徐天來(lái)

(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(lái)

(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(diǎn)及特殊性,針對(duì)諧波源及其危害進(jìn)行研究,并對(duì)諧波電壓和電流進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。結(jié)果 通過(guò)對(duì)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(lái)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(shí),也對(duì)我們的供電質(zhì)量提出了更高的要求,一些設(shè)備對(duì)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(kāi)關(guān)誤動(dòng)作、線損增加和絕緣老化,還可能形成諧波振蕩,危害整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此,認(rèn)識(shí)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(shí),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(duì)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(gè)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(huì)加劇變壓器的銅損,從而產(chǎn)生局部過(guò)熱和噪音增大,加速絕緣老化,縮短變壓器和電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

表1 1#變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 2#變壓器測(cè)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(wú)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(guò)感性耦合產(chǎn)生聲頻干擾,降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

1.3.4 造成開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作,引發(fā)電力事故 在有諧波存在時(shí),機(jī)電型繼電器的時(shí)間延長(zhǎng)特性會(huì)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(huì)導(dǎo)致誤跳閘。同時(shí),電網(wǎng)的各類(lèi)保護(hù)及自動(dòng)裝置也會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng),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(diǎn)及諧波源的主要分布

2.1 醫(yī)院配電系統(tǒng)的特點(diǎn)

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(jì)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(guò)實(shí)測(cè)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(huì)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(gè)熒光燈接成三相四線負(fù)載時(shí),中線上就會(huì)流過(guò)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(kāi)關(guān)電源供電,開(kāi)關(guān)電源設(shè)備會(huì)產(chǎn)生3、5、7次等諧波注入電網(wǎng)。(4)計(jì)算機(jī)及UPS:目前醫(yī)院均為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理,計(jì)算機(jī)的數(shù)量很多,此外服務(wù)器等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)必須配有UPS等備用電源。個(gè)人電腦的開(kāi)關(guān)電源及UPS均為諧波源,會(huì)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(huì)產(chǎn)生大量的3、

圖1 無(wú)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(huì)造成三相不平衡、諧波超標(biāo)、中性線諧波過(guò)載等電能質(zhì)量問(wèn)題。

3 低壓配電室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

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

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

2#變壓器:(負(fù)載為動(dòng)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(dòng)力等設(shè)備)表2。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示:被測(cè)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(guó)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(gè)比較大的幅值,超過(guò)了148A。諧波問(wèn)題比較嚴(yán)重。

4 電網(wǎng)凈化方案

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

綜上考慮,我們針對(duì)醫(yī)療用電及非線性負(fù)荷多的電路采用無(wú)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(wú)源濾波器沒(méi)有補(bǔ)償?shù)钠渌螖?shù)的諧波電流。無(wú)源濾波器容量占整個(gè)濾波容量的60%～70%,有源濾波器占30%～40%。無(wú)源+有源組合裝置的系統(tǒng)圖見(jiàn)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(wèn)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(zhǎng)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(shí)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(wú)功電流,使變壓器和線路的電流減小,從而使整個(gè)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(jì)[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(guó)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(lái):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。