淺談醫(yī)院諧波治理

章天柱

摘 要：隨著非線性電氣設(shè)備在醫(yī)院配電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，低壓電網(wǎng)中的諧波污染越來越嚴(yán)重，給醫(yī)院的正常運作以及醫(yī)護(hù)人員和患者的生命健康帶來了潛在隱患。本文介紹了醫(yī)院低壓電網(wǎng)中的諧波危害、諧波源分布以及諧波治理方法。

關(guān)鍵詞：醫(yī)院；非線性設(shè)備；諧波；諧波源；危害；治理

近年來，在醫(yī)院配電網(wǎng)中使用非線性負(fù)載越來越多，如變頻水泵、電梯、空調(diào)、熒光燈、計算機、不間斷電源（UPS）、醫(yī)用放射設(shè)備、監(jiān)護(hù)儀、治療儀、檢驗設(shè)備等，這些非線性負(fù)載將產(chǎn)生大量的諧波和電磁輻射干擾，污染電網(wǎng)，造成電能質(zhì)量下降，可能引起供配電設(shè)備故障，電氣設(shè)備過熱，甚至有引發(fā)火災(zāi)的危險；同時，諧波還可能會對高精密診斷儀器設(shè)備造成程序運行錯誤、數(shù)據(jù)丟失、無故重啟、死機甚至永久性損壞的不良后果，還有可能會危及醫(yī)護(hù)人員和患者的生命健康。因此，正確認(rèn)識諧波，明確諧波源，積極治理諧波、凈化電網(wǎng)，具有積極而深遠(yuǎn)的意義。

1 諧波的產(chǎn)生

當(dāng)正弦波電壓施加于非線性負(fù)載上時，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使得電壓波形也變?yōu)榉钦也?。非正弦波用傅里葉級數(shù)分解，其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于基波的分量稱為諧波。簡而言之，電力諧波是指n倍（n為大于1的整數(shù)）工頻頻率的交流電，它是一種電力污染，對電力系統(tǒng)及設(shè)備危害十分嚴(yán)重。

2 諧波的危害

2.1 諧波對線路的影響

諧波增大系統(tǒng)電能損耗，使設(shè)備元器件發(fā)熱，影響設(shè)備使用壽命。此外，諧波引起的諧振，造成電容器組過電壓或過電流，容易燒毀電容器或電氣設(shè)備。

2.2 諧波對變壓器的影響

諧波會增加變壓器的附加損耗，可能在變壓器繞阻和線電容之間產(chǎn)生諧振，引起過熱，增大噪聲，加速絕緣老化，大大縮短變壓器使用壽命。

2.3 諧波對電機的影響

除引起附加損耗、減小電磁轉(zhuǎn)矩外，諧波還會產(chǎn)生機械振動和噪聲，降低電機效率，減少電機使用壽命。

2.4 諧波對繼電保護(hù)和自動裝置的影響

諧波會引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動或拒動，降低安全可靠性，威脅電力系統(tǒng)安全運行。諧波還會造成電氣測量儀表計量誤差。

2.5 諧波對通信設(shè)備的影響

諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重則導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

2.6 諧波對醫(yī)療設(shè)備的影響

諧波會產(chǎn)生大量電磁輻射，對高精度的醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生很大干擾，可能發(fā)生數(shù)據(jù)差錯、圖像模糊、信息丟失等問題，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致硬件損壞，造成醫(yī)療設(shè)備無法繼續(xù)正常工作。特別是檢測人體生物電信號的儀器設(shè)備，如心電圖機、心電監(jiān)護(hù)儀、心臟起搏器、腦電圖機、超聲診斷儀、針灸電療儀等直接接觸人體的儀器設(shè)備，由于信號非常微弱，一旦受到干擾，就會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；同時還可能會引起微電擊，嚴(yán)重時還會對患者造成身體損害甚至生命危險。大型醫(yī)療設(shè)備如MRI、CT、DR等也會由于諧波的影響而可能使設(shè)備電路板燒毀，影響正常檢查工作，增加患者等待時間。

3 醫(yī)院低壓電網(wǎng)中諧波源的主要分布

醫(yī)院低壓電網(wǎng)中存在大量的諧波源負(fù)載：

3.1 照明燈具

大部分醫(yī)院照明以熒光燈具為主，會產(chǎn)生幅值較大的奇次諧波，但諧波污染不是很嚴(yán)重，電流總諧波畸變率在7%左右。

3.2 變頻裝置

醫(yī)院常見變頻裝置有電梯、水泵、空調(diào)等。

醫(yī)院樓層高、人流量大，電梯在醫(yī)院的正常運轉(zhuǎn)中扮演著重要角色。交流電機帶動升降電梯，通過變頻器控制電梯啟停變速。變頻器會導(dǎo)致電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生大量5、7、11、13次諧波。

醫(yī)院供暖、供水、排水管網(wǎng)大量采用變頻水泵，水泵工作時電壓總諧波畸變率可達(dá)14%，電流諧波畸變也很厲害，主要為5、7、11、13次。

醫(yī)院各科室大都裝有中央空調(diào)或獨立空調(diào)，且以變頻空調(diào)為主?？照{(diào)的電流總諧波畸變率一般為30%～40%，其中5次諧波含量最高。

3.3 計算機和UPS

醫(yī)院信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須24小時全天候運行，以便對醫(yī)療過程中的病例、數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲記錄。大量計算機，以及服務(wù)器必配的UPS不間斷電源，會產(chǎn)生大量3、5、7次等諧波。

3.4 電子醫(yī)療檢測設(shè)備

大型醫(yī)院的電子醫(yī)療檢測設(shè)備常選用開關(guān)電源提供電力，但其整流和逆變工作過程中將產(chǎn)生大量3、5、7次等的諧波電流。

3.5 醫(yī)技設(shè)備

大型醫(yī)院基本配置齊全X光機、CT機、核磁共振設(shè)備MRI，數(shù)字胃腸機等，有的甚至配備了電子直線加速器、數(shù)字減影血管造影機DSA等設(shè)備，這些設(shè)備為患者診斷病情提供了準(zhǔn)確依據(jù)，可同時也是系統(tǒng)中主要的諧波源。它們的諧波情況比較復(fù)雜，頻譜相對較寬，主要諧波次數(shù)為3，5，7次。高諧波環(huán)境不僅會影響設(shè)備的正常工作，使之出現(xiàn)故障，還會對臨近的設(shè)備產(chǎn)生干擾。

4 諧波治理的方法

常用的諧波治理方法有兩種方式：一種是無源濾波器，一種是有源濾波器。兩者可以與無功功率因素補償柜結(jié)合使用，也可以相互之間配合使用。

無源濾波器是傳統(tǒng)的諧波補償裝置，主要由了濾波電容器、電抗器和電阻器串聯(lián)組成，與諧波源并聯(lián)，諧振頻率設(shè)定在需要濾出的高次諧波頻率上，以達(dá)到濾波目的。無源濾波器優(yōu)點是經(jīng)濟實惠成本低，缺點是濾波效果相對較差。

有源濾波器是在無源濾波裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補償，在其額定的無功功率范圍內(nèi)，濾波效果為100%，缺點是價格相對無源濾波器較高。

醫(yī)院低壓電網(wǎng)中諧波源數(shù)量多，情況復(fù)雜，可選用有源濾波器，采用就地補償與集中補償相結(jié)合的諧波治理方式。

1.就地補償：按設(shè)備工作電流乘以諧波畸變率，即可得出諧波電流有效值，可選擇相應(yīng)電流的三線濾波器。

2.集中補償：考慮到主母線或配電干線上可能含有照明、動力、空調(diào)等負(fù)載，應(yīng)選用相應(yīng)容量的四線濾波器。集中補償濾波設(shè)備的諧波電流有效值可按計算電流乘以諧波畸變率，畸變率按15%考慮。

3.如果不采用就地補償，只采用集中補償，醫(yī)技設(shè)備與其它電氣設(shè)備混合供電，可以將畸變率提高到20%進(jìn)行估算。

有源濾波器輸出的補償電流是根據(jù)系統(tǒng)的諧波量動態(tài)變化的，因此不會出現(xiàn)過補償?shù)膯栴}；另外，有源濾波器內(nèi)部有過負(fù)荷保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)的諧波量大于濾波器容量時，濾波器可以自動限制在100%額定容量輸出，不用擔(dān)心會發(fā)生過負(fù)荷的問題。

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