摘要：論文從典型醫(yī)療設(shè)備工作原理出發(fā)，概述了醫(yī)院供配電系統(tǒng)中的諧波源及其特點,。對醫(yī)療設(shè)備所產(chǎn)生諧波對供配電系統(tǒng)的危害,，以及配電網(wǎng)中的諧波對醫(yī)療設(shè)備的危害進(jìn)行了深入分析研究，并總結(jié)了諧波治理的主要措施,。
關(guān)鍵詞：醫(yī)院供配電系統(tǒng),；醫(yī)療設(shè)備,；諧波危害；諧波治理
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(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)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(dāng)前醫(yī)學(xué)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(dá)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(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,，利用磁場與射頻脈沖使人體組織內(nèi)進(jìn)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(jìn)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(dá)40％～50％,。
x光機為典型的瞬時性負(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6O一70kW的瞬時負(fù)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(dá)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(yuǎn)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(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(EmergencyPowerSystem)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(dāng)多個熒光燈接成三相四線負(fù)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(fēng)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(dāng)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(dāng)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(yán)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(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,，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(hù)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(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.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(xué)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(hù)類設(shè)備的影響
常見的多功能呼吸機,、起搏器,、心電監(jiān)護(hù)儀等直接與人體接觸的監(jiān)護(hù)設(shè)備信號非常微弱，當(dāng)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(dāng)對喉,、頭部等重要部位進(jìn)行治療時,，將產(chǎn)生強烈的刺激感，存在嚴(yán)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(dāng)共模干擾中的尖峰干擾幅度達(dá)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(yán)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(fù)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,。
5.2主動治理措施
改變諧波源的配置，限制大量產(chǎn)生諧波的工作方式,，集中具有諧波互補性的裝置,；增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)；在整流器之前加裝串聯(lián)電抗器,，抑制其平滑諧波電流,；在自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器中采用PWM技術(shù)使變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較??；設(shè)計或采用高功率因數(shù)變流器，如矩陣式變頻器,、四象限變流器等,；用多重化技術(shù)將多個波疊加，以消除頻率較低的諧波,，但這種裝置復(fù)雜,，成本較高。
5.3被動治理措施
被動治理的主要方式是外加濾波裝置,，以阻止諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載,，常用的有無源,、有源濾波器和混合型有源濾波器,。
無源濾波器(PassivePowerFilter,PPF)是由電容、電感和電阻等無源元件構(gòu)成的諧振電路,。傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法是將無源濾波器與需補償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián),，濾波器對某些諧波頻率諧振形成低阻通路，使相應(yīng)的諧波電流流入無源支路而避免流入電網(wǎng),，在濾除諧波的同時也適當(dāng)?shù)匮a償了無功功率,。
有源濾波器(ActivePowerFilter,APF)主要由諧波和無功電流檢測電路、跟蹤控制電路和補償主電路構(gòu)成,。檢測電路的主要功能是從負(fù)載電流中實時分離出諧波電流分量和基波無功電流分量,，并將其反相后作為補償電流的指令信號。跟蹤控制電路再根據(jù)檢測電路產(chǎn)生的指令信號,，計算出驅(qū)動信號并作用于補償主電路各開關(guān)器件,，產(chǎn)生有效的補償電流，達(dá)到消除諧波與無功補償?shù)哪康摹?/p>
混合型有源濾波器(HybridActivePowerFilter,HAPF)通過串聯(lián)或并聯(lián)方式將有源濾波器與無源濾波器整合到一起，先用無源濾波器濾除電流較大,、含量較高的諧波,，再用有源濾波器進(jìn)行濾波，從而降低有源濾波器的容量,。它將無源濾波器的低成本和有源濾波器的優(yōu)良性能相結(jié)合,，同時具備了PPF和APF的優(yōu)點，是一種有前途的濾波及無功補償方式,。
6.醫(yī)院有源諧波治理系統(tǒng)解決方案
都是諧波源,，比如X光機、CT機等都會產(chǎn)生大量諧波,，諧波使電能的生產(chǎn),、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱,、產(chǎn)生振動和噪聲,，并使絕緣老化，使用壽命縮短,，甚至發(fā)生故障或燒毀,。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大,，造成電容器等設(shè)備燒毀,。諧波還會引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂,。對于醫(yī)院的精密化驗設(shè)備可能會產(chǎn)生干擾,。
為了消除配電系統(tǒng)諧波對醫(yī)院設(shè)備的影響，方案配置AnSinI有源濾波器,，濾除電網(wǎng)2~31次諧波干擾,。
AnSinI系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)方式接入電網(wǎng),，通過實時檢測負(fù)載的諧波和無功分量,，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個和當(dāng)前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實時注入電力系統(tǒng),，從而實現(xiàn)諧波治理和無功補償,。
有源諧波治理系統(tǒng)硬件配置方案
名稱 | 型號 | 功能 |
有源諧波治理系統(tǒng) | AnSin-□-MI型 | 采用DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，并聯(lián)在系統(tǒng)中,，兼補諧波和無功：可對2~51次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償,；具備完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù),、裝置過溫保護(hù)功能：基于谷歌Fliutter框架構(gòu)建的遙信,、遙控軟件平臺,，具備遠(yuǎn)程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能；支持IOS,、安卓,、PC多平臺交互；具備超前和滯后的功率因數(shù)校正功能,，可將三相不平衡負(fù)荷調(diào)整至平衡,；具備動態(tài)過溫降載功能，較大限度的保證濾波器的持續(xù)運行,；具備智能風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制功能,，根據(jù)負(fù)荷率和環(huán)境溫度智能控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，降低損耗,；具備動態(tài)擴(kuò)容功能,。 |
有源無功補償系統(tǒng) | AnCos-□-MI型 | 采用DSP高速檢測和運算的數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)控及顯示系統(tǒng)；具備無功功率線性補償,、三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能,，并可濾除5、7,、11,、13次以內(nèi)的諧波；具備遠(yuǎn)程通訊接口功能,，并可通過PC機進(jìn)行實時監(jiān)控：基于谷歌Fliutter框架構(gòu)建的遙信,、遙控軟件平臺,具備遠(yuǎn)程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能；支持IOS,、安卓,、PC多平臺交互；具備數(shù)據(jù)可視化與策略定制化,；具備自動檢測運行功能,；具備智能散熱和無極調(diào)速的功能；具備動態(tài)擴(kuò)容功能,，支持插拔,，方便更換；具備測量監(jiān)視和定值設(shè)定功能,；具備過壓切除、過壓閉鎖,、欠壓切除,、超溫告警等保護(hù)功能。 |
低壓無功功率補償裝置 | ANSVC | 多種補償形式：三相共補,、三相分補,、共補十分補三種形式,，并使用串聯(lián)電抗器保護(hù)電容器；控制器具有多回路循環(huán)或編碼投切運行方式,，能有效避免分組投切時個別電容投切過于頻繁的問題,；具有電力參數(shù)監(jiān)測、采集和統(tǒng)計功能和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口,，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測和計算機聯(lián)網(wǎng)管理,。 |
諧波保護(hù)器 | ANHPD | 吸收3kHz?10MHz頻率各種能量的諧波干擾，消除高次諧波,、高頻噪聲,、脈沖尖峰、浪涌等干擾,，擠正電壓,、電流波形，克服由于高頻諧波污染引起的干擾,，保障設(shè)備的安全運行,。 |
中銭安防保護(hù)器 | ANSNP | DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時間短,，全數(shù)字控制算法,；可濾除中性線中由3N次諧波或三相不平衡造成的過大電流；具有完善的橋臂過流保護(hù),、直流過壓保護(hù),、裝置過溫保護(hù)功能：釆用4.3英寸屏慕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制；多機并聯(lián),，達(dá)到較高的電流輸出等級,。 |
混合動態(tài)諧波無功補償 系統(tǒng) | AnCos-□/□-MI型 | 線性輸出，無功功率全容性-全感性輸出的同時,，可濾除特定次諧波,；具備三相不平衡治理及穩(wěn)壓功能；補償后系統(tǒng)功率因數(shù)＞0.99;具有有源濾波功能,，單模塊有四種規(guī)格：30kvar無功十15A濾波,，50kvar無功+25A濾波，75kvar無功+37.5A濾波,，lOOkvar無功+50A濾波,；模塊化并聯(lián)設(shè)計；基于谷歌Fliutter框架構(gòu)建的遙信,、遙控軟件平臺,，具備運程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能；支持IOS,、安卓,、PC多平臺交互,。 |
混合動態(tài)無功補償系統(tǒng) | AnCos-□/Q□II型 | 補償方式靈活；無功補償,，諧波治理,，解決三相不平衡問題；全模塊設(shè)計,；具有人性化的人機交互界面,，實時顯示系統(tǒng)的電能質(zhì)量信息；基于谷歌Fliutter框架構(gòu)建的遙信,、遙控軟件平臺,，具備遠(yuǎn)程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能：支持IOS、安卓,、PC多平臺交互,；采用7寸觸摸屏，可以監(jiān)控每一路TSCI作狀態(tài),，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制,，保障功率因數(shù)可以達(dá)到0.99以上。 |
混合動態(tài)消諧補償系統(tǒng) | AnCos-□/C□II型 | 控制方式靈活,，釆用先進(jìn)的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?，快速響?yīng)；一機多能,，既可補償諧波,，又可兼補無功；模塊化設(shè)計,；釆用可靠的電容電疣器組合,，防止出現(xiàn)諧振；基于谷歌Fliutter框架構(gòu)建的遙信,、遙控軟件平臺,，具備遠(yuǎn)程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能；支持IOS,、安卓,、PC多平臺交互；采用7英寸大屏慕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制,，使用方便,，易于操作和維護(hù)。 |
7結(jié)束語
現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備廣泛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,。對醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波進(jìn)行研究，對改善供電質(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。
安科瑞侯文莉
