淺談醫院供配電系統諧波危害及治理

摘要：本文從典型醫療設備的工作原理出發，總結了醫院供配電系統中的諧波源及其特點。深入分析研究了醫療設備諧波對供配電系統的危害，以及配電網中諧波對醫療設備的危害，總結了諧波治理的主要措施。

關鍵字：醫院供配電系統；醫療設備；諧波危害；諧波治理

1概述

醫院供配電系統是醫院工作的基本平臺，包括各種非線性、時變性電氣設備和醫療設備。它們產生的諧波相互作用不僅會影響設備的正常運行，還會嚴重威脅患者的生命安全。因此，深入分析和研究醫院供配電系統的諧波及其治理勢在必行。

2醫院供配電系統諧波源及其特點

醫院供配電系統中的諧波源主要分為三類:醫療設備、信息通信設備和電氣設備，具有頻譜寬、畸變率高、種類雜、數量多的特點。

2.1醫療設備

醫院的醫療設備含有大量的電力和電子設備，在工作過程中不可避免地會產生諧波污染。常見的有CT機和MRI共振儀。、線性加速器，x線機，心血管造影機DSA，數字造影機DSI等。

CT機作為目前醫學診斷的主要檢查設備，在臨床上應用廣泛，價格昂貴。工作時，高頻高壓發生器首先將三相交流電整流成DC，然后通過并聯逆變器逆變成頻率高達1X1OHz的交流，最后通過雙壓整流產生穩定高壓，超過30kV，供電球管兩端。整個工作過程不僅進行整流和逆變，還會產生大量的諧波。嚴重時，總諧波畸變率可達30。％。

核磁共振儀是醫學上的(MRI)根據“核磁共振"原理，氫核核是利用磁場和射頻脈沖在人體組織中移動的。(H+)當章動產生射頻信號時，通過計算機處理和分析釋放的電磁波來繪制人體內部精確的立體圖像。產生核磁共振所需的交變磁場和無線電射頻脈沖都會造成諧波污染，正常工作時MRI的諧波畸變率為20。％左右。

直線加速器是指用微波電磁場加速電子的直線加速器，廣泛應用于醫院腫瘤放射治療領域。脈沖高壓由脈沖調制器供應，脈沖調制器一般采用軟管脈沖調制器。充電變壓器和脈沖形成電容器通過DC高壓電源諧振充電。當電壓穩定性要求較高時，調制器還需要使用脈沖電壓穩定裝置。系統所需的高頻電源、DC高壓電源的產生、脈沖調制器和脈沖電壓穩定裝置都會造成諧波污染，電流總諧波畸變率可達40。％～50％。

x光機是典型的瞬時負荷，工作時電壓可以達到幾十甚至幾百千伏，變壓器的原始邊緣會增加6O170kW的瞬時負荷。x光機的主要部件是光球管和高壓整流器。由于高壓整流器的整流橋在工作時會產生較大的諧波，加上x光機的瞬時工作特性，其諧波畸變率可達30kW％一50％。

2.2信息通信設備

為了儲存大量信息，方便辦公，大型醫院基本建立了醫院信息系統。它具有強大的功能，通常包括醫療信息系統、臨床信息系統、視頻教學和遠程醫療系統J。該系統包括數千臺計算機和數不清的網絡連接設備。它們將產生諧波電流，就像醫院的視頻監控系統和音頻系統一樣。

UPS(UninterruptiblePowerSystem)首先將市電整流轉換為DC，一路給電池充電，另一路給逆變器供電，將DC轉換為穩壓、穩頻、純50Hz交流電，向負載供電。當市電異常或供電中斷時，逆變器將由電池提供能量繼續工作，以確保用電設備的供電不間斷。EPS(EmergencyPowerSystem)市電正常時，由市電輸出供電，同時給電池充電。當市電停電或電壓過低時，電池通過逆變器向負載供電。EPS和UPS都采用了IGBT技術和PWM技術，在進行整流和逆變時會帶來諧波污染，是不可忽視的諧波源。對于大功率UPS，如果整流裝置是三相全控橋6脈沖整流器，總諧波畸變率接近30。％40％。

2.3電器設備

電梯、空調、變頻泵、照明設備等。醫院會產生畸變諧波。如果使用大量熒光燈，會造成較大的諧波電流，其中三次諧波最高。當多個熒光燈連接成三相四線負載時，三次諧波電流會在中線流過。大多數醫院使用變頻空調和風扇，而變頻器是典型的諧波源，會產生大量的五七次諧波污染電網。

如表1所示，醫院配電系統的主要諧波源、諧波次數和畸變率?？梢钥闯?，醫院典型設備產生的諧波主要是3次、5次、7次。正是這些設備在運行過程中產生了諧波，影響了醫院的電能質量，影響了設備的正常使用。

表1醫院配電系統主要諧波源和諧波畸變

3配電網絡諧波對醫療設備的危害

3.1對影像設備的影響

當醫療影像設備如磁共振成像、螺旋CT掃描儀、彩色多普勒超聲、心腦電圖機和X線機受到諧波干擾時，嵌入式電子元件可能會記錄噪聲并改變數據輸出，使顯像管顯示圖像變形失真，成像模糊，影響醫療診斷結果。

3.2對監護設備的影響

與人體直接接觸的常見多功能呼吸機、起搏器、心電監護儀等監護設備信號非常微弱。當它們受到微小諧波的干擾時，會影響儀器的正常工作，也可能造成微電擊。如果諧波污染導致呼吸機工作失敗，心臟起搏器工作失敗，直接危及患者的生命安全。

3.3對理療儀器的影響

醫療系統的理療儀器主要分為微波、音頻、短波等。受諧波影響的特點是不同的。音頻理療儀器受諧波干擾，輸出信號中會含有雜波，對患者造成電刺激。治療喉嚨、頭部等重要部位時，會產生強烈的刺激感，存在嚴重的安全隱患。受諧波影響，短波儀器更加敏感，儀器會接收和放大輸出系統中的諧波，造成局部不適[。

3.4對醫院計算機的影響

醫院的計算機系統必須整天穩定運行，醫療設備配置的計算機也要求設備運行時能夠正常工作。諧波可以通過電磁感應和靜電感應來干擾計算機網絡，影響系統的正常運行。諧波干擾還可以使單個計算機程序錯誤、崩潰或無故重啟。當共模干擾中的峰值干擾范圍達到2~50V，時間持續數微秒時，可能會導致計算機邏輯錯誤和信息丟失，造成嚴重后果。

4治理醫療配電網諧波的主要措施

諧波治理對諧波產生的特點主要有：受端治理、主動治理和被動治理。

4.1受端治理措施

為了減少諧波對系統和其他電氣設備的影響，盡可能保持負荷的三相平衡，選擇合理的供電方式，將諧波源從較大容量的供電點或較高電壓的電網供電。同步電機采用星形連接；變壓器一側連接成三角形。將產生更多諧波的醫療診斷設備與其他設備分開，選擇優質Dyn11型專用變壓器為這些醫療設備供電；將電容器組的一些支路改為濾波器，或限制電容器組的投入容量，以減少電容器對諧波的放大；提高設備性能，提高設備抗諧波干擾能力。

4.2主動治理措施

改變諧波源的配置，限制大量產生諧波的工作模式，集中在諧波互補裝置上；增加變流裝置的相數或脈沖數；在整流器之前安裝串聯電抗器，以抑制其平滑的諧波電流；PWM技術用于由自關斷器組成的變流器，使變流器產生的諧波頻率更高，幅度更小；矩陣變頻器、四象限變流器等高功率因數變流器的設計或使用；為了消除頻率較低的諧波，使用多重化技術來疊加多個波，但這種裝置復雜且昂貴。

4.3被動治理措施

被動處理的主要方法是添加一個濾波裝置，以防止諧波源產生的諧波注入電網和電力系統的諧波流入負載。常用的有無源、有源濾波器和混合有源濾波器。

無源濾波器(PassivePowerFilter,PPF)它是由電容器、電感和電阻等無源元件組成的諧振電路。傳統的諧波抑制和無功補償方法是將無源濾波器與需要補償的非線性負載并聯。濾波器對某些諧波頻率諧振形成低阻通路，使相應的諧波電流流入無源支路，避免流入電網。無功功率在過濾諧波的同時得到適當的補償。

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組成。檢測電路的主要功能是實時將諧波電流分量和基波無功電流分量從負載電流中分離出來，反過來作為補償電流的指令信號。根據檢測電路產生的指令信號，跟蹤控制電路計算驅動信號，并用于補償主電路的所有開關設備，從而產生有效的補償電流，從而達到消除諧波和無功補償的目的

混合式有源濾波器(HybridActivePowerFilter,HAPF)有源濾波器和無源濾波器通過串聯或并聯整合在一起。首先用無源濾波器過濾電流大、含量高的諧波，然后用有源濾波器過濾，從而降低有源濾波器的容量。它結合了無源濾波器的低成本和有源濾波器的優異性能，具有PPF和APF的優點，是一種有前途的過濾和無功補償方法。

5醫院有源諧波治理系統解決方案

它們都是諧波源，如x光機、CT機等。，會產生大量的諧波。諧波降低了電能的生產、傳輸和利用效率，使電氣設備過熱，產生振動和噪音，降低了絕緣老化，縮短了使用壽命，甚至出現故障或燒毀。諧波可能會導致電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，放大諧波含量，燒毀電容器和其他設備。諧波還會導致繼電保護和自動設備誤操作，導致電能計量混亂?？赡軙蓴_醫院的精密檢測設備。

該方案配置了AnSinI有源濾波器，以消除配電系統諧波對醫院設備的影響，濾除電網2~31次諧波干擾。

采用PWM變流技術，AnSinI系列有源電力濾波裝置通過并聯連接電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，從變流器中產生與當前諧波分量和無功分量相對應的反向分量，實時注入電力系統，實現諧波治理和無功補償。

有源諧波管理系統硬件配置方案

7結束語

現代醫療設備廣泛采用電力電子變流和控制器件，使醫院非線性醫療設備負荷的種類和數量迅速增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統和醫療設備帶來巨大危害。但醫院供配電系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。對醫院供配電系統諧波進行研究，對改善供電質量，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。

參考文獻：

[1]李志東.醫院供配電系統諧波危害及治理

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2020.06版．

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