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深圳机械院建筑设计有限公司 广东深圳 518027
摘要：配电网系统中的谐波分量，会降低供电电能质量水平和供电可靠性，会大大影响医院医疗过程中所使用的各种精密灵敏设备。本文对医院建筑用电设备产生谐波源、谐波的危害进行了分析，并提出谐波的治理方案。
关键词：医院；谐波；滤波器
前言
在大型综合医院中，随着现代医学技术的快速发展，越来越多的医疗设备用于医疗卫生领域，这为医学研究和临床诊断工作做出了重大贡献的同时，也对我们的供电质量提出了更高的要求，一些医疗设备对不合格电能的容许度严格到了几十甚至十几毫秒。随着CT机、X光机等晶闸管控制设备和电子控制装置的广泛应用，由于这些负载都属于典型的非线性负载，在运行过程中会产生大量的谐波电流，加剧了电压和电流波形的畸变，特别是3、5、7、9次奇次谐波注入到电网中，谐波电压或电流的叠加，易导致电子开关的误动作、线损增加和绝缘老化，还可以形成谐波的震荡，危害整个电力系统的安全运行，大大降低了电网供电的可靠性。由于医院建筑又对供电质量的可靠性要求非常高，因此，熟知谐波的产生及治理，对医院建筑来说，具有人命关天的作用。
1.医院建筑配电系统谐波的分析
在电力系统中，谐波产生的根本原因是非线性负载所致。当非线性负载投入运行时，其电压、电流波形发生了畸变，不是标准的正弦波形，而是不同程度畸变的非正弦波。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波被消除，只有奇次谐波。医院建筑中，产生奇次谐波源的主要用电设备如下：
（1）泵及通风等电机设备：为了节约能源，大部分医院均采用变频水泵、中央空调机组及风机，变频器是非常重要的谐波源，其总谐波电流畸变率达33%以上，会产生大量的5、7次等谐波污染电网，用于电机调速的单台变频装置，一般都是6脉冲装置，其谐波电流含有率如下表：
（2）照明设备：现在医院内部使用的灯具，绝大多数都使用的是各种荧光灯等气体放电灯。电子整流器的整流电路与高频逆变电路产生大量的谐波电流；气体放电灯电弧放电时因具有负阻抗特性也产生大量的谐波电流。常见气体放电灯谐波电流含量下表2：
（3）电子医疗设备：电子医疗精密仪器是医生病情诊断分析的重要辅助设备，大大提高了病情的诊断效率和准确率，在医院建筑中得以大量的使用。医院内的放射科等大型电子医疗设备一般为开关电源直接供电，这些开关电源设备在使用过程中会产生3、5、7次等谐波注入电网。
（4）计算机及UPS：目前医院均采用信息化就诊、电子病历、电子院嘱及智能化办公系统。计算机的数量比较多，且服务器等数据的存储系统必须配置UPS等备用电源。台式计算机的开关电源及UPS均为谐波源，会产生大量的3、5、7次等谐波。
2.谐波的危害
谐波的危害主要有以下几方面：
（1）在三相四线制线路中存在谐波电流时，计算中性导体的电流应计入谐波电流的效应。当中性导体电流大于相导体导体电流时，电缆相导体按中性导体电流选择。当三相平衡系统中存在谐波电流，4芯或5芯电缆中中性导体与相导体材料相同和截面相等时，电缆载流量的降低系数按如下表中的规定确定。因此，谐波电流的存在，在设计选择电缆时，整个配电系统的电缆的截面需要增加，从而耗费了更多的有色金属，增加了投资。
（2）对旋转电动机影响：旋转电动机中的正序和负序谐波电流分别形成正向和反向的旋转磁场，使旋转电动振动力矩和转速的周期性的变化，从而是机效率降低，发热增加。加速绝缘老化，缩短使用寿命。
（3）对供电变压器的影响：由于过大的谐波电流而产生附加损耗，从而引起过热，使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏。
（4）对并联补偿电容器的影响：电容器容易吸收谐波电流而引起过载发热，加速电容器的损坏；容易构成谐波谐振，使电容器发热导致绝缘击穿的故障。
（5）对配电系统中断路器的影响：高次谐波含量较高的电流能使断路器的开断能力降低，存在严重的谐波电流时，某些断路器的磁吹线圈不能正常工作。
（6）对通信干扰的影响：谐波通过电容耦合、电磁感应和传导感应到通信线路上，可能损坏通话的清晰度，触发电话铃声，导致医院在紧急情况下抢救信息的不畅通。
（7）对继电保护和自动控制装置的影响：谐波的存在，继电器的时间特性会改变，电流继电器不能区分零序电流和三次谐波，从而导致误动作。同时，电网的各类保护及自动装置也会误动作或拒动，这在微机保护和综保装置中表现突出，可能引发区域性的电网崩溃。
（8）对医疗设备及诊断结果的影响：由于高次谐波的存在，操作人员在工作中经常遇到这些先进的医疗仪器和设备出现故障，轻则出现数据差错、图像模糊、信息丢失，工作受到干扰。重则硬件突然损坏，软件遭到冲击，仪器设备无法继续正常工作。特别是检测人体生物电信号的仪器设备，如心电图机、脑电图机、心电监护仪、超声诊断仪等直接接触人体的仪器设备，由于信号非常的微弱，如果受到干扰，就会在检测结果如波形、图形、图像上叠加一种类似于某些病变的畸变（谐波）造成误诊，同时还会引起微电击，严重时还有生命危险。
3.谐波电压电流的限制
依据《电能质量 公用电网谐波》（GB/T1459-93），谐波电压、电流的限制值，见表4、表5。
4.项目概况及供电方案
本项目为三甲综合医院扩建的综合楼，建筑面积约10.9万平方米，内设有门急诊、放射科、检验科、手术室、ICU及住院病房等功能科室。其中手术室有24间、CT机房3台、各种X光机8台、B超15机台。根据本项目用电负荷和类别，医院的中央空调机组、放射科分别设专用变压器供电，其余照明、医疗设备等设一组变压器供电。对单台的CT机、X光机从配电室放射式供电。
5.谐波的治理
谐波治理最常用方法是设计滤波器，滤波器分为：无源滤波、有源滤波器和有源无源组合式滤波器几种。有源滤波器的性能好，但价格较高；无源滤波器尽管治理效果不如有源滤波器，但是价格优势明显；无源+有源组合装置是二者的有机结合，在治理效果、工作效率等方面都非常明显有优势。根据滤波器的安装位置又可分集中式安装治理和在单台设备旁就地治理。
综上考虑，结合本医院的供配电方案，采用以下几种治理方案：（1）照明、普通的医疗设备由于谐波含量较少，在配电系统的变压器二次侧进行无源滤波器集中治理，如图1所示。（2）中央空调、热水由于大量采用变频控制装置，在专用变压器二次侧采用无源+有源组合进行集中治理，如图2所示。（3）放射科的各种CT机、X 光机基本上均属于非线性负载，在专用变压器二次侧采用无源滤波器，再在CT机、X光机的机房电源配电箱处再设有源滤波器进行就地治理，如图3所示。
6.结束语
通过以上方案的治理，滤除了电网谐波，将谐波电流滤除到国标的限值内，从而改善了电能品质，保证医疗工作的正常运行。提高功率因数，防止电网的串并联谐振，进而减少了医疗设备的故障，延长设备的使用寿命，提高医疗工作效率。由于滤除了谐波电流和补偿了无功电流，使变压器和线路的电流减少，从而使整个配电系统的损耗降低，节约电能。
参考文献：
[1]GB/T1459―93电能质量公用电网谐波[S]
[2]GB50054―2011低压配电设计规范[S]
[3]中国航空工业规划设计研究院主编.工业与民用配电设计手册（第三版）[M].北京：中国电力出版社，2005
[4]陈杰甫，杨泓，马晏雯，陈众励等.医院供配电系统谐波状况普查与K系数研究[J].电气工程应用，2007（04）
摘要：配电网系统中的谐波分量，会降低供电电能质量水平和供电可靠性，会大大影响医院医疗过程中所使用的各种精密灵敏设备。本文对医院建筑用电设备产生谐波源、谐波的危害进行了分析，并提出谐波的治理方案。
关键词：医院；谐波；滤波器
前言
在大型综合医院中，随着现代医学技术的快速发展，越来越多的医疗设备用于医疗卫生领域，这为医学研究和临床诊断工作做出了重大贡献的同时，也对我们的供电质量提出了更高的要求，一些医疗设备对不合格电能的容许度严格到了几十甚至十几毫秒。随着CT机、X光机等晶闸管控制设备和电子控制装置的广泛应用，由于这些负载都属于典型的非线性负载，在运行过程中会产生大量的谐波电流，加剧了电压和电流波形的畸变，特别是3、5、7、9次奇次谐波注入到电网中，谐波电压或电流的叠加，易导致电子开关的误动作、线损增加和绝缘老化，还可以形成谐波的震荡，危害整个电力系统的安全运行，大大降低了电网供电的可靠性。由于医院建筑又对供电质量的可靠性要求非常高，因此，熟知谐波的产生及治理，对医院建筑来说，具有人命关天的作用。
1.医院建筑配电系统谐波的分析
在电力系统中，谐波产生的根本原因是非线性负载所致。当非线性负载投入运行时，其电压、电流波形发生了畸变，不是标准的正弦波形，而是不同程度畸变的非正弦波。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波被消除，只有奇次谐波。医院建筑中，产生奇次谐波源的主要用电设备如下：
（1）泵及通风等电机设备：为了节约能源，大部分医院均采用变频水泵、中央空调机组及风机，变频器是非常重要的谐波源，其总谐波电流畸变率达33%以上，会产生大量的5、7次等谐波污染电网，用于电机调速的单台变频装置，一般都是6脉冲装置，其谐波电流含有率如下表：
（2）照明设备：现在医院内部使用的灯具，绝大多数都使用的是各种荧光灯等气体放电灯。电子整流器的整流电路与高频逆变电路产生大量的谐波电流；气体放电灯电弧放电时因具有负阻抗特性也产生大量的谐波电流。常见气体放电灯谐波电流含量下表2：
（3）电子医疗设备：电子医疗精密仪器是医生病情诊断分析的重要辅助设备，大大提高了病情的诊断效率和准确率，在医院建筑中得以大量的使用。医院内的放射科等大型电子医疗设备一般为开关电源直接供电，这些开关电源设备在使用过程中会产生3、5、7次等谐波注入电网。
（4）计算机及UPS：目前医院均采用信息化就诊、电子病历、电子院嘱及智能化办公系统。计算机的数量比较多，且服务器等数据的存储系统必须配置UPS等备用电源。台式计算机的开关电源及UPS均为谐波源，会产生大量的3、5、7次等谐波。
2.谐波的危害
谐波的危害主要有以下几方面：
（1）在三相四线制线路中存在谐波电流时，计算中性导体的电流应计入谐波电流的效应。当中性导体电流大于相导体导体电流时，电缆相导体按中性导体电流选择。当三相平衡系统中存在谐波电流，4芯或5芯电缆中中性导体与相导体材料相同和截面相等时，电缆载流量的降低系数按如下表中的规定确定。因此，谐波电流的存在，在设计选择电缆时，整个配电系统的电缆的截面需要增加，从而耗费了更多的有色金属，增加了投资。
（2）对旋转电动机影响：旋转电动机中的正序和负序谐波电流分别形成正向和反向的旋转磁场，使旋转电动振动力矩和转速的周期性的变化，从而是机效率降低，发热增加。加速绝缘老化，缩短使用寿命。
（3）对供电变压器的影响：由于过大的谐波电流而产生附加损耗，从而引起过热，使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏。
（4）对并联补偿电容器的影响：电容器容易吸收谐波电流而引起过载发热，加速电容器的损坏；容易构成谐波谐振，使电容器发热导致绝缘击穿的故障。
（5）对配电系统中断路器的影响：高次谐波含量较高的电流能使断路器的开断能力降低，存在严重的谐波电流时，某些断路器的磁吹线圈不能正常工作。
（6）对通信干扰的影响：谐波通过电容耦合、电磁感应和传导感应到通信线路上，可能损坏通话的清晰度，触发电话铃声，导致医院在紧急情况下抢救信息的不畅通。
（7）对继电保护和自动控制装置的影响：谐波的存在，继电器的时间特性会改变，电流继电器不能区分零序电流和三次谐波，从而导致误动作。同时，电网的各类保护及自动装置也会误动作或拒动，这在微机保护和综保装置中表现突出，可能引发区域性的电网崩溃。
（8）对医疗设备及诊断结果的影响：由于高次谐波的存在，操作人员在工作中经常遇到这些先进的医疗仪器和设备出现故障，轻则出现数据差错、图像模糊、信息丢失，工作受到干扰。重则硬件突然损坏，软件遭到冲击，仪器设备无法继续正常工作。特别是检测人体生物电信号的仪器设备，如心电图机、脑电图机、心电监护仪、超声诊断仪等直接接触人体的仪器设备，由于信号非常的微弱，如果受到干扰，就会在检测结果如波形、图形、图像上叠加一种类似于某些病变的畸变（谐波）造成误诊，同时还会引起微电击，严重时还有生命危险。
3.谐波电压电流的限制
依据《电能质量 公用电网谐波》（GB/T1459-93），谐波电压、电流的限制值，见表4、表5。
4.项目概况及供电方案
本项目为三甲综合医院扩建的综合楼，建筑面积约10.9万平方米，内设有门急诊、放射科、检验科、手术室、ICU及住院病房等功能科室。其中手术室有24间、CT机房3台、各种X光机8台、B超15机台。根据本项目用电负荷和类别，医院的中央空调机组、放射科分别设专用变压器供电，其余照明、医疗设备等设一组变压器供电。对单台的CT机、X光机从配电室放射式供电。
5.谐波的治理
谐波治理最常用方法是设计滤波器，滤波器分为：无源滤波、有源滤波器和有源无源组合式滤波器几种。有源滤波器的性能好，但价格较高；无源滤波器尽管治理效果不如有源滤波器，但是价格优势明显；无源+有源组合装置是二者的有机结合，在治理效果、工作效率等方面都非常明显有优势。根据滤波器的安装位置又可分集中式安装治理和在单台设备旁就地治理。
综上考虑，结合本医院的供配电方案，采用以下几种治理方案：（1）照明、普通的医疗设备由于谐波含量较少，在配电系统的变压器二次侧进行无源滤波器集中治理，如图1所示。（2）中央空调、热水由于大量采用变频控制装置，在专用变压器二次侧采用无源+有源组合进行集中治理，如图2所示。（3）放射科的各种CT机、X 光机基本上均属于非线性负载，在专用变压器二次侧采用无源滤波器，再在CT机、X光机的机房电源配电箱处再设有源滤波器进行就地治理，如图3所示。
6.结束语
通过以上方案的治理，滤除了电网谐波，将谐波电流滤除到国标的限值内，从而改善了电能品质，保证医疗工作的正常运行。提高功率因数，防止电网的串并联谐振，进而减少了医疗设备的故障，延长设备的使用寿命，提高医疗工作效率。由于滤除了谐波电流和补偿了无功电流，使变压器和线路的电流减少，从而使整个配电系统的损耗降低，节约电能。
参考文献：
[1]GB/T1459―93电能质量公用电网谐波[S]
[2]GB50054―2011低压配电设计规范[S]
[3]中国航空工业规划设计研究院主编.工业与民用配电设计手册（第三版）[M].北京：中国电力出版社，2005
[4]陈杰甫，杨泓，马晏雯，陈众励等.医院供配电系统谐波状况普查与K系数研究[J].电气工程应用，2007（04）