医院配电系统的谐波分析及治理

随着现代医学技术的快速发展, 越来越多的医学装备应用于医疗卫生领域。这在为医学研究和临床诊断工作做出重大作用的同时, 也对我们的供电质量提出了更高的要求, 一些设备对于不合格电力的容许程度严格到了几十甚至十几毫秒。随着晶闸管控制设备和电子控制装置等非线性负载的广泛应用, 加剧了电压和电流波形的畸变, 大量的3、5、7、9次谐波注入到电网中。谐波电压电流的积累叠加, 易导致电子开关误动作、线损增加和绝缘老化, 还可能形成谐波振荡, 危害整个电力系统的安全运行。因此, 认识谐波, 精确谐波源和谐波含量, 积极地治理谐波、净化电网, 具有积极和深远的意义。

1 电力系统谐波的基本特性

1.1 谐波的定义

IEEE 519-1992中定义:谐波 (Harmonic) 为一周期波或量的正弦波分量, 其频率为基波频率的整数倍。

1.2 谐波的产生

在电力系统中, 谐波产生的根本原因是非线性负载所致。当电流流经负载时, 与所加的电压不呈线性关系, 就形成非正弦电流, 即电路中有谐波产生。在平衡的三相系统中, 由于对称关系, 偶次谐波已经被消除了, 只有奇次谐波存在。

1.3 谐波的危害

谐波的危害主要有以下几个方面。

1.3.1 加速绝缘老化, 降低设备的使用寿命

谐波电压可能导致电容器和变压器的涡流损耗增加, 加大绝缘材料的电应力。谐波电流会加剧变压器的铜损, 从而产生局部过热和噪音增大, 加速绝缘老化, 缩短变压器和电动机的使用寿命。

1.3.2 增加线损, 加大成本支出

由于谐波不经治理是无法自然消除的, 所以谐波电压和电流在电网中积累叠加导致线损增加, 变压器带载能力下降, 从而增加了电费支出。

1.3.3 影响通讯质量

由于空间限制, 通讯线路害我输电线路的距离一般很近, 谐波容易通过感性耦合产生声频干扰, 降低信号的传输质量。

1.3.4 造成开关误动作, 引发电力事故

在有谐波存在时, 机电型继电器的时间延长特性会改变。地电流继电器不能区分零序电流和三次谐波, 从而会导致误跳闸。同时, 电网的各类保护及自动装置也会产生误动或拒动, 这在微机保护和综保装置中表现突出, 可能引发区域电网瓦解, 造成大面积停电的恶性事故。

2 医院配电系统特点及谐波源的主要分布

2.1 医院配电系统的特点

众所周之, 医院作为特殊的服务性行业, 医疗部分的用电必须保证持续性和可靠性。许多病人使用着大量医疗设备, 像呼吸机、心电图机、输液泵等, 一旦出现断电, 后果将不堪设想。医院配电系统一般是10/0.4Kv主变压器 (两路) 。主要负载为电子医疗精密设备、照明及变频通风设备、计算机及UPS等, 其中大部分为单相非线性负荷。

2.2 医院谐波源的主要分布

经过实测分析汇总, 谐波源的主要分布如下: (1) 通风设备:为了节约能源, 大部分医院均采用变频风机及空调。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次等谐波污染电网。 (2) 照明设备:医院内部使用着大量的荧光灯具, 产生大量的谐波电流。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。 (3) 电子医疗精密设备:医院内的大型电子医疗设备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。 (4) 计算机及UPS:目前医院均为计算机网络管理, 计算机的数量很多, 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。

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。

3 低压配电室实测数据分析

基于以上的分析, 我们选择配电室中的2台变压器进行谐波含量测试, 测试位置是变压器的低压侧配电柜的总出线处。下面是测试得到的数据。

1#变压器: (负载为照明动力、手术室、X光、核磁室、空调、电梯和一些泵类等) 表1。

2#变压器: (负载为动力照明、空调机组、热力站、机房、水泵、食堂、核磁力和供应室动力等设备) 表2。

测试数据显示:被测系统中的电压谐波和电流谐波含量都非常大, 电压谐波已经超标 (国标GB/T14549-93中规定电压总谐波畸变率应≤5%) 。电流谐波也由一个比较大的幅值, 超过了148A。谐波问题比较严重。

4 电网净化方案

目前, 国内治理谐波主要有无源滤波、有源滤波和无源+有源组合的滤波方式。有源滤波器的性能优越, 但价格较高;无源滤波器虽然治理谐波的效果不甚理想, 但价格优势明显;而无源+有源组合装置是二者的有机结合, 在治理效果、价格和工作效率等方面都有明显优势。

综上考虑, 我们针对医疗用电及非线性负荷多的电路采用无源+有源组合装置进行补偿, 以改善医疗设备的供电质量, 提高医疗工作质量。其中有源滤波器用于补偿无源滤波器没有补偿的其他次数的谐波电流。无源滤波器容量占整个滤波容量的60%~70%, 有源滤波器占30%~40%。无源+有源组合装置的系统图见图1。

5 能效分析

5.1 改善电能品质, 保证医疗工作的正常进行

电网净化装置能全面改善电能质量问题, 滤出电网谐波, 补偿功率因数, 防止电网的串并联谐振, 从而减少医疗设备的故障率, 延长设备的使用寿命, 提高医疗工作的效率。

5.2 提高供配电能力

电网净化装置将谐波电流由10%左右滤除到接近零, 使变压器的实际负荷大大降低, 有了更大的供电富裕能力。降低电能损耗, 节约电能。

由于补偿了谐波电流和无功电流, 使变压器和线路的电流减小, 从而使整个配电线路的损耗降低, 节能约8%左右。

摘要：目的 消除医疗设备中的谐波, 提高供电质量降低电力损耗。方法 结合医院配电特点及特殊性, 针对谐波源及其危害进行研究, 并对谐波电压和电流进行实测分析。结果 通过对治理谐波的几种方法进行分析, 最终提出了解决方案。结论 提高配电管理水平, 改善电能品质, 保障医疗工作的正常进行。

关键词：医院,特殊性,谐波,滤波器

参考文献

[1] G.J.WakilehM, 徐政译.电力系统谐波-基本原理、分析方法和滤波器设计[M].机械工业出版社, 2002:68～85.

[2] 陈杰甫, 杨泓, 马旻雯, 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, 4:23.

[3] GB/T14549—93.电能质量公用电网谐波[S].北京:中国标准出版社, 1993.

[4] IEEE Task Force on Harmonic Impacts (1993) Effects of harmonics on equipment.IEEE Transactions on Power Delivery8:672～680.