淺談醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波分析及治理方案
江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司 江蘇江陰 214432
摘要：經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，非線性設(shè)備被廣泛用于大部分建筑中，非線性設(shè)備憑借其的優(yōu)勢，為人們的生活生產(chǎn)帶來了很多便利。將非線性用電設(shè)備接入醫(yī)院配電系統(tǒng)，會產(chǎn)生一定的諧波電流，從而對醫(yī)院的配電系統(tǒng)造成一定的影響。通過分析諧波的產(chǎn)生和危害，以及醫(yī)院配電系統(tǒng)的特點和諧波設(shè)備的主要分布，能夠更加深刻地認(rèn)識和了解醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波設(shè)備的治理方案和效果。
關(guān)鍵詞：醫(yī)院配電系統(tǒng)；諧波設(shè)備效果；治理方案
0引言
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步帶動了醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多先進(jìn)的醫(yī)學(xué)技術(shù)和醫(yī)療設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，大大提高了醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展水平。在醫(yī)學(xué)技術(shù)進(jìn)步的同時，非線性設(shè)備在醫(yī)院配電系統(tǒng)中得到了一定的運(yùn)用，在運(yùn)用的過程中，容易產(chǎn)生一些諧波電流危害配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。諧波電流的積累，容易增加配電系統(tǒng)中線路的損耗，加劇線路的老化，從而威脅整個配電系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行，降低了醫(yī)院配電系統(tǒng)的可靠性。因此，對醫(yī)院配電系統(tǒng)的諧波設(shè)備進(jìn)行有效治理，凈化配電系統(tǒng)，保證其安全性。
1醫(yī)院配電系統(tǒng)常見問題分析
（一）產(chǎn)生諧波
諧波是電流中含有的基波頻率整數(shù)倍的電量，配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的根本原因是非線性負(fù)載導(dǎo)致的。在非線性設(shè)備的使用過程中，由于非線性負(fù)載，會導(dǎo)致電壓、電流正弦波出現(xiàn)畸變。在平衡的三相系統(tǒng)中，偶次諧波被消除，只剩下奇次諧波。
（二）諧波危害
1.加速絕緣老化，縮短設(shè)備使用壽命
諧波電壓會增加電容器和變壓器的渦流損耗，增加絕緣材料的電應(yīng)力。諧波電流會導(dǎo)致變壓器的銅損加劇，從而增加噪音，局部產(chǎn)生過熱的情況，加速絕緣老化，造成設(shè)備損壞，縮短變壓器、電動力等設(shè)備的使用壽命。
2.增加線路損耗，加大設(shè)備成本支出
諧波借助外界的治理才能夠減少和消除。諧波電壓和電流在配電系統(tǒng)中的積累，會增加線路的損耗，降低變壓器的帶載能力，從而增加設(shè)備成本支出和電費支出[1]。
3.干擾通訊系統(tǒng)，降低通訊工作質(zhì)量
由于配電系統(tǒng)空間的限制，輸電線路和通訊線路的距離一般不遠(yuǎn)，諧波的產(chǎn)生通過傳導(dǎo)耦合和電磁感應(yīng)，會引入噪音對通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，從而降低通訊的質(zhì)量，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致通訊信息丟失。
4.開關(guān)動作失誤，造成嚴(yán)重電力事故
諧波的產(chǎn)生，會改變地電流繼電器的時間延長特點，無法區(qū)分零序電流和三次諧波，導(dǎo)致開關(guān)誤動作，出現(xiàn)跳閘的情況。此外，配電系統(tǒng)的保護(hù)裝置和自動裝置會產(chǎn)生誤動，造成區(qū)域電網(wǎng)的瓦解，出現(xiàn)大面積停電的情況。
2醫(yī)院配電系統(tǒng)的特點和諧波設(shè)備的主要分布
醫(yī)院配電系統(tǒng)的特點
醫(yī)院是救死扶傷的重要場地，需要運(yùn)用大量的醫(yī)療設(shè)備，醫(yī)療用電保持持續(xù)，因此，醫(yī)院的配電系統(tǒng)具備高的可靠性、安全性以及穩(wěn)定性。病人使用的呼吸機(jī)、心電圖機(jī)以及輸液泵等醫(yī)療設(shè)備，一旦出現(xiàn)斷電的情況，會造成無法估量的后果。醫(yī)院的配電系統(tǒng)主要是10/0.4Kv的主變壓器，通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備、電子醫(yī)療設(shè)備以及計算機(jī)和UPS是主要的負(fù)載，而且大部分都是單相的非線性負(fù)載。
（二）醫(yī)院諧波設(shè)備的主要分布
1.通風(fēng)設(shè)備
大部分醫(yī)院使用的通風(fēng)設(shè)備都以變頻風(fēng)機(jī)和空調(diào)為主，能夠有效地節(jié)約資源。然而，變頻器是產(chǎn)生諧波的重要來源之一，變頻器導(dǎo)致電流發(fā)生畸變的概率高達(dá)百分之三十三及以上，產(chǎn)生大量的五次、七次諧波，對電網(wǎng)造成破壞。
2.照明設(shè)備
在醫(yī)院的照明系統(tǒng)中，使用了大量的熒光照明設(shè)備，熒光燈具回產(chǎn)生較多的諧波電流，在好幾個熒光燈組成三相四線負(fù)載的情況下，中線上就會出現(xiàn)大量的三次諧波電流。
3.電子醫(yī)療設(shè)備
醫(yī)院大部分電子醫(yī)療設(shè)備都是通過開關(guān)電源實現(xiàn)供電，開關(guān)電源設(shè)備會產(chǎn)生一定的三次、五次、七次諧波，流入電網(wǎng)。
4.計算機(jī)及UPS
目前大部分醫(yī)院都是通過計算機(jī)實現(xiàn)運(yùn)營和管理工作，計算機(jī)數(shù)量眾多，計算機(jī)服務(wù)器配有UPS等備用電源，加之個人電腦的開關(guān)電源，都是產(chǎn)生諧波的電源。
3醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波設(shè)備的治理方案及效果
（一）醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波設(shè)備的治理方案
設(shè)計濾波器是常用的治理諧波設(shè)備的方法，主要包括有緣濾波器、無緣濾波器以及有緣濾波器和無緣濾波器的組合式濾波器。有緣濾波器的治理效果好，價格也高；無緣濾波器的治理效果欠佳，但經(jīng)濟(jì)實惠；組合式濾波器的治理效果和效率都比較好。依據(jù)濾波器的安裝位置不同，包括集中式安裝治理和單臺設(shè)備就地治理兩種形式。在具體的治理過程中，要結(jié)合實際情況設(shè)計科學(xué)合理的治理方案。針對照明等諧波含量較少的普通醫(yī)療設(shè)備，可以采用無源濾波器集中治理的方式，既保證了治理的有效性，又提高了治理效率，降低了治理成本；針對利用變頻裝置的空調(diào)、熱水器等，可以利用無緣濾波器和有緣濾波器相結(jié)合的組合式濾波器進(jìn)行集中治理。此外，安裝有源濾波器是治理醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波設(shè)備主要的方案。有源濾波器在醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波設(shè)備的治理工作中的效果為顯著，有源濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對諧波的動態(tài)抑制和無功補(bǔ)償。
（二）醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波設(shè)備的治理效果
1.提升配電系統(tǒng)品質(zhì)
安裝有源濾波器，能夠?qū)ω?fù)載電流中的諧波量進(jìn)行實時檢測，實現(xiàn)對諧波的濾除和功率因素的提高等。對變化的諧波進(jìn)行自動跟蹤和補(bǔ)償，可控性和響應(yīng)性高，降低了與配電系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險的概率，從而吸收線路中一定程度的諧波，實現(xiàn)對配電系統(tǒng)品質(zhì)的優(yōu)化和提升。
2.保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行
安裝有緣濾波器，能夠降低諧波的指標(biāo)和損耗，有效減少諧波對設(shè)備造成的破壞，緩解了絕緣老化的程度，延長了設(shè)備的使用壽命。同時諧波的減少還降低了對設(shè)備通訊的干擾，提高了設(shè)備電能的質(zhì)量，提升了設(shè)備運(yùn)行的效率和電力能源的使用率，增強(qiáng)了配電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性，保障了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
3.降低配電系統(tǒng)能耗
安裝有緣濾波器，能夠讓醫(yī)院配電系統(tǒng)的諧波設(shè)備產(chǎn)生的諧波達(dá)到或者低于國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，在提高諧波的消除率的同時降低了醫(yī)院配電系統(tǒng)對能源的消耗。此外，醫(yī)院配電系統(tǒng)的諧波流入有源濾波器，不會對變壓器和配電系統(tǒng)的其他用電設(shè)備造成威脅，從而在降低醫(yī)院配電系統(tǒng)能源消耗的同時，對配電系統(tǒng)中的用電設(shè)備起到了有效的保護(hù)作用，進(jìn)一步確保了醫(yī)療工作的正常開展和運(yùn)行，提升了醫(yī)療工作的效率和質(zhì)量。
4安科瑞醫(yī)院EMS能效管理系統(tǒng)
4.1平臺拓?fù)鋱D
4.2醫(yī)院電力監(jiān)控解決方案
電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對變壓器、柴油發(fā)電機(jī)、斷路器以及其它重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、測量、記錄、報警等功能，并與保護(hù)設(shè)備和遠(yuǎn)方控制及其他設(shè)備通信，實時掌握供電系統(tǒng)運(yùn)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(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)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(shù)和用能情況。同時對醫(yī)院重要設(shè)備如柴油發(fā)電機(jī)、無功補(bǔ)償裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。
電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置
應(yīng)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(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)字通信、遠(yuǎn)程操作與程序拉制、權(quán)限管理、車件記錄與告營、故障分析、各類報表 |
通訊層 | 智能網(wǎng)關(guān) | Anet系列 |
| 8個RS485串口2kV隔離，2個以太網(wǎng)接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協(xié)議設(shè)備的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協(xié)議、支持多不同數(shù)據(jù)服務(wù)要求，支持?jǐn)帱c續(xù)傳，裝置電源:220VAC/DC。 |
35KV、10KV | 微機(jī)保護(hù)裝置 | AM6-x |
| 相間電流速斷保護(hù)，相間電流速斷保護(hù)（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護(hù)（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護(hù)，反時限相間過流保護(hù)（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護(hù)，過負(fù)荷保護(hù)，控制回路異常告警。 |
35KV\10KV進(jìn)線側(cè) | 電能質(zhì)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(nèi)存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護(hù)網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 |
35KV/10KV測量 | 多功能網(wǎng)絡(luò)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(zhì) 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(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)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(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)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(yuǎn)方/就地、分合閘、儲能旋鈕預(yù)分預(yù)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(yīng)、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內(nèi)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(hù) | 弧光保護(hù)裝置 | ARB5-x |
| 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴(kuò)展單元，配置弧光保護(hù)（8組）、失靈保護(hù)（4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、11個跳閘出口； 擴(kuò)展單元，多可以插接6塊擴(kuò)展插件，每個擴(kuò)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(guān)柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜?；」馓筋^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(nèi)置電池式和感應(yīng)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(jìn)線 | 多功能網(wǎng)絡(luò)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(zhì) 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(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)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(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控 |
電能質(zhì)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(nèi)存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護(hù)網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，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(nèi)置電池式和感應(yīng)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(lián)在含諧波負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)討B(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實時的跟蹤和補(bǔ)償， |
0.4KV補(bǔ)償柜 | 有源無功補(bǔ)償系統(tǒng) | AnCos-xxx |
| 低壓無功功率補(bǔ)償裝置并聯(lián)在整個供電系統(tǒng)中，能根據(jù)電網(wǎng)中負(fù)載功率因數(shù)的變化通過控制器控制電力電容器投切進(jìn)行補(bǔ)償,無功功率補(bǔ)償裝置采用散件組成方案，主要以電容電抗、投切開關(guān)、控制器等組成。 補(bǔ)償方式:線性補(bǔ)償，全響應(yīng)時間<5ms，瞬時響應(yīng)時間≤100us;補(bǔ)償效果:≥0.99，可補(bǔ)償容性無功和感性無功，濾除5、7、9、11、13次以內(nèi)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(yuǎn)程通訊接口，可以通過PC機(jī)實時監(jiān)控;具有人性化的人機(jī)交互界面，可通過該界面看到系統(tǒng)和本體的實時電能質(zhì)量信息，操作簡單，可以遠(yuǎn)控，也可以本控;標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護(hù)性。 |
0.4KV饋線 | 多功能網(wǎng)絡(luò)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(zhì) 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(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)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(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控 |
電氣火災(zāi)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(guān)量輸入，事件記錄，內(nèi)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(yīng)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 |
4結(jié)束語
總而言之，醫(yī)院作為與民生息息相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行和醫(yī)療設(shè)備的正常運(yùn)作與人民群眾的生命財產(chǎn)安全有著直接的聯(lián)系。諧波的產(chǎn)生對醫(yī)院配電系統(tǒng)會造成一定的危害，必要對諧波設(shè)備進(jìn)行有效地治理。有緣濾波器是治理醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波設(shè)備的有效方案，利用有緣濾波器能夠減少諧波的產(chǎn)生，降低諧波的危害，有效地保護(hù)醫(yī)院用電設(shè)備，從而優(yōu)化醫(yī)院的配電系統(tǒng)，確保醫(yī)院配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)：
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[4]安科瑞用戶變電站變配電監(jiān)控解決方案2021.10
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