任運業(yè)
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：文章從諧波治理的危害、治理意義、諧波源組成、諧波治理等方面進行了論述。目的在于通過綜合整治電網的諧波，有效地改善醫(yī)院配電系統(tǒng)的安全、可靠、節(jié)能。
關鍵詞：醫(yī)院；配電系統(tǒng)；諧波治理
0引言
配電系統(tǒng)中存在的諧波成分，會導致電力系統(tǒng)的電能品質下降，從而導致電力供應的可靠性下降。在醫(yī)院里，會對各種高精度高的醫(yī)療器械儀器產生很大的影響，如發(fā)生攝像系統(tǒng)圖像的干擾，監(jiān)視器出現的花屏、醫(yī)療器械設備的動作不靈敏、傳感器元件的故障等，從而影響到這些精度高醫(yī)療器械設備的正常工作。因此，本文就諧波對醫(yī)院配電系統(tǒng)的影響和危害進行了分析和討論。提出了一種具有針對性的控制技術措施，以達到降低配電系統(tǒng)諧波成分的目的，從而有效地改善電網的供電質量。
1配電系統(tǒng)諧波治理意義
1.1控制高次諧波分量
采用無功補償、濾波器等諧波補償后，能夠有效的補償配電系統(tǒng)的諧波、減小諧波等成分，保證配電系統(tǒng)指標達到國家技術標準和技術規(guī)范的要求，從而為醫(yī)院的配電系統(tǒng)和電力設備，醫(yī)療器械設備的安全可靠、節(jié)能、經濟、 、穩(wěn)定地運行提供了重要的技術裝置保證。
1.2提供電能功率因素
采用自動消諧濾波器，能有效地降低電網的電壓、電流諧波；此外，采用消諧濾波器，可減少或消除諧波諧振，從而使醫(yī)療器械設備得到高質量、 率、經濟的電力資源，減少因諧波引起的不必要的電力資源損耗。通過多年的實際工作，我們知道，經過對自動調頻過濾柜等設備的技術改造，可以使醫(yī)院配電系統(tǒng)的功率因數，在很長一段時間內保持在0.97以上。通過這種方式，既能為醫(yī)技樓的醫(yī)療診斷設備提供一個較好的使用條件，又能有效的提高醫(yī)療診斷設備的綜合使用效率，達到5%——30%的節(jié)能效果。
1.3改善供電電能品質
采用自動消諧式過濾器等電網凈化設備，對提高醫(yī)院配電系統(tǒng)的電力品質具有重要意義。通過過濾配電系統(tǒng)的諧波，對電網的功率因數進行補償，避免了電力系統(tǒng)中的串并聯共振現象，保證醫(yī)療衛(wèi)生工作的安全、穩(wěn)定、有效的開展。
2電力諧波的危害
普通電力系統(tǒng)的電壓應為一個特定的頻率，并具有一定的幅度。諧波的產生，會對電力系統(tǒng)的供電系統(tǒng)有影響，并對電力系統(tǒng)的正常工作產生一定的影響。諧波的危害表現在以下幾個方面。
2.1影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性
在電磁繼電器中，由于電力諧波的存在，往往會導致繼電保護裝置設備的誤動作、不能正常工作，從而影響到系統(tǒng)的正常運行。
2.2對動力設備的影響
諧波對電動機產生的影響主要表現為：電動機的工作效率下降、使用壽命縮短（受影響設備有供暖、供水、中央空調、電梯等）。此外，3次諧波在導線上流動時，導線長期過熱，造成絕緣老化后引起著火。
3醫(yī)療行業(yè)諧波治理需求分析
醫(yī)療器械設備的發(fā)展，是醫(yī)院的一個重要標志，也是醫(yī)院先進技術的一個重要標志?，F代醫(yī)院不斷引進先進的電子醫(yī)療體系，不斷的改善醫(yī)療質量。諧波干擾是當前醫(yī)院建設中亟待解決的問題。醫(yī)院的建設，管理，電氣工程項目的設計，在今后的發(fā)展中都要加以重視。
由于電力電子設備自身的功率和效率的提高，使得電網中的諧波干擾和反串現象越來越突出。諧波不但會使電網的供電質量下降，而且會對醫(yī)療器械設備、用電裝置設備造成故障，造成誤動作、擊穿電容器、對小型設備儀器的電源模塊造成干擾。因此，電網的諧波問題是一個不可忽略的問題。
4醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波源分析
4.1醫(yī)院配電系統(tǒng)負荷主要特征
醫(yī)院作為一種特殊的服務場所，其醫(yī)療器械設備的種類、數量、人員的流動性、供電可靠性、節(jié)能經濟性等都有很大的影響。如果出現停電、供電不足等問題，對患者的經濟、社會造成 大的影響甚至會造成手術等無法正常進行，造成嚴重的后果。在醫(yī)院配電系統(tǒng)中，一般采用10/0.4千伏主變壓器（兩路電源），其主要的非線性負荷有：醫(yī)療器械設備、節(jié)能照明設備、變頻調速設備、計算機、 UPS應急電源系統(tǒng)等，這些電力負荷大多為單相非線性負荷，所產生的諧波成分會被注入到配電系統(tǒng)，從而污染電力網絡。
4.2醫(yī)院配電系統(tǒng)中的主要諧波源
通過對醫(yī)院配電系統(tǒng)的大量測試和分析，得出結論：通風設備、照明設備、醫(yī)療設備，是醫(yī)院配電系統(tǒng)中的諧波源。如醫(yī)院照明系統(tǒng)中，使用大量的節(jié)能型熒光燈，這些熒光燈在運行時，會產生大量的諧波，對配電網造成一定的污染。采用三相四線供電的多盞節(jié)能燈，在三相四線負荷運行的情況下，三相三次諧波對醫(yī)院配電系統(tǒng)造成嚴重的污染。醫(yī)院的醫(yī)療設備中有大量的電力電子元器件，這些醫(yī)療設備在工作時會產生較大的諧波，造成電網污染。比較常見的設備有MRI（核磁共振）、CT機、X線機等。其中，MRI工作時會生成射頻脈沖和交變磁場來產生核磁共振，而射頻脈沖和交變磁場都會帶來諧波污染；X光機中高壓整流器的整流橋工作時將產生較大諧波，而且X光機為瞬時性負荷，工作時電壓可達百千伏，變壓器的負載將增加60~70kw的瞬時負荷，也會增加電網諧波。
5醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波綜合治理方案
醫(yī)院配電網的諧波治理的總體目標是：電網的總諧波 THDI (3%，電源功率因數cosφ)0.95。
5.1采用串聯電抗器
該裝置以串聯電抗器為核心，對諧振進行控制，并對電容進行保護，以達到安全補償。但是，這種諧波治理方法，在諧波處理方面，卻是束手無策，而且諧波治理的效果也不是很好，所以，在醫(yī)院配電系統(tǒng)的諧波治理中，很難取得較好的效果。
5.2采用無源調諧式濾波器進行濾波補償
在實際應用中，一般采用無源調諧式濾波器，其阻抗率可分為5.67%、7%和14%三大類。其中，具有5.67%電抗系數的調諧電容器，具有210Hz的單調諧振頻率，它的主要作用是能吸收50%以上電力裝置的5次諧波；具有7%電抗系數的調諧電容器，具有189 Hz的單調諧振頻率，其主要作用是吸收電力裝置20%以上的5次諧波和少量7次諧波；而具有14%電抗系數的調諧電容，其單調諧振頻率為133 Hz，其主要作用是對3次諧波的控制。該方法利用無源調諧式濾波器對電網的電容無功進行補償，取得了很好的濾波效果。這種方法更經濟、更具性價比，但僅適用于低諧波的情況。
5.3采用有源濾波器
有源濾波器用于電網的諧波濾波及無功補償，能滿足電網的諧波治理和無功補償需求，但是，無功補償的無功功率消耗了有源濾波器的容量，而且其費用也比電容高，因而很少用于實際工程中。
5.4混合濾波補償方案
在醫(yī)院配電系統(tǒng)中，將有源濾波器+無源調諧式濾波器、無功補償的方法結合起來，既能保證無功的安全，又能完quan消除電網的諧波成分，節(jié)約能源，經濟效益顯著。
5.5采用無功補償方案
通過對靜態(tài)無功補償（SvC)、靜態(tài)無功產生（SvG）進行補償，并與在線無功補償系統(tǒng)相結合，能夠根據醫(yī)院配電系統(tǒng)的具體狀況，動態(tài)的進行補償，從而吸收高次諧波，降低電壓閃點，從而有效地改善電網的供電可靠性和供電品質。
5.6諧波治理設備的選擇
對于已投入使用的醫(yī)院，可以根據實際情況來確定過濾裝置的容量。對正在建設的醫(yī)院大樓，根據以下方法計算出諧波電流，選擇合適的濾波裝置。
a.現場補償：根據用電設備的工作電流乘以諧波失真率，可以得到有效的諧波電流，并選用三線濾波電路。
b.在不使用現場補償的情況下，僅使用集中的方式，將醫(yī)療器械設備與其它電器設備相結合，可使失真率增加至20%。
由于有源濾波器的輸出電壓隨系統(tǒng)的諧波而發(fā)生動態(tài)變化，不存在過補償問題；此外，該濾波器還具有過載保護的特性，而無需考慮過負載問題。
6安科瑞醫(yī)院EMS能效管理系統(tǒng)
6.1平臺拓撲圖
6.2醫(yī)院電力監(jiān)控解決方案
電力監(jiān)控系統(tǒng)實現對變壓器、柴油發(fā)電機、斷路器以及其它重要設備進行監(jiān)視、測量、記錄、報警等功能，并與保護設備和遠方控制及其他設備通信，實時掌握供電系統(tǒng)運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高醫(yī)院供電可靠性。
電力監(jiān)控系統(tǒng)主要針對開閉所和10/0.4kV變電所，對高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況。同時對醫(yī)院重要設備如柴油發(fā)電機、無功補償裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)測。
電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置
| 應用場合 | 名稱 | 系列型號 | 圖片 | 功能 |
| 系統(tǒng)后臺 | 電力監(jiān)控軟件 | Acrel-2000/Z |
| 數據的實時采集、數字通信、遠程操作與程序拉制、權限管理、車件記錄與告營、故障分析、各類報表 |
| 通訊層 | 智能網關 | Anet系列 |
| 8個RS485串口2kV隔離，2個以太網接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協(xié)議設備的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協(xié)議、支持多不同數據服務要求，支持斷點續(xù)傳，裝置電源:220VAC/DC。 |
| 35KV、10KV | 微機保護裝置 | AM6-x |
| 相間電流速斷保護，相間限shi電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。 |
| 35KV\10KV進線側 | 電能質量在線監(jiān)測裝置 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協(xié)議。 |
| 35KV/10KV測量 | 多功能網絡電力儀表 | APM-520 |
| 具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、電能統(tǒng)計、電能質 量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功 能及網絡通訊等功能，主要用于電網供電質量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、AO模 塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現電氣回路全電量測量及開關狀態(tài)監(jiān)控 |
| 35KV\10KV帶電顯示裝置 | 智能操控裝置 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； |
| 35KV\10KV弧光保護 | 弧光保護裝置 | ARB5-x |
| 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、11個跳閘出口； 擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號： 弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜。弧光探頭的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域； |
| 35KV\10KV配電柜 | 無線測溫 | ATE400（PT柜選用ATE200） |
| 監(jiān)測母線、線纜接頭、斷路器觸臂、觸頭溫度，可通過無線傳輸至ASD320就地顯示，也可以上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。電源分為內置電池式和感應取電式，固定方式有螺栓固定，表帶式捆綁，測溫范圍-50℃-125℃，精度±1℃ |
| 0.4KV進線 | 多功能網絡電力儀表 | APM-520(96外型) |
| 具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、電能統(tǒng)計、電能質 量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功 能及網絡通訊等功能，主要用于電網供電質量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、AO模 塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現電氣回路全電量測量及開關狀態(tài)監(jiān)控 |
| 電能質量在線監(jiān)測裝置 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協(xié)議。 | |
| 測溫監(jiān)控裝置 | ARTM-Pn-E |
| 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； | |
| 無線測溫傳感器 | ATE400 |
| 監(jiān)測母線、線纜接頭、斷路器觸臂、觸頭溫度，可通過無線傳輸至ASD320就地顯示，也可以上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。電源分為內置電池式和感應取電式，固定方式有螺栓固定，表帶式捆綁，測溫范圍-50℃-125℃，精度±1℃ | |
| 0.4KV濾波柜 | 有源諧波治理系統(tǒng) | AnSin-xxx |
| 有源電力濾波器井聯在含諧波負載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠對動態(tài)變化的諧波電流進行快速實時的跟蹤和補償， |
| 0.4KV補償柜 | 有源無功補償系統(tǒng) | AnCos-xxx |
| 低壓無功功率補償裝置并聯在整個供電系統(tǒng)中，能根據電網中負載功率因數的變化通過控制器控制電力電容器投切進行補償,無功功率補償裝置采用散件組成方案，主要以電容電抗、投切開關、控制器等組成。 補償方式:線性補償，全響應時間<5ms，瞬時響應時間≤100us;補償效果:≥0.99，可補償容性無功和感性無功，濾除5、7、9、11、13次以內的諧波;自身損耗:≤百分之2，效率:>百分之98;監(jiān)控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過PC機實時監(jiān)控;具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統(tǒng)和本體的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控;標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。 |
| 0.4KV饋線 | 多功能網絡電力儀表 | APM-510(72外型) |
| 具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、電能統(tǒng)計、電能質 量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功 能及網絡通訊等功能，主要用于電網供電質量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、AO模 塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現電氣回路全電量測量及開關狀態(tài)監(jiān)控 |
| 電氣火災監(jiān)測模塊 | ARCM200系列 |
| 三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cos中)，視在電能、四象限電能計量，單回路剩余電流監(jiān)測，4路溫度監(jiān)測，2路繼電器輸出，4路開關量輸入，事件記錄，內置時鐘，點陣式LCD顯示，2路獨立RS485/Modbus通訊 | |
| 測溫監(jiān)控裝置 | ARTM-Pn-E |
| 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； | |
| 無線測溫傳感器 | ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5安培，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； | |
| 低壓回路 | 電流互感器 | AKH-0.66系列 |
| 測量型互感器，采集交流電流信號 |
7結束語
在醫(yī)院配電系統(tǒng)的規(guī)劃設計、施工、運行維護中， 加強對電網的諧波處理，并采取適當的諧波處理措施，以達到減少電網損耗的目的，保證醫(yī)院配電系統(tǒng)的安全可靠、經濟、 的運行和發(fā)展。
參考文獻：
[1]醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波治理技術方案 劉華金
[2] 程杰. 醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波分析及治理研究[J]. 中國設備工程,2022(1):214-216.
[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2020.06版．
[4]安科瑞用戶變電站變配電監(jiān)控解決方案2021.10
作者簡介：
任運業(yè)，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。
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