徐天來

(北京協(xié)和醫(yī)院 北京 100032)

醫(yī)院配電系統(tǒng)的諧波分析及治理①

徐天來

(北京協(xié)和醫(yī)院 北京 100032)

目的 消除醫(yī)療設(shè)備中的諧波,提高供電質(zhì)量降低電力損耗。方法 結(jié)合醫(yī)院配電特點及特殊性,針對諧波源及其危害進(jìn)行研究,并對諧波電壓和電流進(jìn)行實測分析。結(jié)果 通過對治理諧波的幾種方法進(jìn)行分析,最終提出了解決方案。結(jié)論 提高配電管理水平,改善電能品質(zhì),保障醫(yī)療工作的正常進(jìn)行。

醫(yī)院 特殊性 諧波 濾波器

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,越來越多的醫(yī)學(xué)裝備應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域。這在為醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷工作做出重大作用的同時,也對我們的供電質(zhì)量提出了更高的要求,一些設(shè)備對于不合格電力的容許程度嚴(yán)格到了幾十甚至十幾毫秒。隨著晶閘管控制設(shè)備和電子控制裝置等非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用,加劇了電壓和電流波形的畸變,大量的3、5、7、9次諧波注入到電網(wǎng)中。諧波電壓電流的積累疊加,易導(dǎo)致電子開關(guān)誤動作、線損增加和絕緣老化,還可能形成諧波振蕩,危害整個電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此,認(rèn)識諧波,精確諧波源和諧波含量,積極地治理諧波、凈化電網(wǎng),具有積極和深遠(yuǎn)的意義。

1 電力系統(tǒng)諧波的基本特性

1.1 諧波的定義

IEEE 519-1992中定義:諧波(Harmonic)為一周期波或量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。

1.2 諧波的產(chǎn)生

在電力系統(tǒng)中,諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時,與所加的電壓不呈線性關(guān)系,就形成非正弦電流,即電路中有諧波產(chǎn)生。在平衡的三相系統(tǒng)中,由于對稱關(guān)系,偶次諧波已經(jīng)被消除了,只有奇次諧波存在。

1.3 諧波的危害

諧波的危害主要有以下幾個方面。

1.3.1 加速絕緣老化,降低設(shè)備的使用壽命 諧波電壓可能導(dǎo)致電容器和變壓器的渦流損耗增加,加大絕緣材料的電應(yīng)力。諧波電流會加劇變壓器的銅損,從而產(chǎn)生局部過熱和噪音增大,加速絕緣老化,縮短變壓器和電動機(jī)的使用壽命。

表1 1#變壓器測試數(shù)據(jù)

表2 2#變壓器測試數(shù)據(jù)

1.3.2 增加線損,加大成本支出 由于諧波不經(jīng)治理是無法自然消除的,所以諧波電壓和電流在電網(wǎng)中積累疊加導(dǎo)致線損增加,變壓器帶載能力下降,從而增加了電費(fèi)支出。

1.3.3 影響通訊質(zhì)量 由于空間限制,通訊線路害我輸電線路的距離一般很近,諧波容易通過感性耦合產(chǎn)生聲頻干擾,降低信號的傳輸質(zhì)量。

1.3.4 造成開關(guān)誤動作,引發(fā)電力事故 在有諧波存在時,機(jī)電型繼電器的時間延長特性會改變。地電流繼電器不能區(qū)分零序電流和三次諧波,從而會導(dǎo)致誤跳閘。同時,電網(wǎng)的各類保護(hù)及自動裝置也會產(chǎn)生誤動或拒動,這在微機(jī)保護(hù)和綜保裝置中表現(xiàn)突出,可能引發(fā)區(qū)域電網(wǎng)瓦解,造成大面積停電的惡性事故。

2 醫(yī)院配電系統(tǒng)特點及諧波源的主要分布

2.1 醫(yī)院配電系統(tǒng)的特點

眾所周之,醫(yī)院作為特殊的服務(wù)性行業(yè),醫(yī)療部分的用電必須保證持續(xù)性和可靠性。許多病人使用著大量醫(yī)療設(shè)備,像呼吸機(jī)、心電圖機(jī)、輸液泵等,一旦出現(xiàn)斷電,后果將不堪設(shè)想。醫(yī)院配電系統(tǒng)一般是10/0.4Kv主變壓器(兩路)。主要負(fù)載為電子醫(yī)療精密設(shè)備、照明及變頻通風(fēng)設(shè)備、計算機(jī)及UPS等,其中大部分為單相非線性負(fù)荷。

2.2 醫(yī)院諧波源的主要分布

經(jīng)過實測分析匯總,諧波源的主要分布如下:(1)通風(fēng)設(shè)備:為了節(jié)約能源,大部分醫(yī)院均采用變頻風(fēng)機(jī)及空調(diào)。變頻器是非常重要的諧波源,其總諧波電流畸變率達(dá)33%以上,會產(chǎn)生大量5、7次等諧波污染電網(wǎng)。(2)照明設(shè)備:醫(yī)院內(nèi)部使用著大量的熒光燈具,產(chǎn)生大量的諧波電流。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三次諧波電流。(3)電子醫(yī)療精密設(shè)備:醫(yī)院內(nèi)的大型電子醫(yī)療設(shè)備一般為開關(guān)電源供電,開關(guān)電源設(shè)備會產(chǎn)生3、5、7次等諧波注入電網(wǎng)。(4)計算機(jī)及UPS:目前醫(yī)院均為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理,計算機(jī)的數(shù)量很多,此外服務(wù)器等數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)必須配有UPS等備用電源。個人電腦的開關(guān)電源及UPS均為諧波源,會產(chǎn)生大量的3、5、7次等諧波。

醫(yī)院的低壓配電系統(tǒng)有大量的諧波源負(fù)荷,會產(chǎn)生大量的3、

圖1 無源+有源組合裝置的系統(tǒng)圖

5、7次等諧波,嚴(yán)重污染電網(wǎng)。大量的單相非線性負(fù)荷會造成三相不平衡、諧波超標(biāo)、中性線諧波過載等電能質(zhì)量問題。

3 低壓配電室實測數(shù)據(jù)分析

基于以上的分析,我們選擇配電室中的2臺變壓器進(jìn)行諧波含量測試,測試位置是變壓器的低壓側(cè)配電柜的總出線處。下面是測試得到的數(shù)據(jù)。

1#變壓器:(負(fù)載為照明動力、手術(shù)室、X光、核磁室、空調(diào)、電梯和一些泵類等)表1。

2#變壓器:(負(fù)載為動力照明、空調(diào)機(jī)組、熱力站、機(jī)房、水泵、食堂、核磁力和供應(yīng)室動力等設(shè)備)表2。

測試數(shù)據(jù)顯示:被測系統(tǒng)中的電壓諧波和電流諧波含量都非常大,電壓諧波已經(jīng)超標(biāo)(國標(biāo)GB/T14549-93中規(guī)定電壓總諧波畸變率應(yīng)≤5%)。電流諧波也由一個比較大的幅值,超過了148A。諧波問題比較嚴(yán)重。

4 電網(wǎng)凈化方案

目前,國內(nèi)治理諧波主要有無源濾波、有源濾波和無源+有源組合的濾波方式。有源濾波器的性能優(yōu)越,但價格較高;無源濾波器雖然治理諧波的效果不甚理想,但價格優(yōu)勢明顯;而無源+有源組合裝置是二者的有機(jī)結(jié)合,在治理效果、價格和工作效率等方面都有明顯優(yōu)勢。

綜上考慮,我們針對醫(yī)療用電及非線性負(fù)荷多的電路采用無源+有源組合裝置進(jìn)行補(bǔ)償,以改善醫(yī)療設(shè)備的供電質(zhì)量,提高醫(yī)療工作質(zhì)量。其中有源濾波器用于補(bǔ)償無源濾波器沒有補(bǔ)償?shù)钠渌螖?shù)的諧波電流。無源濾波器容量占整個濾波容量的60%～70%,有源濾波器占30%～40%。無源+有源組合裝置的系統(tǒng)圖見圖1。

5 能效分析

5.1 改善電能品質(zhì),保證醫(yī)療工作的正常進(jìn)行

電網(wǎng)凈化裝置能全面改善電能質(zhì)量問題,濾出電網(wǎng)諧波,補(bǔ)償功率因數(shù),防止電網(wǎng)的串并聯(lián)諧振,從而減少醫(yī)療設(shè)備的故障率,延長設(shè)備的使用壽命,提高醫(yī)療工作的效率。

5.2 提高供配電能力

電網(wǎng)凈化裝置將諧波電流由10%左右濾除到接近零,使變壓器的實際負(fù)荷大大降低,有了更大的供電富裕能力。降低電能損耗,節(jié)約電能。

由于補(bǔ)償了諧波電流和無功電流,使變壓器和線路的電流減小,從而使整個配電線路的損耗降低,節(jié)能約8%左右。

[1]G.J.Waki l ehM,徐政譯.電力系統(tǒng)諧波-基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2002:68～85.

[2]陳杰甫,楊泓,馬旻雯,等.醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波狀況普查與K系數(shù)研究[J].電氣工程應(yīng)用,2007,4:23.

[3]GB/T 14549—93.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1993.

[4]IEEE Task Force on Harm onic Impacts (1993) Effects of harmonics on equipment.IEEE Transactions on Power Delivery 8: 672～680.

Objective To elim inate harmonics in medical devices,improve power quality and reduce power consumption.Methods Combine the characteristics of hospital electricity distribution and networks w ith the specificity of use of electricity and analyze the medical system harmonic sources and the harm that followed.The analysis and measurement between harmonic voltage and current is also included.Results Through several methods of governance harmonic analysis,the final solution is proposed.Conclusion To improve distribution management and power quality and in order to ensure the normal conduct of medical work.

Hospital;Specificity;Harmonic;Filter

TM 935

A

1674-0742(2010)11(b)-0013-02

2010-08-03

徐天來:男,1989年7月畢業(yè)于武漢冶金科技大學(xué)(原武漢鋼鐵學(xué)院),北京協(xié)和醫(yī)院行政處工程師,從事高低壓配電技術(shù)及管理工作。