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【摘 要】 分析了谐波对供配电网络造成的危害及谐波对医用设备的危害，提出了抑制谐波的方案，以解决现代化医院中谐波的污染问题，保证配电网络和医用设备的正常运行。
【关键词】 医院；非线性负载；谐波
引言：
随着医疗行业的发展，一些大型医院装备了许多电子医疗设备，这些设备共同的特点是：设备运行会产生大量的高次谐波；对电源质量要求很高。医疗设备所在配电系统中，如果存在大量的谐波，会使电压、电流波形发生畸变，影响系统供电质量。同时还对其它供电及用电设备造成危害：缩短设备使用寿命，干扰重要医疗设备的正常工作。医院配电系统的谐波治理已成为医院和设计部门必须考虑的问题。
1、谐波分析
医院配电系统一般是10/0.4kV主变压器，主要负载为电子医疗精密设备、照明及变频电梯、变频水泵、变频通风设备、计算机及UPS、EPS等。其中大部分为单相非线性负荷，低压配电网上谐波严重，主要谐波源可分为下面几种：
1.1电子医疗精密设备：大型电子医疗设备，如：X光机、CT机、核磁共振机、加速器等，一般为开关电源供电，开关电源设备会产生3、5、7次等谐波注入电网。
1.2照明设备：由于医院内部使用大量的荧光灯具，因此会引起严重的谐波电流，其中3次谐波为最高，当多个荧光灯接成三相四线负载时，中线上就会流过很大的三次谐波电流。
1.3变频设备：为了节约能源，大部分医院均采用变频电梯、水泵、风机及空调。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5、7次等的谐波污染电网。
1.4计算机及UPS、EPS：目前医院均为计算机网络管理，计算机的数量很大，此外服务器等数据存储系统必须配有UPS等备用电源。个人电脑的开关电源及UPS均为谐波源，会产生大量的3、5、7次等谐波。
总之，医院的低压配电系统有大量的谐波源负荷，会产生大量的3、5、7次等谐波，严重污染电网。大量的单相非线性负荷会造成三相不平衡、谐波超标、中性线谐波过载等电能质量问题，必须要治理谐波。
2、谐波对供配电系统的危害
当系统中有很多非线性负载时，由于整流、逆变、换路，在电网中会产生很多高次谐波，这些谐波在电网中传播，会对电力系统或并联的负载产生种种危害，会使所有接于电网中的设备的损耗增加，温升增加。
1）谐波会使电动机负载加重，集肤效应使电动机和变压器铜损、铁损增加而过热，使用寿命缩短。
2）谐波对用以补偿无功功率的并联电容器发生谐振，对原有的谐波产生放大，甚至使电容器爆炸。
3）谐波会使断路器遮断能力降低，空气电磁断路器不能遮断其分断能力范围内波形畸变率超过50%的故障电流，而且还会导致断路器损坏。
4）对于电力电缆和配电线路，谐波电流频率增高会引起明显的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，绝缘过早老化，容易发生接地短路故障，形成潜在的火灾隐患。
5）谐波对通讯设备、自动和远动装置、继电保护、测量设备和仪表等有各种危害，造成继电保护机构由于谐波而产生误动或拒动故障。对邻近的通信系统产生干扰，产生噪声，降低通信质量；甚至导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
3、谐波对医用设备的危害
谐波在供配电网络中传输时，会产生大量的電磁辐射，这些电磁辐射对灵敏的医用设备有很大的干扰。如：心电图机、脑电图机、监护仪、超声诊断仪、针灸电疗仪或银针直接接触人体的仪器设备等，特别是检测人体生物电信号的仪器设备，由于信号非常的微弱，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。如果是带有计算机系统的医学仪器设备，当共模干扰中的尖峰干扰幅度达到2V～50V，时间持续数微秒时，可引起计算机逻辑错误、信息丢失等。强磁场会使显像管、X线影像增强管显示图像变形失真，加速器射线偏移，计算机磁盘、磁卡记录数据破坏，呼吸机工作失灵，心脏起搏器工作失效等。
4、治理措施
GB50052-2009《供配电系统设计规范》第5.0.13条明确规定：控制各类非线性用电设备所产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变率，宜采取下列措施：
1.各类大功率非线性用电设备变压器，由短路容量较大的电网供电。
2.对大功率静止整流器，采用增加整流变压器二次侧的相数和整流器的整流脉冲数，或采用多台相数相同的整流装置，并使整流变压器的二次侧有适当的相角差，或按谐波次数装设分流滤波器。
3.选用D，yn11接线组别的三相配电变压器。
选用D，yn11接线的变压器，可以有效地减小谐波的影响。但变压器安装在变电所内，只对其高压侧谐波的传输起到了抑制作用，使其较少地反馈到高压侧，对大量地存在于变压器二次侧低压系统中的非线性设备谐波源通过线路的相互传输干扰和耦合干扰却无能为力。有必要在这些设备的末端采用下述的其它措施来抑制和隔绝。
针对医院的具体情况，治理谐波污染的目的，首先是确保患者及医护人员的安全，即通过有针对性的谐波污染治理，减少甚至消除其对配电系统的不良影响，保证变压器、电缆、医疗设备的正常运行；其次体现直接经济效益，即保障低压电容补偿系统的正常运行，发挥其应有的作用，降低低压配电系统中谐波总体含量的水平，提高功率因数，减少无功损耗，延长设备使用寿命，节约能源。
根据这一目的，在污染较严重的医院低压配电系统，可采取“有源滤波器+无源滤波补偿装置混合滤波”的方案。此方案在安全补偿无功功率的同时，用有源滤波器治理谐波，是针对医院配电系统谐波治理及无功补偿的最佳方案。
谐波污染治理的结果，满足或高于现行国家标准。预期指标为：系统中输入电流谐波总畸变率THDI≤3%，功率因数COSΦ≥0.95。 下面就几种无功补偿方案进行分析，说明选择有源滤波器的必要性：
4.1只使用串联电抗器的非调谐无源滤波补偿装置（电抗系数7%或5.5%），不使用有源滤波器。
非调谐的滤波补偿设备的主要作用是抑制谐振，安全补偿，适当滤波。重点是实现安全补偿，保护电容，对于谐波量比较大的场合，谐波污染不会有明显的改善，建议使用调谐式无源滤波器或有源滤波器来滤除谐波。
4.2使用无源调谐式滤波器进行滤波补偿
源调谐式滤波器可以滤出80%～90%以上的5、7次谐波，滤波效果好，但是滤波的同时补偿固定的容性无功功率，并且不可调。不适用于医院的配电系统，主要因为：
（1）过补偿的危险。电压升高影响设备的正常运行。
（2）3次调谐式滤波器有源电容器和电抗器选型困难，而设计难度大。不能解决中性线谐波过载问题。
（3）受系统阻抗，滤波器有过载危险。
（4）滤波效果受电网频率变化的影响大。
（5）占地大
通过以上分析可以看到，调谐式无源滤波器使用危险性大，不适宜应用在医院的低压配电系统。
4.3只使用有源滤波其进行滤波和无功补偿
目前大部分有源滤波均具有无功补偿的功能，此方案是可以满足医院系统要求的。但是由于无功电流的容量要占用有源滤波器容量，与电容器补偿无功功率相比，成本高，大部分用户不能接受。
4.4采用有源滤波器+无源非调谐式滤波补偿装置的混合滤波补偿方案
无源滤波器由3、5、7、9次单调谐滤波器支路及高通滤波器支路组成。有源滤波器由8个IGBT、直流电容及滤波电感构成。直流电容可为有源滤波器提供一个稳定的直流电压；滤波电感可减小有源滤波器产生的高频开关频率谐波。有源滤波器和无源滤波器串联后并入电网。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除，它所产生的补偿电压中只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的经济性，从而可降低系统成本。
通过对上述4种方案的分析，我们可以看到，在医院这种谐波量较大的场合，考虑投入成本，采用“有源滤波器+无源非调谐式滤波补偿装置”的混合滤波补偿的方案是针对医院配电系统提出的最佳方案，即实现了安全补偿，又彻底根治了谐波，并可以节约成本。
参考文献：
[1] JGJ16-2008，民用建筑电气设计规范[S].
[2]中国航空工业规划设计研究院等.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.
[3] YY050522005，醫用电气设备电磁兼容性要求和试验[S].
[4] GB50052-2009，供配电系统设计规范[S].
【关键词】 医院；非线性负载；谐波
引言：
随着医疗行业的发展，一些大型医院装备了许多电子医疗设备，这些设备共同的特点是：设备运行会产生大量的高次谐波；对电源质量要求很高。医疗设备所在配电系统中，如果存在大量的谐波，会使电压、电流波形发生畸变，影响系统供电质量。同时还对其它供电及用电设备造成危害：缩短设备使用寿命，干扰重要医疗设备的正常工作。医院配电系统的谐波治理已成为医院和设计部门必须考虑的问题。
1、谐波分析
医院配电系统一般是10/0.4kV主变压器，主要负载为电子医疗精密设备、照明及变频电梯、变频水泵、变频通风设备、计算机及UPS、EPS等。其中大部分为单相非线性负荷，低压配电网上谐波严重，主要谐波源可分为下面几种：
1.1电子医疗精密设备：大型电子医疗设备，如：X光机、CT机、核磁共振机、加速器等，一般为开关电源供电，开关电源设备会产生3、5、7次等谐波注入电网。
1.2照明设备：由于医院内部使用大量的荧光灯具，因此会引起严重的谐波电流，其中3次谐波为最高，当多个荧光灯接成三相四线负载时，中线上就会流过很大的三次谐波电流。
1.3变频设备：为了节约能源，大部分医院均采用变频电梯、水泵、风机及空调。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5、7次等的谐波污染电网。
1.4计算机及UPS、EPS：目前医院均为计算机网络管理，计算机的数量很大，此外服务器等数据存储系统必须配有UPS等备用电源。个人电脑的开关电源及UPS均为谐波源，会产生大量的3、5、7次等谐波。
总之，医院的低压配电系统有大量的谐波源负荷，会产生大量的3、5、7次等谐波，严重污染电网。大量的单相非线性负荷会造成三相不平衡、谐波超标、中性线谐波过载等电能质量问题，必须要治理谐波。
2、谐波对供配电系统的危害
当系统中有很多非线性负载时，由于整流、逆变、换路，在电网中会产生很多高次谐波，这些谐波在电网中传播，会对电力系统或并联的负载产生种种危害，会使所有接于电网中的设备的损耗增加，温升增加。
1）谐波会使电动机负载加重，集肤效应使电动机和变压器铜损、铁损增加而过热，使用寿命缩短。
2）谐波对用以补偿无功功率的并联电容器发生谐振，对原有的谐波产生放大，甚至使电容器爆炸。
3）谐波会使断路器遮断能力降低，空气电磁断路器不能遮断其分断能力范围内波形畸变率超过50%的故障电流，而且还会导致断路器损坏。
4）对于电力电缆和配电线路，谐波电流频率增高会引起明显的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，绝缘过早老化，容易发生接地短路故障，形成潜在的火灾隐患。
5）谐波对通讯设备、自动和远动装置、继电保护、测量设备和仪表等有各种危害，造成继电保护机构由于谐波而产生误动或拒动故障。对邻近的通信系统产生干扰，产生噪声，降低通信质量；甚至导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
3、谐波对医用设备的危害
谐波在供配电网络中传输时，会产生大量的電磁辐射，这些电磁辐射对灵敏的医用设备有很大的干扰。如：心电图机、脑电图机、监护仪、超声诊断仪、针灸电疗仪或银针直接接触人体的仪器设备等，特别是检测人体生物电信号的仪器设备，由于信号非常的微弱，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。如果是带有计算机系统的医学仪器设备，当共模干扰中的尖峰干扰幅度达到2V～50V，时间持续数微秒时，可引起计算机逻辑错误、信息丢失等。强磁场会使显像管、X线影像增强管显示图像变形失真，加速器射线偏移，计算机磁盘、磁卡记录数据破坏，呼吸机工作失灵，心脏起搏器工作失效等。
4、治理措施
GB50052-2009《供配电系统设计规范》第5.0.13条明确规定：控制各类非线性用电设备所产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变率，宜采取下列措施：
1.各类大功率非线性用电设备变压器，由短路容量较大的电网供电。
2.对大功率静止整流器，采用增加整流变压器二次侧的相数和整流器的整流脉冲数，或采用多台相数相同的整流装置，并使整流变压器的二次侧有适当的相角差，或按谐波次数装设分流滤波器。
3.选用D，yn11接线组别的三相配电变压器。
选用D，yn11接线的变压器，可以有效地减小谐波的影响。但变压器安装在变电所内，只对其高压侧谐波的传输起到了抑制作用，使其较少地反馈到高压侧，对大量地存在于变压器二次侧低压系统中的非线性设备谐波源通过线路的相互传输干扰和耦合干扰却无能为力。有必要在这些设备的末端采用下述的其它措施来抑制和隔绝。
针对医院的具体情况，治理谐波污染的目的，首先是确保患者及医护人员的安全，即通过有针对性的谐波污染治理，减少甚至消除其对配电系统的不良影响，保证变压器、电缆、医疗设备的正常运行；其次体现直接经济效益，即保障低压电容补偿系统的正常运行，发挥其应有的作用，降低低压配电系统中谐波总体含量的水平，提高功率因数，减少无功损耗，延长设备使用寿命，节约能源。
根据这一目的，在污染较严重的医院低压配电系统，可采取“有源滤波器+无源滤波补偿装置混合滤波”的方案。此方案在安全补偿无功功率的同时，用有源滤波器治理谐波，是针对医院配电系统谐波治理及无功补偿的最佳方案。
谐波污染治理的结果，满足或高于现行国家标准。预期指标为：系统中输入电流谐波总畸变率THDI≤3%，功率因数COSΦ≥0.95。 下面就几种无功补偿方案进行分析，说明选择有源滤波器的必要性：
4.1只使用串联电抗器的非调谐无源滤波补偿装置（电抗系数7%或5.5%），不使用有源滤波器。
非调谐的滤波补偿设备的主要作用是抑制谐振，安全补偿，适当滤波。重点是实现安全补偿，保护电容，对于谐波量比较大的场合，谐波污染不会有明显的改善，建议使用调谐式无源滤波器或有源滤波器来滤除谐波。
4.2使用无源调谐式滤波器进行滤波补偿
源调谐式滤波器可以滤出80%～90%以上的5、7次谐波，滤波效果好，但是滤波的同时补偿固定的容性无功功率，并且不可调。不适用于医院的配电系统，主要因为：
（1）过补偿的危险。电压升高影响设备的正常运行。
（2）3次调谐式滤波器有源电容器和电抗器选型困难，而设计难度大。不能解决中性线谐波过载问题。
（3）受系统阻抗，滤波器有过载危险。
（4）滤波效果受电网频率变化的影响大。
（5）占地大
通过以上分析可以看到，调谐式无源滤波器使用危险性大，不适宜应用在医院的低压配电系统。
4.3只使用有源滤波其进行滤波和无功补偿
目前大部分有源滤波均具有无功补偿的功能，此方案是可以满足医院系统要求的。但是由于无功电流的容量要占用有源滤波器容量，与电容器补偿无功功率相比，成本高，大部分用户不能接受。
4.4采用有源滤波器+无源非调谐式滤波补偿装置的混合滤波补偿方案
无源滤波器由3、5、7、9次单调谐滤波器支路及高通滤波器支路组成。有源滤波器由8个IGBT、直流电容及滤波电感构成。直流电容可为有源滤波器提供一个稳定的直流电压；滤波电感可减小有源滤波器产生的高频开关频率谐波。有源滤波器和无源滤波器串联后并入电网。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除，它所产生的补偿电压中只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的经济性，从而可降低系统成本。
通过对上述4种方案的分析，我们可以看到，在医院这种谐波量较大的场合，考虑投入成本，采用“有源滤波器+无源非调谐式滤波补偿装置”的混合滤波补偿的方案是针对医院配电系统提出的最佳方案，即实现了安全补偿，又彻底根治了谐波，并可以节约成本。
参考文献：
[1] JGJ16-2008，民用建筑电气设计规范[S].
[2]中国航空工业规划设计研究院等.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.
[3] YY050522005，醫用电气设备电磁兼容性要求和试验[S].
[4] GB50052-2009，供配电系统设计规范[S].