)場只投入兩組,補償后功率達(dá)到0.97,,諧波的主要次數(shù)為3次,,5次和7次,對于5次和7次諧波可通過在配電房集中治理,,消滅諧波對整個供配電系統(tǒng),、變壓器,、無功柜和其它用電設(shè)備的影響;通過數(shù)據(jù)得到由于3次諧波在N線線性疊加,,N線電流約140A,,對其進(jìn)行末端就地治理,防止諧波對N線造成損害,,保護(hù)線路,,同時阻止火災(zāi)的發(fā)生。
7.3治理方案
由于系統(tǒng)中無功柜均為純?nèi)菪?,較易與諧波電流產(chǎn)生諧振現(xiàn)象,,放大諧波電流,使無功柜受到損害,,在諧波較大的場合建議改造,,具體方案如下:
方案一:集中治理:建議配電房無功柜改造,并串接14%電抗,,結(jié)合AnSin-G Ⅰ型有源諧波治理系統(tǒng)裝置進(jìn)行集中諧波治理,;無功柜未投入時功率因數(shù)較好,若不改造,,在不影響功率因數(shù)的基礎(chǔ)上可先暫停,,直接裝設(shè)有源諧波治理系統(tǒng)裝置進(jìn)行諧波治理。
方案二:就地治理:建議在樓層配電間或負(fù)載末端加裝ANSNP中線安防保護(hù)器,,治理3N次諧波和三相不平衡導(dǎo)致N線電流過大問題,,達(dá)到終端治理諧波的目的,避免諧波影響到整個配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備,。
8結(jié)論
現(xiàn)代醫(yī)療行業(yè)中的設(shè)備普遍采用電力電子變流和控制器件,,使醫(yī)院非線性醫(yī)療設(shè)備負(fù)荷的種類和數(shù)量迅速增加,諧波污染日趨嚴(yán)重,,給配電系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備帶來巨大危害,。但醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波問題一直沒得到足夠重視,諧波造成的電能消耗增加,、設(shè)備故障,、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)巨大。通過對醫(yī)院供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行研究,,結(jié)合系統(tǒng)平臺提出合理的整體解決方案,,對改良供電質(zhì)量,提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運行,,保障設(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義,。