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浅谈医院供配电系统谐波危害及治理

文章更新时间:2023-09-04 点击量:223

摘要:本文从典型医疗设备的工作原理出发,总结了医院供配电系统中的谐波源及其特点。深入分析研究了医疗设备谐波对供配电系统的危害,以及配电网中谐波对医疗设备的危害,总结了谐波治理的主要措施。


关键字:医院供配电系统;医疗设备;谐波危害;谐波治理


1概述

医院供配电系统是医院工作的基本平台,包括各种非线性、时变性电气设备和医疗设备。它们产生的谐波相互作用不仅会影响设备的正常运行,还会严重威胁患者的生命安全。因此,深入分析和研究医院供配电系统的谐波及其治理势在必行。


2医院供配电系统谐波源及其特点

医院供配电系统中的谐波源主要分为三类:医疗设备、信息通信设备和电气设备,具有频谱宽、畸变率高、种类杂、数量多的特点。


2.1医疗设备

医院的医疗设备含有大量的电力和电子设备,在工作过程中不可避免地会产生谐波污染。常见的有CT机和MRI共振仪。、线性加速器,x线机,心血管造影机DSA,数字造影机DSI等。

CT机作为目前医学诊断的主要检查设备,在临床上应用广泛,价格昂贵。工作时,高频高压发生器首先将三相交流电整流成DC,然后通过并联逆变器逆变成频率高达1X1OHz的交流,最后通过双压整流产生稳定高压,超过30kV,供电球管两端。整个工作过程不仅进行整流和逆变,还会产生大量的谐波。严重时,总谐波畸变率可达30。%。

核磁共振仪是医学上的(MRI)根据“核磁共振"原理,氢核核是利用磁场和射频脉冲在人体组织中移动的。(H+)当章动产生射频信号时,通过计算机处理和分析释放的电磁波来绘制人体内部精确的立体图像。产生核磁共振所需的交变磁场和无线电射频脉冲都会造成谐波污染,正常工作时MRI的谐波畸变率为20。%左右。

直线加速器是指用微波电磁场加速电子的直线加速器,广泛应用于医院肿瘤放射治疗领域。脉冲高压由脉冲调制器供应,脉冲调制器一般采用软管脉冲调制器。充电变压器和脉冲形成电容器通过DC高压电源谐振充电。当电压稳定性要求较高时,调制器还需要使用脉冲电压稳定装置。系统所需的高频电源、DC高压电源的产生、脉冲调制器和脉冲电压稳定装置都会造成谐波污染,电流总谐波畸变率可达40。%~50%。

x光机是典型的瞬时负荷,工作时电压可以达到几十甚至几百千伏,变压器的原始边缘会增加6O170kW的瞬时负荷。x光机的主要部件是光球管和高压整流器。由于高压整流器的整流桥在工作时会产生较大的谐波,加上x光机的瞬时工作特性,其谐波畸变率可达30kW%一50%。


2.2信息通信设备

为了储存大量信息,方便办公,大型医院基本建立了医院信息系统。它具有强大的功能,通常包括医疗信息系统、临床信息系统、视频教学和远程医疗系统J。该系统包括数千台计算机和数不清的网络连接设备。它们将产生谐波电流,就像医院的视频监控系统和音频系统一样。

UPS(UninterruptiblePowerSystem)首先将市电整流转换为DC,一路给电池充电,另一路给逆变器供电,将DC转换为稳压、稳频、纯50Hz交流电,向负载供电。当市电异常或供电中断时,逆变器将由电池提供能量继续工作,以确保用电设备的供电不间断。EPS(EmergencyPowerSystem)市电正常时,由市电输出供电,同时给电池充电。当市电停电或电压过低时,电池通过逆变器向负载供电。EPS和UPS都采用了IGBT技术和PWM技术,在进行整流和逆变时会带来谐波污染,是不可忽视的谐波源。对于大功率UPS,如果整流装置是三相全控桥6脉冲整流器,总谐波畸变率接近30。%40%。


2.3电器设备

电梯、空调、变频泵、照明设备等。医院会产生畸变谐波。如果使用大量荧光灯,会造成较大的谐波电流,其中三次谐波最高。当多个荧光灯连接成三相四线负载时,三次谐波电流会在中线流过。大多数医院使用变频空调和风扇,而变频器是典型的谐波源,会产生大量的五七次谐波污染电网。

如表1所示,医院配电系统的主要谐波源、谐波次数和畸变率。可以看出,医院典型设备产生的谐波主要是3次、5次、7次。正是这些设备在运行过程中产生了谐波,影响了医院的电能质量,影响了设备的正常使用。


表1医院配电系统主要谐波源和谐波畸变


3配电网络谐波对医疗设备的危害


3.1对影像设备的影响

当医疗影像设备如磁共振成像、螺旋CT扫描仪、彩色多普勒超声、心脑电图机和X线机受到谐波干扰时,嵌入式电子元件可能会记录噪声并改变数据输出,使显像管显示图像变形失真,成像模糊,影响医疗诊断结果。


3.2对监护设备的影响

与人体直接接触的常见多功能呼吸机、起搏器、心电监护仪等监护设备信号非常微弱。当它们受到微小谐波的干扰时,会影响仪器的正常工作,也可能造成微电击。如果谐波污染导致呼吸机工作失败,心脏起搏器工作失败,直接危及患者的生命安全。


3.3对理疗仪器的影响

医疗系统的理疗仪器主要分为微波、音频、短波等。受谐波影响的特点是不同的。音频理疗仪器受谐波干扰,输出信号中会含有杂波,对患者造成电刺激。治疗喉咙、头部等重要部位时,会产生强烈的刺激感,存在严重的安全隐患。受谐波影响,短波仪器更加敏感,仪器会接收和放大输出系统中的谐波,造成局部不适[。


3.4对医院计算机的影响

医院的计算机系统必须整天稳定运行,医疗设备配置的计算机也要求设备运行时能够正常工作。谐波可以通过电磁感应和静电感应来干扰计算机网络,影响系统的正常运行。谐波干扰还可以使单个计算机程序错误、崩溃或无故重启。当共模干扰中的峰值干扰范围达到2~50V,时间持续数微秒时,可能会导致计算机逻辑错误和信息丢失,造成严重后果。


4治理医疗配电网谐波的主要措施

谐波治理对谐波产生的特点主要有:受端治理、主动治理和被动治理。


4.1受端治理措施

为了减少谐波对系统和其他电气设备的影响,尽可能保持负荷的三相平衡,选择合理的供电方式,将谐波源从较大容量的供电点或较高电压的电网供电。同步电机采用星形连接;变压器一侧连接成三角形。将产生更多谐波的医疗诊断设备与其他设备分开,选择优质Dyn11型专用变压器为这些医疗设备供电;将电容器组的一些支路改为滤波器,或限制电容器组的投入容量,以减少电容器对谐波的放大;提高设备性能,提高设备抗谐波干扰能力。


4.2主动治理措施

改变谐波源的配置,限制大量产生谐波的工作模式,集中在谐波互补装置上;增加变流装置的相数或脉冲数;在整流器之前安装串联电抗器,以抑制其平滑的谐波电流;PWM技术用于由自关断器组成的变流器,使变流器产生的谐波频率更高,幅度更小;矩阵变频器、四象限变流器等高功率因数变流器的设计或使用;为了消除频率较低的谐波,使用多重化技术来叠加多个波,但这种装置复杂且昂贵。


4.3被动治理措施

被动处理的主要方法是添加一个滤波装置,以防止谐波源产生的谐波注入电网和电力系统的谐波流入负载。常用的有无源、有源滤波器和混合有源滤波器。

无源滤波器(PassivePowerFilter,PPF)它是由电容器、电感和电阻等无源元件组成的谐振电路。传统的谐波抑制和无功补偿方法是将无源滤波器与需要补偿的非线性负载并联。滤波器对某些谐波频率谐振形成低阻通路,使相应的谐波电流流入无源支路,避免流入电网。无功功率在过滤谐波的同时得到适当的补偿。

有源滤波器(ActivePowerFilter,APF)主要由谐波和无功电流检测电路、跟踪控制电路和补偿主电路组成。检测电路的主要功能是实时将谐波电流分量和基波无功电流分量从负载电流中分离出来,反过来作为补偿电流的指令信号。根据检测电路产生的指令信号,跟踪控制电路计算驱动信号,并用于补偿主电路的所有开关设备,从而产生有效的补偿电流,从而达到消除谐波和无功补偿的目的

混合式有源滤波器(HybridActivePowerFilter,HAPF)有源滤波器和无源滤波器通过串联或并联整合在一起。首先用无源滤波器过滤电流大、含量高的谐波,然后用有源滤波器过滤,从而降低有源滤波器的容量。它结合了无源滤波器的低成本和有源滤波器的优异性能,具有PPF和APF的优点,是一种有前途的过滤和无功补偿方法。


5医院有源谐波治理系统解决方案

它们都是谐波源,如x光机、CT机等。,会产生大量的谐波。谐波降低了电能的生产、传输和利用效率,使电气设备过热,产生振动和噪音,降低了绝缘老化,缩短了使用寿命,甚至出现故障或烧毁。谐波可能会导致电力系统局部并联谐振或串联谐振,放大谐波含量,烧毁电容器和其他设备。谐波还会导致继电保护和自动设备误操作,导致电能计量混乱。可能会干扰医院的精密检测设备。

该方案配置了AnSinI有源滤波器,以消除配电系统谐波对医院设备的影响,滤除电网2~31次谐波干扰。

采用PWM变流技术,AnSinI系列有源电力滤波装置通过并联连接电网,通过实时检测负载的谐波和无功分量,从变流器中产生与当前谐波分量和无功分量相对应的反向分量,实时注入电力系统,实现谐波治理和无功补偿。

有源谐波管理系统硬件配置方案



7结束语

现代医疗设备广泛采用电力电子变流和控制器件,使医院非线性医疗设备负荷的种类和数量迅速增加,谐波污染日趋严重,给配电系统和医疗设备带来巨大危害。但医院供配电系统谐波问题一直没得到足够重视,谐波造成的电能消耗增加、设备故障、使用寿命缩短等直接和间接经济损失相当巨大。对医院供配电系统谐波进行研究,对改善供电质量,提高电网的安全和经济运行,保障设备的性能以及降低能耗均有重要意义。




参考文献:

[1]李志东.医院供配电系统谐波危害及治理

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版.

[3]安科瑞用户变电站变配电监控解决方案2021.10