醫療行業(yè)電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案

摘要：醫療行業(yè)的發(fā)展與建設離不開(kāi)電。醫療行業(yè)的配電系統是保證醫院供電的一項重要因素。隨著(zhù)我國現代科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展與進(jìn)步，醫院的供電設施也得到了很大的改良以及提高。在發(fā)展的過(guò)程中，各種技術(shù)使得我國醫院的配電系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(diǎn)是：設備運行會(huì )產(chǎn)生大量的諧波；對電源質(zhì)量要求很高。醫療設備所在配電系統中，如果存在大量的諧波，會(huì )使電壓、電流波形發(fā)生畸變，影響系統供電質(zhì)量。同時(shí)還對其它供電及用電設備造成危害：縮短設備使用壽命，干擾重要醫療設備的正常工作。醫院配電系統的電能質(zhì)量治理已成為醫院和設計部門(mén)須考慮。

關(guān)鍵詞：醫療行業(yè)供配電系統；醫療設備；電能質(zhì)量；諧波危害及治理；系統解決方案

1 引言

   在醫院的發(fā)展以及運行中，需要采用高科技等技術(shù)手段來(lái)滿(mǎn)足醫院供電設施的要求，從而逐漸實(shí)現醫院的科學(xué)用電以及節能用電等，這樣能夠合理地減少醫院的成本。醫院供配電系統是醫院工作的基礎平臺，包含各類(lèi)非線(xiàn)性、時(shí)變性電器設備和醫療設備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用，若不治理，不僅會(huì )影響設備的正常運行，嚴重時(shí)甚至會(huì )威脅患者的生命安全，因此對醫院供配電系統電能質(zhì)量治理的深入分析研究勢在必行。

2 醫療行業(yè)供配電系統諧波源及其特點(diǎn)

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

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(shí)不可避免的產(chǎn)生諧波污染。常見(jiàn)的醫療設備有CT機、核磁共振儀MRI、直線(xiàn)加速器、Ｘ線(xiàn)機、心血管造影機DSA和數字造影儀DSI等。

作為當前醫學(xué)診斷的主要檢查設備，CT機臨床運用十分廣泛，且價(jià)格十分昂貴。工作時(shí)，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1×104Ｈz的交流，通過(guò)倍壓整流產(chǎn)生大于30KV的穩定高壓給球管兩端供電。整個(gè)工作過(guò)程既進(jìn)行整流又進(jìn)行逆變，會(huì )產(chǎn)生大量諧波，嚴重時(shí)總諧波畸變率可達30%。

醫學(xué)上的核磁共振儀（MRI）依據“核磁共振"原理，產(chǎn)生核磁共振所需交變磁場(chǎng)和無(wú)線(xiàn)電射頻脈沖都將帶來(lái)諧波污染，正常工作時(shí)MRI的諧波畸變率在20％左右。

直線(xiàn)加速器是指用微波電磁場(chǎng)加速電子的直線(xiàn)型加速器，在醫院腫瘤放射治療領(lǐng)域運用較為廣泛。系統所需高頻電源、直流高壓電源的產(chǎn)生和脈沖調制器及脈沖電壓穩定裝置都將造成諧波污染，電流總諧波畸變率可達40％~50％。

X光機為典型的瞬時(shí)性負荷，工作時(shí)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(shí)負荷。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(shí)將產(chǎn)生較大諧波，加上X光機的瞬時(shí)工作特性，使得其諧波畸變率可達30％~50％。

2.2信息通信設備

為了存儲海量信息和方便辦公，現在大型醫院基本建立了醫院信息系統。系統本身功能強大，通常包括醫療信息系統、臨床信息系統、視頻視教和遠程醫療等系統。信息系統一般由成千上萬(wàn)臺計算機和不計其數的網(wǎng)絡(luò )連接設備構成，與醫院的視頻監控系統和音頻系統一樣，運行過(guò)程必將產(chǎn)生諧波電流。

以UPS典型負載為例，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、純凈的50Ｈz交流電，向負載供電。當市電異?；蚬╇娭袛鄷r(shí)，逆變器改由電池提供能量繼續工作，保證無(wú)間斷地給用電設備供電。EPS在市電正常時(shí)由市電輸出供電，同時(shí)對電池充電，當市電停電或電壓過(guò)低時(shí)則由電池經(jīng)逆變器向負載供電。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(shí)都會(huì )帶來(lái)諧波污染，是不可忽視的諧波源。對大功率UPS來(lái)說(shuō)，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電器設備

    醫院內電梯、空調、變頻水泵、通風(fēng)、照明設備等都將產(chǎn)生畸變諧波。如大量使用的熒光燈，會(huì )引起較大的諧波電流，其中３次諧波為較高。當多個(gè)熒光燈接成三相四線(xiàn)負載時(shí)，由于3次諧波電流屬于零序諧波電流，三相矢量角度一致，3次諧波電流向零線(xiàn)疊加，造成中性線(xiàn)電流過(guò)大。大部分醫院均采用變頻空調及風(fēng)機，而變頻器是典型的諧波源，會(huì )產(chǎn)生大量５次、７次諧波污染電網(wǎng)。

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

3 醫療設備產(chǎn)生諧波對配電系統危害

    正常的供電網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)是一種污染，它對用電設備正常運行造成危害。醫療設備對配電系統產(chǎn)生的諧波的危害主要體現在如下方面：

3.1對電網(wǎng)的影響

電網(wǎng)中的諧波會(huì )增加系統損耗，使設備發(fā)熱，影響設備使用壽命。此外當并 聯(lián)的無(wú)功補償電容器容抗Xcn與系統感抗Xsn匹配時(shí)即Xcn＝Xsn，將發(fā)生n次并聯(lián)諧振，造成電容器組的過(guò)電壓和過(guò)電流。當基波頻率為f1時(shí)，諧振頻率fr可由下式計算得出。其中，Sc為電源短路容量；Qc為電容器容量。

表1醫院配電系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(huì )增加變壓器的銅耗、鐵耗和雜散磁通損耗（線(xiàn)圈渦流損耗），可能在變壓器繞阻和線(xiàn)電容之間產(chǎn)生諧振，增加變壓器發(fā)熱，甚至引起局部嚴重過(guò)熱，同時(shí)使變壓器噪聲增加，減少變壓器的實(shí)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，為總諧波渦流損耗；為額定基波電流的渦流損耗；為n次諧波電流；為額定基波電流。

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(chǎn)生機械振動(dòng)、噪聲和諧波過(guò)電壓，降低其工作效率。三相感應電動(dòng)機的n次諧波電流大小可通過(guò)式（為n次諧波電壓；為基波頻率）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。所以感應電動(dòng)機整個(gè)諧波損耗即銅耗。

3.4對電容柜的影響

   在諧波的作用下電容器將過(guò)熱，導致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數較高時(shí)，電容器呈現低阻抗特性，流過(guò)電容器的電流將變大，使得電容器處在過(guò)載的工作情況，縮短使用壽命。諧波往往還會(huì )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合也會(huì )構成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路，在諧振情況下諧波電流會(huì )被放大數倍甚至數十倍，終會(huì )導致電壓會(huì )大大高于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熔斷。

3.5對網(wǎng)絡(luò )通信系統的影響

   諧波對通信系統干擾的大小由三個(gè)因素綜合決定：電力線(xiàn)路諧波電壓和諧波電流大小，電力線(xiàn)路和通信線(xiàn)路之間的耦合強度，通信線(xiàn)路對諧波干擾的敏銳程度。電網(wǎng)中不平衡諧波電流對通信系統，輕則產(chǎn)生噪聲干擾，降低通信質(zhì)量，重則導致信息丟失，使系統無(wú)法正常工作。在多個(gè)中性點(diǎn)接地電網(wǎng)中，如有較大零序分量諧波電流通過(guò)中性點(diǎn)流入大地，將嚴重干擾附近通信系統。通常音頻通道的頻率為200~3500Hz，而很多諧波也在這個(gè)范圍，易對臨近的電話(huà)線(xiàn)路產(chǎn)生靜電感應和電磁感應，輕則引起可以察覺(jué)的雜音甚至觸發(fā)電話(huà)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?jì)x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(dòng)作，導致感應型繼電器運動(dòng)過(guò)程來(lái)回擺動(dòng)，機電型繼電器時(shí)間延時(shí)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。由于大多數電氣測量?jì)x表，如電流表、電壓表、功率表都是按工頻正弦波來(lái)設計，對非正弦信號呈現出不同響應特性，當有諧波時(shí)會(huì )產(chǎn)生測量誤差。

4 醫療行業(yè)電能質(zhì)量治理需求分析及主要特征

4.1需求分析

   醫療設備的進(jìn)步，體現著(zhù)現代醫院診療水平，醫院的電磁環(huán)境因此發(fā)生了較大變化?，F代化醫院通過(guò)不斷引入新型、復雜的電子醫療系統來(lái)提高醫療服務(wù)水平。諧波干擾問(wèn)題必將成為醫院現代化進(jìn)程中須重視的問(wèn)題。醫院建設、管理，電氣工程設計是以后發(fā)展過(guò)程中須考慮的問(wèn)題。

   其原因有二：一是因為當前電子技術(shù)正朝著(zhù)高頻、高速、高靈敏度、高可靠性、多功能、小型化方向發(fā)展，導致了現代電子設備產(chǎn)生和接受電磁干擾的幾率大大增加；二是隨著(zhù)電力電子裝置本身功率容量和功率密度的不斷增加，電網(wǎng)的諧波干擾和反串也日益嚴重。諧波不僅降低電網(wǎng)的供電品質(zhì)，還會(huì )嚴重危及醫療設備供配電系統的電力器件的運行，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作，擊穿電容補償柜，對小型儀表類(lèi)醫療設備產(chǎn)生電源干擾。所以電力諧波是個(gè)不容忽視的問(wèn)題，應以重視。

4.2醫療行業(yè)電能質(zhì)量主要特征：

1）對電能質(zhì)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(guò)配電房集中治理和針對性的就地治理共同實(shí)現。

5 醫療行業(yè)電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案

5.1解決方案

   隨著(zhù)各種*醫療設備(磁共振成像(MRI)、二維圖像彩色B超儀、全身螺旋CT掃描儀、單(雙)光子發(fā)射計算機斷層掃描機、全自動(dòng)生化儀、采用電磁波技術(shù)的碎石機、胃腸斷層掃描機、高頻電刀、多功能微波治療儀等)的引進(jìn)與使用，各種電子電路和電力電子技術(shù)在現代醫院的應用，生物醫學(xué)工程在現代化醫院中所起的作用越來(lái)越重要。這些儀器在保證醫療質(zhì)量的同時(shí)，也因為儀器的高負載等特性，造成了大量的諧波污染，大量的諧波必然會(huì )產(chǎn)生嚴重危害，特別是諧波造成的電壓波動(dòng)會(huì )影響醫療設備，使其受到諧波信號的干擾而影響儀器的性能。特別值得關(guān)注的是，醫院是對電能質(zhì)量要求很高的場(chǎng)合，意外斷電和電網(wǎng)干擾對醫療儀器的影響不容忽視。特別是對于部分進(jìn)口儀器，對使用的電網(wǎng)環(huán)境要求很高，因為國外已經(jīng)很早就重視了電能質(zhì)量問(wèn)題而進(jìn)行了嚴格限制，很多儀器不能保證在諧波環(huán)境下正常檢測，甚至會(huì )影響其使用壽命。

   安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案可滿(mǎn)足電力監控管理、運維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為醫療行業(yè)用戶(hù)提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統、服務(wù)等不同方面來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需要，為用戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值。

5.2方案特點(diǎn)

   電能質(zhì)量監測與治理系統除作為本地終端為用戶(hù)提供電能質(zhì)量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過(guò)接入AcrelEMS-MED醫療建筑綜合能效管理平臺，為用戶(hù)提供遠程在線(xiàn)服務(wù)；

   全控技術(shù)實(shí)現電能質(zhì)量；

   電能質(zhì)量監測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

   電能質(zhì)量監測與治理裝置整體設計，通過(guò)上位平臺實(shí)現統一管理和閉環(huán)控制；

   高品質(zhì)電能質(zhì)量治理：配套電力電子裝置技術(shù)過(guò)關(guān)、質(zhì)量過(guò)硬，具備網(wǎng)絡(luò )化、可調控、快速響應的性能；

   電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監控管理與運維、電能分析與電能質(zhì)量數據共享融通，為企業(yè)電能供給與消費提供控制手段。

5.3方案價(jià)值

   全方面監測電能質(zhì)量，保障供電可靠性

   對供電回路的電氣參數進(jìn)行全方面監測，確保設備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)全部數據信息，支持開(kāi)展故障追蹤與問(wèn)題定位。

   完整電能質(zhì)量治理

   通過(guò)集中+就地整體電能質(zhì)量治理模式，更大程度滿(mǎn)足無(wú)功和諧波治理的要求，提高整個(gè)醫療供配電系統的電能質(zhì)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(wù)

   系統提供多維度的用電指標統計與電能數據分析工具，為配電系統運行管理優(yōu)化和節能降耗提供指導。

6 安科瑞電能質(zhì)量監測與治理產(chǎn)品選型

6.1集中治理

   針對醫療行業(yè)配電系統中涉及到的電梯、空調、風(fēng)機、大型水泵等電器設備及數量較多的計算機和音頻等網(wǎng)絡(luò )通信設備，為減少諧波對電網(wǎng)側的危害和影響，同時(shí)確保無(wú)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(shí)也可對整個(gè)低壓供配電系統進(jìn)行電能質(zhì)量在線(xiàn)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(chǎn)品選型見(jiàn)表2。

表2電能質(zhì)量監測及集中治理產(chǎn)品選型表

6.2就地治理

   核磁共振器MRI、CT機、X光機及UPS作為醫療行業(yè)中重要的末端設備，運行過(guò)程中不可避免的對整個(gè)醫療供配電系統中產(chǎn)生諧波污染，電流畸變率一般會(huì )達到40%~50%。同時(shí)醫院照明普遍采用LED熒光燈、金鹵燈、調光器等，此類(lèi)照明裝置主要負荷類(lèi)型為開(kāi)關(guān)電源型，諧波電流以3次諧波電流為主，3次諧波電流作為零序電流，三相矢量角度一致，因此向N線(xiàn)進(jìn)行疊加，導致N線(xiàn)電流過(guò)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(zhì)量補償設備進(jìn)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(gè)配電系統和其他用電設備。

就地治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表3

7 上海某中心人民醫院電能質(zhì)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(wú)功補償項目為例，考慮到醫院復雜的各種*醫療設備如核磁共振、 CT機、 血透機等，同時(shí)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(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的諧波，對醫院中1-4號變壓器進(jìn)線(xiàn)柜和4號變壓器無(wú)功柜進(jìn)行測量，并根據具體測量數據給出相應的治理方案。

7.2測量結果

   以1號變壓器為例，變壓器負載側和進(jìn)線(xiàn)側測量數據分別如下：

負載側

進(jìn)線(xiàn)側

   由上述兩組數據可看出，一號變壓器無(wú)功補償前功率因數0.95，現場(chǎng)只投入兩組，補償后功率達到0.97，諧波的主要次數為3次，5次和7次，對于5次和7次諧波可通過(guò)在配電房集中治理，消滅諧波對整個(gè)供配電系統、變壓器、無(wú)功柜和其它用電設備的影響；通過(guò)數據得到由于3次諧波在N線(xiàn)線(xiàn)性疊加，N線(xiàn)電流約140A，對其進(jìn)行末端就地治理，防止諧波對N線(xiàn)造成損害，保護線(xiàn)路，同時(shí)阻止火災的發(fā)生。

7.3治理方案

   由于系統中無(wú)功柜均為純容性，較易與諧波電流產(chǎn)生諧振現象，放大諧波電流，使無(wú)功柜受到損害，在諧波較大的場(chǎng)合建議改造，具體方案如下：

   方案一：集中治理：建議配電房無(wú)功柜改造，并串接14%電抗，結合AnSin-G Ⅰ型有源諧波治理系統裝置進(jìn)行集中諧波治理；無(wú)功柜未投入時(shí)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系統裝置進(jìn)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(xiàn)安防保護器，治理3N次諧波和三相不平衡導致N線(xiàn)電流過(guò)大問(wèn)題，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(gè)配電系統和其他用電設備。

8 結論

   現代醫療行業(yè)中的設備普遍采用電力電子變流和控制器件，使醫院非線(xiàn)性醫療設備負荷的種類(lèi)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(lái)巨大危害。但醫院供配電系統諧波問(wèn)題一直沒(méi)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(jīng)濟損失相當巨大。通過(guò)對醫院供配電系統電能質(zhì)量進(jìn)行研究，結合系統平臺提出合理的整體解決方案，對改良供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義。