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医院配电系统电能质量问题解决方案

2017-06-05

中国电源产业网

导语：由于这几年医疗卫生行业发展迅速，大量的新设备、新技术不断加入到医院日常工作中来，对医院供配电系统带来了巨大的压力。如谐波、末端电压不稳定、中性线电流过大等，其中尤以电力谐波状况最为严重；由于用电的不均匀性，中性线电流过大问题日益突出，对配电系统的可靠性及安全性造成潜在隐患。

一、医院配电系统电能质量问题现状

由于这几年医疗卫生行业发展迅速，大量的新设备、新技术不断加入到医院日常工作中来，对医院供配电系统带来了巨大的压力。如谐波、末端电压不稳定、中性线电流过大等，其中尤以电力谐波状况最为严重；由于用电的不均匀性，中性线电流过大问题日益突出，对配电系统的可靠性及安全性造成潜在隐患。

医院作为特殊的服务行业，其供配电系统必须保证可靠性和持续性，供电安全可靠对其极为重要，大量的医疗设备如呼吸机、手术室照明、心电图机、输液泵、婴儿保温箱、血液分析仪、核磁共振仪、加速器等医技及检测设备，一旦出现断电，后果极为严重。医院配电系统一般采取10/0.4KV主变压器（两路供电，互为备用）、主要负载为电子精密设备、照明、通风设备（变频）、计算机、UPS等，负荷类型单相、三相负荷均有，主要是以单相负荷为主。

二、医院配电系统中的电能质量问题

a.谐波电流

大量谐波的存在会使用电设备的附加损耗增加，使设备过热，降低设备的效率和利用率；影响继电和自动装置工作的可靠性；使测量和计量仪器的指示和计量不准确，对设备检测结果产生影响，进而导致检测结果的偏差和错误，最终影响到对病患的检测和排查、判断；谐波会导致继电保护误动作；谐波使变压器局部严重过热，使电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至于损坏。

高频谐波进入服务器通信系统后，产生大量的电磁干扰，造成服务器错误帧增多（主要表现为Ghosts幻像干扰、FCS帧校验错误、Jabber超长帧的大量出现）、非法数据包激增并占用网络流量、干扰比特流阻塞网络通道，直接的后果就是服务器数据传输速度严重降低，数据错误大量出现，给信息化管理系统造成威胁。

电力电容器因放大谐波导致自身过载，进而引起频繁跳闸，无法投入运行；电力电容器与谐波产生谐振时，会造成瞬态过电压，可能导致保护装置直接跳闸，造成大面积停电；由于放大谐波电流过大，可直接造成电容器爆炸。

b.中性线电流

当零线电流过大时，通常会出现零线过热、跳闸、变压器因过热而引发火灾等现象。配变在三相负载不平衡工况下运行，将产生零序电流，该电流将随三相负载不平衡的程度而变化，不平衡度越大，则零序电流也越大。运行中的配变若存在零序电流，则其铁芯中将产生零序磁通。这迫使零序磁通只能以油箱壁及钢构件作为通道通过，而钢构件的导磁率较低，零序电流通过钢构件时，即要产生磁滞和涡流损耗，从而使配变的钢构件局部温度升高发热。配变的绕组绝缘因过热而加快老化，导致设备寿命降低。同时，零序电流的存也会增加配变的损耗。

三、治理方法介绍

3.1 谐波治理技术介绍

目前主要的谐波治理方法有两种：无源滤波器与有源滤波器，以下分别介绍。

⊙无源滤波技术

采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。通常采用由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波。其工作原理如下图所示：

图3.1 无源滤波器工作原理图

无源滤波器由电容电抗和电阻组成，根据电容电阻固有的阻抗特性，对某一特定频率的谐波呈低阻抗，为负载谐波电流提供较低的阻抗通道，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器，而不流入电网。

无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此无源滤波器仍然是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的手段。不过，由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一条并联的低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性由系统和滤波器的阻抗比所决定，因而存在以下缺点:

滤波器一旦制成，性能参数难以变动，滤波特性受系统参数的影响较大。当系统参数改变，则滤波装置有可能失效甚至会引起谐振。因此当电网谐波阻抗降低时，滤波效果将随之降低；当电网参数不变而谐波电流增加时，可能使滤波器过载。另一方面即使电网参数和谐波电流都不变，但由于温度变化，滤波器部件老化和其它因素都会影响滤波器性能而降低效率。此外滤波器的电抗电容值通常也会有容差即偏离其标准值±10%而增加了失谐度，也会降低滤波效率；

只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用。当电网短路容量大(即电源阻抗小)时，则要求滤波器阻抗还要更小，即要求滤波器是精确调谐(锐调谐)，但由于部件性能的容差和变动使滤波器的设计有很大的困难；

谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载；

有效材料消耗多，体积大。

无源电力滤波器组成简单，成本也较低。但由于无源电力滤波器容受系统阻抗影响，很难达到预期要求。而且由于无源元件本身的特性，会与电网阻抗一起作用引起谐振，谐振将引起某次谐波放大数倍，这对于供电系统来说是非常危险的。电网阻抗一般较为稳定，但难免会波动，这样不但会影响滤波效果，而且可能引起谐振。另一方面，由于滤波支路表现出电容特性(对于滤波支路，容抗远远大于感抗)，所以在电压作用下，会产生超前的无功电流，这样就存在一个问题，在使用无源电力滤波器同时还会进行无功补偿，如果系统原有的无功含量不大(小于电容可以提供的无功)，那么就会出现无功功率过补，功率因数可能因此下降，而且会提升电网电压，这对某些设备也是不安全的。

⊙有源滤波技术

由于无源滤波器具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点。

有源电力滤波器由分为两种：并联型有源电力滤波器及串联型电力滤波器，并联型电力滤波器主要解决谐波电流问题；串联型电力滤波器主要解决谐波电压问题。它们的原理基本相同，并联型有源滤波器检测负载电流，通过相应算法计算出其谐波电流，然后发出与负载谐波电流大小相等、方向相反的电流，与负载谐波电流相互抵消，以达到减小电网侧谐波电流的目的。

有源电力滤波器的特点

实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；
可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功的大小可做到连续调节；
补偿无功时不需贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不大；
即使补偿对象电流过大，电力有源滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；
受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；
能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响；
既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。

四、 APF 谐波治理方式

医院配电系统中的谐波治理主要分为两种：

♠ 配电系统集中补偿。

♠ 对关键污染源就地补偿；

一般推荐使用集中补偿，集中补偿方式有以下优点：

① 相比就地补偿，设备利用率高，补偿容量小，性价比高；

② 设备安装的空间需求小；

★医院主要用电设备：

通过测试数据分析：加速器、X光机等设备产生的THDi大约在50%左右；CT、核磁共振、DSA（数字减影血管造影仪）等在30%左右；电子医疗检测设备、手术室等在15%左右；变频通风设备在30%左右。照明（荧光灯具）、计算机及UPS运行时会产生大量的谐波电流；由于医院的单相负荷较多，由于零序谐波（如3次谐波）的存在，导致中性线电流过大。

4.1 集中补偿

集中补偿方式是指在配电变压器下集中安装滤波器，阻止谐波电流流入上级电网，污染扩散。

这种补偿方式能够保护上级电网，保证了变压器运行在安全的电能环境。由于谐波具有矢量叠加性，所以在变压器底进行集中治理时，各支路的谐波会在此矢量叠加，补偿容量比就地补偿容量减小。

4.2 关键污染源的就地补偿

医院配电系统中的谐波污染源主要是各种通风及水泵系统变频器及数据机房UPS等，就地补偿方式就是在这些负载与医院配电系统接入点前，安装有源电力滤波器进行滤波。

这种补偿方式能够将谐波源产生的污染尽量控制在源头位置，与此同时也产生了一些问题：

① 其所需设备的台数增多，即容量变大。

② 安装设备时需求的空间大。

五、应用案例

（1）有源电力滤波器应用案例

通过测试，某医院配电系统谐波含量大，影响到医院信息化办公平台的运行速度和效率及数据传输安全。

☑治理方案：

根据上述情况，某公司使用有源电力滤波器进行了就地补偿，治理效果对比如下：

☑治理效果：

由投入滤波器前后电网电流波形可已清楚的看出，电网电流谐波绝大部分被滤除掉，波形已经接近正弦波。由投入滤波器前后，负载电流与电网电流数值可以看出，畸变率由38.4%降低为3.2%；3次谐波电流由85A降低为2.3A；5次谐波电流由48.1A降低为3A；7次谐波电流由26.0A降低为2.6A可见，滤波器投入后起到了很好的消除谐波的效果，提高了该医院电网的电能质量，信息化办公平台的运行安全得到保证。

（2）中线安防控制器应用案例

针对某医院配电箱中（性）线电流过大进行了治理，中线安防控制器安装后分别记录安装设备负载侧（治理前数据）与电网侧的电流（治理后数据）数据，由此分析治理效果。

配电系统图：

图3 配电系统图

负载侧（治理前数据）：

表1 治理前数据

电网侧（治理后数据）：

表1 治理后数据

数据分析

从数据记录中可以看到，在负载侧，其中（性）线电流相比较相线电流非常大，是A相电流的2~3倍，最大时候中（性）线电流为79.2A，此时的A相电流为21A，是A相电流的3.77倍。在装置工作后的网侧，其中性线电流只有1~2A左右，与此同时系统中三相不平衡问题也得到了解决，各相电流均在50A左右。数据说明了该装置对于中（性）线电流的消除效果明显，消除了中（性）线长期过载运行所存在的火灾隐患，为医疗配电系统的安全运行提供了有利的保障。

随着医疗配电系统的非线性负荷及精密设备的不断增加，电能质量问题日益突出，极大的危机配电系统安全运行，对精密医疗设备的可靠运行带来危险隐患，医疗行业对配电稳定性、安全性及洁净性要求更为严格，采用有源型设备如有源电力滤波器、有源型电能质量综合装置、中线安防控制器、电能质量调节器等新型电力电子装置来解决目前配电系统存在的电能质量问题，其治理效果明显，设备稳定性高，提高医院配电系统的供电可靠性及稳定性，同时为绿色供电系统提供保障。

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