醫療行業電能質量監測與治理係統解決方案

hth下载地址 陳聰

摘要：醫療行業(ye) 的發展與(yu) 建設離不開電。醫療行業(ye) 的配電係統是保證醫院供電的一項重要因素。隨著我國現代科學技術的逐漸發展與(yu) 進步，醫院的供電設施也得到了很大的改良以及提高。在發展的過程中，各種技術使得我國醫院的配電係統得到了逐漸的完善。一些大型醫院裝備了許多電子醫技設備．這些設備共同的特點是：設備運行會(hui) 產(chan) 生大量的諧波；對電源質量要求很高。醫療設備所在配電係統中，如果存在大量的諧波，會(hui) 使電壓、電流波形發生畸變，影響係統供電質量。同時還對其它供電及用電設備造成危害：縮短設備使用壽命，幹擾重要醫療設備的正常工作。醫院配電係統的電能質量治理已成為(wei) 醫院和設計部門須考慮。

關(guan) 鍵詞：醫療行業(ye) 供配電係統；醫療設備；電能質量；諧波危害及治理；係統解決(jue) 方案

1引言

在醫院的發展以及運行中，需要采用高科技等技術手段來滿足醫院供電設施的要求，從(cong) 而逐漸實現醫院的科學用電以及節能用電等，這樣能夠合理地減少醫院的成本。醫院供配電係統是醫院工作的基礎平台，包含各類非線性、時變性電器設備和醫療設備。它們(men) 產(chan) 生的諧波相互作用，若不治理，不僅(jin) 會(hui) 影響設備的正常運行，嚴(yan) 重時甚至會(hui) 威脅患者的生命安全，因此對醫院供配電係統電能質量治理的深入分析研究勢在必行。

2醫療行業供配電係統諧波源及其特點

醫療行業(ye) 供配電係統中的諧波源主要可分為(wei) 醫療設備、信息通信設備和電器設備三大類，具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數量多等特點。

2.1醫療設備

醫院的95%醫療設備含有大量的電力電子器件，工作時不可避免的產(chan) 生諧波汙染。常見的醫療設備有CT機、核磁共振儀(yi) MRI、直線加速器、Ｘ線機、心血管造影機DSA和數字造影儀(yi) DSI等。

作為(wei) 當前醫學診斷的主要檢查設備，CT機臨(lin) 床運用十分廣泛，且價(jia) 格十分昂貴。工作時，高頻高壓發生器先將三相交流電整流成直流，再經並聯逆變器逆變為(wei) 頻率高達1×104Ｈz的交流，通過倍壓整流產(chan) 生大於(yu) 30KV的穩定高壓給球管兩(liang) 端供電。整個(ge) 工作過程既進行整流又進行逆變，會(hui) 產(chan) 生大量諧波，嚴(yan) 重時總諧波畸變率可達30%。

醫學上的核磁共振儀(yi) （MRI）依據“核磁共振"原理，產(chan) 生核磁共振所需交變磁場和無線電射頻脈衝(chong) 都將帶來諧波汙染，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，在醫院腫瘤放射治療領域運用較為(wei) 廣泛。係統所需高頻電源、直流高壓電源的產(chan) 生和脈衝(chong) 調製器及脈衝(chong) 電壓穩定裝置都將造成諧波汙染，電流總諧波畸變率可達40％~50％。

X光機為(wei) 典型的瞬時性負荷，工作時電壓可達幾十甚至上百千伏，變壓器原邊將增加60~70kＷ的瞬時負荷。X光機的主要部件為(wei) 光球管和高壓整流器。由於(yu) 高壓整流器的整流橋工作時將產(chan) 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30％~50％。

2.2信息通信設備

為(wei) 了存儲(chu) 海量信息和方便辦公，現在大型醫院基本建立了醫院信息係統。係統本身功能強大，通常包括醫療信息係統、臨(lin) 床信息係統、視頻視教和遠程醫療等係統。信息係統一般由成千上萬(wan) 台計算機和不計其數的網絡連接設備構成，與(yu) 醫院的視頻監控係統和音頻係統一樣，運行過程必將產(chan) 生諧波電流。

以UPS典型負載為(wei) 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，將直流電變換成穩壓、穩頻、純淨的50Ｈz交流電，向負載供電。當市電異常或供電中斷時，逆變器改由電池提供能量繼續工作，保證無間斷地給用電設備供電。EPS在市電正常時由市電輸出供電，同時對電池充電，當市電停電或電壓過低時則由電池經逆變器向負載供電。EPS和UPS均采用了IGBT技術和PWM技術，進行整流和逆變時都會(hui) 帶來諧波汙染，是不可忽視的諧波源。對大功率UPS來說，如果整流裝置為(wei) 三相全控橋6脈衝(chong) 整流器，總諧波畸變率將近30％~40％。

2.3電器設備

醫院內(nei) 電梯、空調、變頻水泵、通風、照明設備等都將產(chan) 生畸變諧波。如大量使用的熒光燈，會(hui) 引起較大的諧波電流，其中３次諧波為(wei) 較高。當多個(ge) 熒光燈接成三相四線負載時，由於(yu) 3次諧波電流屬於(yu) 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。大部分醫院均采用變頻空調及風機，而變頻器是典型的諧波源，會(hui) 產(chan) 生大量５次、７次諧波汙染電網。

醫院配電係統主要諧波源、諧波次數和畸變率情況如表１所示，可見醫院典型設備產(chan) 生的諧波主要為(wei) ３次、５次、７次。正是這些設備在運行過程中產(chan) 生諧波，使醫院的電能質量受到影響，而受到影響的電能又反過來影響設備的正常使用。

3醫療設備產生諧波對配電係統危害

正常的供電網絡所提供的電壓應該是單一的固定頻率和規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對供電電網是一種汙染，它對用電設備正常運行造成危害。醫療設備對配電係統產(chan) 生的諧波的危害主要體(ti) 現在如下方麵：

3.1對電網的影響

電網中的諧波會(hui) 增加係統損耗，使設備發熱，影響設備使用壽命。此外當並 聯的無功補償(chang) 電容器容抗Xcn與(yu) 係統感抗Xsn匹配時即Xcn＝Xsn，將發生n次並聯諧振，造成電容器組的過電壓和過電流。當基波頻率為(wei) f1時，諧振頻率fr可由下式計算得出。其中，Sc為(wei) 電源短路容量；Qc為(wei) 電容器容量。

表1醫院配電係統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(hui) 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(chan) 生諧振，增加變壓器發熱，甚至引起局部嚴(yan) 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(wei) 總諧波渦流損耗；為(wei) 額定基波電流的渦流損耗；為(wei) n次諧波電流；為(wei) 額定基波電流。

3.3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(chan) 生機械振動、噪聲和諧波過電壓，降低其工作效率。三相感應電動機的n次諧波電流大小可通過式（為(wei) n次諧波電壓；為(wei) 基波頻率）計算得到。由於(yu) 電壓畸變引起的附加鐵心損耗很小，可以忽略不計。所以感應電動機整個(ge) 諧波損耗即銅耗。

3.4對電容櫃的影響

在諧波的作用下電容器將過熱，導致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數較高時，電容器呈現低阻抗特性，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(hui) 使電容器介質損耗增加，其直接後果是額外的發熱和壽命縮短。電容器和電源電感結合也會(hui) 構成並聯或串聯諧振電路，在諧振情況下諧波電流會(hui) 被放大數倍甚至數十倍，終會(hui) 導致電壓會(hui) 大大高於(yu) 電容器的額定電壓值，使電容器損壞炸裂或保護熔斷器熔絲(si) 熔斷。

3.5對網絡通信係統的影響

諧波對通信係統幹擾的大小由三個(ge) 因素綜合決(jue) 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，通信線路對諧波幹擾的敏銳程度。電網中不平衡諧波電流對通信係統，輕則產(chan) 生噪聲幹擾，降低通信質量，重則導致信息丟(diu) 失，使係統無法正常工作。在多個(ge) 中性點接地電網中，如有較大零序分量諧波電流通過中性點流入大地，將嚴(yan) 重幹擾附近通信係統。通常音頻通道的頻率為(wei) 200~3500Hz，而很多諧波也在這個(ge) 範圍，易對臨(lin) 近的電話線路產(chan) 生靜電感應和電磁感應，輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發電話響鈴，重則危及設備和操作人員安全。

3.6對繼電保護和電氣測量儀表的影響

隻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，導致感應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分零序電流和次諧波電流，導致誤跳閘。由於(yu) 大多數電氣測量儀(yi) 表，如電流表、電壓表、功率表都是按工頻正弦波來設計，對非正弦信號呈現出不同響應特性，當有諧波時會(hui) 產(chan) 生測量誤差。

4醫療行業電能質量治理需求分析及主要特征

4.1需求分析

醫療設備的進步，體(ti) 現著現代醫院診療水平，醫院的電磁環境因此發生了較大變化。現代化醫院通過不斷引入新型、複雜的電子醫療係統來提高醫療服務水平。諧波幹擾問題必將成為(wei) 醫院現代化進程中須重視的問題。醫院建設、管理，電氣工程設計是以後發展過程中須考慮的問題。

其原因有二：一是因為(wei) 當前電子技術正朝著高頻、高速、高靈敏度、高可靠性、多功能、小型化方向發展，導致了現代電子設備產(chan) 生和接受電磁幹擾的幾率大大增加；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，電網的諧波幹擾和反串也日益嚴(yan) 重。諧波不僅(jin) 降低電網的供電品質，還會(hui) 嚴(yan) 重危及醫療設備供配電係統的電力器件的運行，容易產(chan) 生誤動作，擊穿電容補償(chang) 櫃，對小型儀(yi) 表類醫療設備產(chan) 生電源幹擾。所以電力諧波是個(ge) 不容忽視的問題，應以重視。

4.2醫療行業電能質量主要特征：

1）對電能質量要求高；

2）負載中含有多種諧波源，配電諧波含量較高；

3）治理方案：根據負載特征，需通過配電房集中治理和針對性的就地治理共同實現。

5醫療行業電能質量監測與治理係統解決方案

5.1解決方案

隨著各種醫療設備(磁共振成像(MRI)、二維圖像彩色B超儀(yi) 、全身螺旋CT掃描儀(yi) 、單(雙)光子發射計算機斷層掃描機、全自動生化儀(yi) 、采用電磁波技術的碎石機、胃腸斷層掃描機、高頻電刀、多功能微波治療儀(yi) 等)的引進與(yu) 使用，各種電子電路和電力電子技術在現代醫院的應用，生物醫學工程在現代化醫院中所起的作用越來越重要。這些儀(yi) 器在保證醫療質量的同時，也因為(wei) 儀(yi) 器的高負載等特性，造成了大量的諧波汙染，大量的諧波必然會(hui) 產(chan) 生嚴(yan) 重危害，特別是諧波造成的電壓波動會(hui) 影響醫療設備，使其受到諧波信號的幹擾而影響儀(yi) 器的性能。特別值得關(guan) 注的是，醫院是對電能質量要求很高的場合，意外斷電和電網幹擾對醫療儀(yi) 器的影響不容忽視。特別是對於(yu) 部分進口儀(yi) 器，對使用的電網環境要求很高，因為(wei) 國外已經很早就重視了電能質量問題而進行了嚴(yan) 格限製，很多儀(yi) 器不能保證在諧波環境下正常檢測，甚至會(hui) 影響其使用壽命。

hth下载地址電氣提出的電能質量監測與(yu) 治理係統解決(jue) 方案可滿足電力監控管理、運維與(yu) 電能質量治理等方麵的需求，致力於(yu) 為(wei) 醫療行業(ye) 用戶提供一站式的整體(ti) 解決(jue) 方案，從(cong) 產(chan) 品、係統、服務等不同方麵來滿足用戶的需要，為(wei) 用戶創造價(jia) 值。

5.2方案特點

電能質量監測與(yu) 治理係統除作為(wei) 本地終端為(wei) 用戶提供電能質量監測、治理與(yu) 設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-MED醫療建築綜合能效管理平台，為(wei) 用戶提供遠程在線服務；

全控技術實現電能質量；

電能質量監測：電能質量實時在線監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

電能質量監測與(yu) 治理裝置整體(ti) 設計，通過上位平台實現統一管理和閉環控製；

高品質電能質量治理：配套電力電子裝置技術過關(guan) 、質量過硬，具備網絡化、可調控、快速響應的性能；

電能管理務業(ye) 務綜合協同：配電監控管理與(yu) 運維、電能分析與(yu) 電能質量數據共享融通，為(wei) 企業(ye) 電能供給與(yu) 消費提供控製手段。

5.3方案價值

全方麵監測電能質量，保障供電可靠性

對供電回路的電氣參數進行全方麵監測，確保設備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與(yu) SOE告警能夠及時記錄故障發生時全部數據信息，支持開展故障追蹤與(yu) 問題定位。

完整電能質量治理

通過集中+就地整體(ti) 電能質量治理模式，更大程度滿足無功和諧波治理的要求，提高整個(ge) 醫療供配電係統的電能質量，減少對其它供電及醫療設備造成危害。

數據應用及增值服務

係統提供多維度的用電指標統計與(yu) 電能數據分析工具，為(wei) 配電係統運行管理優(you) 化和節能降耗提供指導。

6hth下载地址電能質量監測與治理產品選型

6.1集中治理

針對醫療行業(ye) 配電係統中涉及到的電梯、空調、風機、大型水泵等電器設備及數量較多的計算機和音頻等網絡通信設備，為(wei) 減少諧波對電網側(ce) 的危害和影響，同時確保無功功率因數達到國標要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時也可對整個(ge) 低壓供配電係統進行電能質量在線監測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測等，其集中治理的產(chan) 品選型見表2。

表2電能質量監測及集中治理產(chan) 品選型表

6.2就地治理

核磁共振器MRI、CT機、X光機及UPS作為(wei) 醫療行業(ye) 中重要的末端設備，運行過程中不可避免的對整個(ge) 醫療供配電係統中產(chan) 生諧波汙染，電流畸變率一般會(hui) 達到40%~50%。同時醫院照明普遍采用LED熒光燈、金鹵燈、調光器等，此類照明裝置主要負荷類型為(wei) 開關(guan) 電源型，諧波電流以3次諧波電流為(wei) 主，3次諧波電流作為(wei) 零序電流，三相矢量角度一致，因此向N線進行疊加，導致N線電流過大。針對以上負載情況，建議在各重要設備的配電箱增加電能質量補償(chang) 設備進行就地治理，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(ge) 配電係統和其他用電設備。

就地治理的產(chan) 品選型見表3

7上海某中心人民醫院電能質量治理項目案例

7.1項目背景

以上海某中心人民醫院諧波治理和無功補償(chang) 項目為(wei) 例，考慮到醫院複雜的各種醫療設備如核磁共振、 CT機、 血透機等，同時各種LED節能照明設備、變頻空調、電梯設備等大量投入使用，使用過程中會(hui) 產(chan) 生大量的諧波，對醫院中1-4號變壓器進線櫃和4號變壓器無功櫃進行測量，並根據具體(ti) 測量數據給出相應的治理方案。

7.2測量結果

以1號變壓器為(wei) 例，變壓器負載側(ce) 和進線側(ce) 測量數據分別如下：

負載側(ce)

進線側(ce)

由上述兩(liang) 組數據可看出，一號變壓器無功補償(chang) 前功率因數0.95，現場隻投入兩(liang) 組，補償(chang) 後功率達到0.97，諧波的主要次數為(wei) 3次，5次和7次，對於(yu) 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(ge) 供配電係統、變壓器、無功櫃和其它用電設備的影響；通過數據得到由於(yu) 3次諧波在N線線性疊加，N線電流約140A，對其進行末端就地治理，防止諧波對N線造成損害，保護線路，同時阻止火災的發生。

7.3治理方案

由於(yu) 係統中無功櫃均為(wei) 純容性，較易與(yu) 諧波電流產(chan) 生諧振現象，放大諧波電流，使無功櫃受到損害，在諧波較大的場合建議改造，具體(ti) 方案如下：

方案一：集中治理：建議配電房無功櫃改造，並串接14%電抗，結合AnSin-G Ⅰ型有源諧波治理係統裝置進行集中諧波治理；無功櫃未投入時功率因數較好，若不改造，在不影響功率因數的基礎上可先暫停，直接裝設有源諧波治理係統裝置進行諧波治理。

方案二：就地治理：建議在樓層配電間或負載末端加裝ANSNP中線安防保護器，治理3N次諧波和三相不平衡導致N線電流過大問題，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(ge) 配電係統和其他用電設備。

8結論

現代醫療行業(ye) 中的設備普遍采用電力電子變流和控製器件，使醫院非線性醫療設備負荷的種類和數量迅速增加，諧波汙染日趨嚴(yan) 重，給配電係統和醫療設備帶來巨大危害。但醫院供配電係統諧波問題一直沒得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經濟損失相當巨大。通過對醫院供配電係統電能質量進行研究，結合係統平台提出合理的整體(ti) 解決(jue) 方案，對改良供電質量，提高電網的安全和經濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義(yi) 。