醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案

安科瑞 梅岑彬 18761500144

摘要：醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展與建設(shè)離不開電。醫(yī)療行業(yè)的配電系統(tǒng)是保證醫(yī)院供電的一項(xiàng)重要因素。隨著我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展與進(jìn)步，醫(yī)院的供電設(shè)施也得到了很大的改良以及提高。在發(fā)展的過程中，各種技術(shù)使得我國醫(yī)院的配電系統(tǒng)得到了逐漸的完善。一些大型醫(yī)院裝備了許多電子醫(yī)技設(shè)備．這些設(shè)備共同的特點(diǎn)是：設(shè)備運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生大量的諧波；對電源質(zhì)量要求很高。醫(yī)療設(shè)備所在配電系統(tǒng)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(tǒng)供電質(zhì)量。同時(shí)還對其它供電及用電設(shè)備造成危害：縮短設(shè)備使用壽命，干擾重要醫(yī)療設(shè)備的正常工作。醫(yī)院配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理已成為醫(yī)院和設(shè)計(jì)部門須考慮。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng)；醫(yī)療設(shè)備；電能質(zhì)量；諧波危害及治理；系統(tǒng)解決方案

1引言

在醫(yī)院的發(fā)展以及運(yùn)行中，需要采用高科技等技術(shù)手段來滿足醫(yī)院供電設(shè)施的要求，從而逐漸實(shí)現(xiàn)醫(yī)院的科學(xué)用電以及節(jié)能用電等，這樣能夠合理地減少醫(yī)院的成本。醫(yī)院供配電系統(tǒng)是醫(yī)院工作的基礎(chǔ)平臺，包含各類非線性、時(shí)變性電器設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用，若不治理，不僅會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){患者的生命安全，因此對醫(yī)院供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理的深入分析研究勢在必行。

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

醫(yī)院的95%醫(yī)療設(shè)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。常見的醫(yī)療設(shè)備有CT機(jī)、核磁共振儀MRI、直線加速器、Ｘ線機(jī)、心血管造影機(jī)DSA和數(shù)字造影儀DSI等。

作為當(dāng)前醫(yī)學(xué)診斷的主要檢查設(shè)備，CT機(jī)臨床運(yùn)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(dá)1×104Ｈz的交流，通過倍壓整流產(chǎn)生大于30KV的穩(wěn)定高壓給球管兩端供電。整個(gè)工作過程既進(jìn)行整流又進(jìn)行逆變，會(huì)產(chǎn)生大量諧波，嚴(yán)重時(shí)總諧波畸變率可達(dá)30%。

醫(yī)學(xué)上的核磁共振儀（MRI）依據(jù)“核磁共振”原理，產(chǎn)生核磁共振所需交變磁場和無線電射頻脈沖都將帶來諧波污染，正常工作時(shí)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(yī)院腫瘤放射治療領(lǐng)域運(yùn)用較為廣泛。系統(tǒng)所需高頻電源、直流高壓電源的產(chǎn)生和脈沖調(diào)制器及脈沖電壓穩(wěn)定裝置都將造成諧波污染，電流總諧波畸變率可達(dá)40％~50％。

X光機(jī)為典型的瞬時(shí)性負(fù)荷，工作時(shí)電壓可達(dá)幾十甚至上百千伏，變壓器原邊將增加60~70kＷ的瞬時(shí)負(fù)荷。X光機(jī)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(jī)的瞬時(shí)工作特性，使得其諧波畸變率可達(dá)30％~50％。

為了存儲海量信息和方便辦公，現(xiàn)在大型醫(yī)院基本建立了醫(yī)院信息系統(tǒng)。系統(tǒng)本身功能強(qiáng)大，通常包括醫(yī)療信息系統(tǒng)、臨床信息系統(tǒng)、視頻視教和遠(yuǎn)程醫(yī)療等系統(tǒng)。信息系統(tǒng)一般由成千上萬臺計(jì)算機(jī)和不計(jì)其數(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備構(gòu)成，與醫(yī)院的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)一樣，運(yùn)行過程必將產(chǎn)生諧波電流。

以UPS典型負(fù)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(wěn)壓、穩(wěn)頻、純凈的50Ｈz交流電，向負(fù)載供電。當(dāng)市電異?；蚬╇娭袛鄷r(shí)，逆變器改由電池提供能量繼續(xù)工作，保證無間斷地給用電設(shè)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(dāng)市電停電或電壓過低時(shí)則由電池經(jīng)逆變器向負(fù)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)帶來諧波污染，是不可忽視的諧波源。對大功率UPS來說，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％。

醫(yī)院內(nèi)電梯、空調(diào)、變頻水泵、通風(fēng)、照明設(shè)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(dāng)多個(gè)熒光燈接成三相四線負(fù)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次諧波電流向零線疊加，造成中性線電流過大。大部分醫(yī)院均采用變頻空調(diào)及風(fēng)機(jī)，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(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源、諧波次數(shù)和畸變率情況如表１所示，可見醫(yī)院典型設(shè)備產(chǎn)生的諧波主要為３次、５次、７次。正是這些設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生諧波，使醫(yī)院的電能質(zhì)量受到影響，而受到影響的電能又反過來影響設(shè)備的正常使用。

正常的供電網(wǎng)絡(luò)所提供的電壓應(yīng)該是單一的固定頻率和規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對供電電網(wǎng)是一種污染，它對用電設(shè)備正常運(yùn)行造成危害。醫(yī)療設(shè)備對配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波的危害主要體現(xiàn)在如下方面：

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

表1醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源和諧波畸變率情況

諧波會(huì)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(chǎn)生諧振，增加變壓器發(fā)熱，甚至引起局部嚴(yán)重過熱，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。

諧波對電機(jī)的主要影響是引起附加損耗，此外還將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和諧波過電壓，降低其工作效率。三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的n次諧波電流大小可通過式（為n次諧波電壓；為基波頻率）計(jì)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(jì)。所以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)整個(gè)諧波損耗即銅耗。

在諧波的作用下電容器將過熱，導(dǎo)致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當(dāng)諧波次數(shù)較高時(shí)，電容器呈現(xiàn)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(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(jié)合也會(huì)構(gòu)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(shù)倍甚至數(shù)十倍，終會(huì)導(dǎo)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(hù)熔斷器熔絲熔斷。

諧波對通信系統(tǒng)干擾的大小由三個(gè)因素綜合決定：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(qiáng)度，通信線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(tǒng)，輕則產(chǎn)生噪聲干擾，降低通信質(zhì)量，重則導(dǎo)致信息丟失，使系統(tǒng)無法正常工作。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中性點(diǎn)流入大地，將嚴(yán)重干擾附近通信系統(tǒng)。通常音頻通道的頻率為200~3500Hz，而很多諧波也在這個(gè)范圍，易對臨近的電話線路產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發(fā)電話響鈴，重則危及設(shè)備和操作人員安全。

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(dǎo)致感應(yīng)型繼電器運(yùn)動(dòng)過程來回?cái)[動(dòng)，機(jī)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(qū)分零序電流和次諧波電流，導(dǎo)致誤跳閘。由于大多數(shù)電氣測量儀表，如電流表、電壓表、功率表都是按工頻正弦波來設(shè)計(jì)，對非正弦信號呈現(xiàn)出不同響應(yīng)特性，當(dāng)有諧波時(shí)會(huì)產(chǎn)生測量誤差。

醫(yī)療設(shè)備的進(jìn)步，體現(xiàn)著現(xiàn)代醫(yī)院診療水平，醫(yī)院的電磁環(huán)境因此發(fā)生了較大變化?，F(xiàn)代化醫(yī)院通過不斷引入新型、復(fù)雜的電子醫(yī)療系統(tǒng)來提高醫(yī)療服務(wù)水平。諧波干擾問題必將成為醫(yī)院現(xiàn)代化進(jìn)程中須重視的問題。醫(yī)院建設(shè)、管理，電氣工程設(shè)計(jì)是以后發(fā)展過程中須考慮的問題。

其原因有二：一是因?yàn)楫?dāng)前電子技術(shù)正朝著高頻、高速、高靈敏度、高可靠性、多功能、小型化方向發(fā)展，導(dǎo)致了現(xiàn)代電子設(shè)備產(chǎn)生和接受電磁干擾的幾率大大增加；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(wǎng)的諧波干擾和反串也日益嚴(yán)重。諧波不僅降低電網(wǎng)的供電品質(zhì)，還會(huì)嚴(yán)重危及醫(yī)療設(shè)備供配電系統(tǒng)的電力器件的運(yùn)行，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作，擊穿電容補(bǔ)償柜，對小型儀表類醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生電源干擾。所以電力諧波是個(gè)不容忽視的問題，應(yīng)以重視。

1）對電能質(zhì)量要求高；

2）負(fù)載中含有多種諧波源，配電諧波含量較高；

3）治理方案：根據(jù)負(fù)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(shí)現(xiàn)。

隨著各種先進(jìn)醫(yī)療設(shè)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****計(jì)算機(jī)斷層掃描機(jī)、全自動(dòng)生化儀、采用電磁波技術(shù)的碎石機(jī)、胃腸斷層掃描機(jī)、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(xiàn)代醫(yī)院的應(yīng)用，生物醫(yī)學(xué)工程在現(xiàn)代化醫(yī)院中所起的作用越來越重要。這些儀器在保證醫(yī)療質(zhì)量的同時(shí)，也因?yàn)閮x器的高負(fù)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(yán)重危害，特別是諧波造成的電壓波動(dòng)會(huì)影響醫(yī)療設(shè)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(yī)院是對電能質(zhì)量要求很高的場合，意外斷電和電網(wǎng)干擾對醫(yī)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?yàn)閲庖呀?jīng)很早就重視了電能質(zhì)量問題而進(jìn)行了嚴(yán)格限制，很多儀器不能保證在諧波環(huán)境下正常檢測，甚至?xí)绊懫涫褂脡勖?/span>

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為醫(yī)療行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價(jià)值。

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-MED醫(yī)療建筑綜合能效管理平臺，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)；

全控技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量；

電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，測量精度高、測得準(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置整體設(shè)計(jì)，通過上位平臺實(shí)現(xiàn)統(tǒng)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)過關(guān)、質(zhì)量過硬，具備網(wǎng)絡(luò)化、可調(diào)控、快速響應(yīng)的性能；

電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運(yùn)維、電能分析與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享融通，為企業(yè)電能供給與消費(fèi)提供控制手段。

全方面監(jiān)測電能質(zhì)量，保障供電可靠性

對供電回路的電氣參數(shù)進(jìn)行全方面監(jiān)測，確保設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)信息，支持開展故障追蹤與問題定位。

完整電能質(zhì)量治理

通過集中+就地整體電能質(zhì)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(gè)醫(yī)療供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，減少對其它供電及醫(yī)療設(shè)備造成危害。

數(shù)據(jù)應(yīng)用及增值服務(wù)

系統(tǒng)提供多維度的用電指標(biāo)統(tǒng)計(jì)與電能數(shù)據(jù)分析工具，為配電系統(tǒng)運(yùn)行管理優(yōu)化和節(jié)能降耗提供指導(dǎo)。

針對醫(yī)療行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的電梯、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、大型水泵等電器設(shè)備及數(shù)量較多的計(jì)算機(jī)和音頻等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，為減少諧波對電網(wǎng)側(cè)的危害和影響，同時(shí)確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)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(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見表2。

表2電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表

核磁共振器MRI、CT機(jī)、X光機(jī)及UPS作為醫(yī)療行業(yè)中重要的末端設(shè)備，運(yùn)行過程中不可避免的對整個(gè)醫(yī)療供配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波污染，電流畸變率一般會(huì)達(dá)到40%~50%。同時(shí)醫(yī)院照明普遍采用LED熒光燈、金鹵燈、調(diào)光器等，此類照明裝置主要負(fù)荷類型為開關(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線進(jìn)行疊加，導(dǎo)致N線電流過大。針對以上負(fù)載情況，建議在各重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行就地治理，達(dá)到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(gè)配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備。

就地治理的產(chǎn)品選型見表3

以上海某中心人民醫(yī)院諧波治理和無功補(bǔ)償項(xiàng)目為例，考慮到醫(yī)院復(fù)雜的各種先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備如核磁共振、 CT機(jī)、 血透機(jī)等，同時(shí)各種LED節(jié)能照明設(shè)備、變頻空調(diào)、電梯設(shè)備等大量投入使用，使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，對醫(yī)院中1-4號變壓器進(jìn)線柜和4號變壓器無功柜進(jìn)行測量，并根據(jù)具體測量數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的治理方案。

以1號變壓器為例，變壓器負(fù)載側(cè)和進(jìn)線側(cè)測量數(shù)據(jù)分別如下：

負(fù)載側(cè)

進(jìn)線側(cè)

由上述兩組數(shù)據(jù)可看出，一號變壓器無功補(bǔ)償前功率因數(shù)0.95，現(xiàn)場只投入兩組，補(bǔ)償后功率達(dá)到0.97，諧波的主要次數(shù)為3次，5次和7次，對于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(gè)供配電系統(tǒng)、變壓器、無功柜和其它用電設(shè)備的影響；通過數(shù)據(jù)得到由于3次諧波在N線線性疊加，N線電流約140A，對其進(jìn)行末端就地治理，防止諧波對N線造成損害，保護(hù)線路，同時(shí)阻止火災(zāi)的發(fā)生。

由于系統(tǒng)中無功柜均為純?nèi)菪裕^易與諧波電流產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，放大諧波電流，使無功柜受到損害，在諧波較大的場合建議改造，具體方案如下：

方案一：集中治理：建議配電房無功柜改造，并串接14%電抗，結(jié)合AnSin-G Ⅰ型有源諧波治理系統(tǒng)裝置進(jìn)行集中諧波治理；無功柜未投入時(shí)功率因數(shù)較好，若不改造，在不影響功率因數(shù)的基礎(chǔ)上可先暫停，直接裝設(shè)有源諧波治理系統(tǒng)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(fù)載末端加裝ANSNP中線安防保護(hù)器，治理3N次諧波和三相不平衡導(dǎo)致N線電流過大問題，達(dá)到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(gè)配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備。

現(xiàn)代醫(yī)療行業(yè)中的設(shè)備普遍采用電力電子變流和控制器件，使醫(yī)院非線性醫(yī)療設(shè)備負(fù)荷的種類和數(shù)量迅速增加，諧波污染日趨嚴(yán)重，給配電系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備帶來巨大危害。但醫(yī)院供配電系統(tǒng)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(shè)備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)巨大。通過對醫(yī)院供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行研究，結(jié)合系統(tǒng)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(jì)運(yùn)行，保障設(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義。