浅谈医院配电系统谐波分析与治理技术方案-仪表网-手机版

胡冠楠

安科瑞电气股份有限公司上海嘉定

摘要：文章从谐波治理的危害、治理意义、谐波源组成、谐波治理等方面进行了论述。目的在于通过综合整治电网的谐波，有效地改善医院配电系统的安全、可靠、节能。

关键词：医院；配电系统；谐波治理

0引言

配电系统中存在的谐波成分，会导致电力系统的电能品质下降，从而导致电力供应的可靠性下降。在医院里，会对各种高精度高的医疗器械仪器产生很大的影响，如发生摄像系统图像的干扰，监视器出现的花屏、医疗器械设备的动作不灵敏、传感器元件的故障等，从而影响到这些精度高医疗器械设备的正常工作。因此，本文就谐波对医院配电系统的影响和危害进行了分析和讨论。提出了一种具有针对性的控制技术措施，以达到降低配电系统谐波成分的目的，从而有效地改善电网的供电质量。

1配电系统谐波治理意义

1.1控制高次谐波分量

采用无功补偿、滤波器等谐波补偿后，能够有效的补偿配电系统的谐波、减小谐波等成分，保证配电系统指标达到国家技术标准和技术规范的要求，从而为医院的配电系统和电力设备，医疗器械设备的安全可靠、节能、经济、、稳定地运行提供了重要的技术装置保证。

1.2提供电能功率因素

采用自动消谐滤波器，能有效地降低电网的电压、电流谐波；此外，采用消谐滤波器，可减少或消除谐波谐振，从而使医疗器械设备得到高质量、率、经济的电力资源，减少因谐波引起的不必要的电力资源损耗。通过多年的实际工作，我们知道，经过对自动调频过滤柜等设备的技术改造，可以使医院配电系统的功率因数，在很长一段时间内保持在0.97以上。通过这种方式，既能为医技楼的医疗诊断设备提供一个较好的使用条件，又能有效的提高医疗诊断设备的综合使用效率，达到5%——30%的节能效果。

1.3改善供电电能品质

采用自动消谐式过滤器等电网净化设备，对提高医院配电系统的电力品质具有重要意义。通过过滤配电系统的谐波，对电网的功率因数进行补偿，避免了电力系统中的串并联共振现象，保证医疗卫生工作的安全、稳定、有效的开展。

2电力谐波的危害

普通电力系统的电压应为一个特定的频率，并具有一定的幅度。谐波的产生，会对电力系统的供电系统有影响，并对电力系统的正常工作产生一定的影响。谐波的危害表现在以下几个方面。

2.1影响继电保护和自动装置的工作可靠性

在电磁继电器中，由于电力谐波的存在，往往会导致继电保护装置设备的误动作、不能正常工作，从而影响到系统的正常运行。

2.2对动力设备的影响

谐波对电动机产生的影响主要表现为：电动机的工作效率下降、使用寿命缩短（受影响设备有供暖、供水、中央空调、电梯等）。此外，3次谐波在导线上流动时，导线长期过热，造成绝缘老化后引起着火。

3医疗行业谐波治理需求分析

医疗器械设备的发展，是医院的一个重要标志，也是医院先进技术的一个重要标志。现代医院不断引进先进的电子医疗体系，不断的改善医疗质量。谐波干扰是当前医院建设中亟待解决的问题。医院的建设，管理，电气工程项目的设计，在今后的发展中都要加以重视。

由于电力电子设备自身的功率和效率的提高，使得电网中的谐波干扰和反串现象越来越突出。谐波不但会使电网的供电质量下降，而且会对医疗器械设备、用电装置设备造成故障，造成误动作、击穿电容器、对小型设备仪器的电源模块造成干扰。因此，电网的谐波问题是一个不可忽略的问题。

4医院配电系统谐波源分析

4.1医院配电系统负荷主要特征

医院作为一种特殊的服务场所，其医疗器械设备的种类、数量、人员的流动性、供电可靠性、节能经济性等都有很大的影响。如果出现停电、供电不足等问题，对患者的经济、社会造成大的影响甚至会造成手术等无法正常进行，造成严重的后果。在医院配电系统中，一般采用10/0.4千伏主变压器（两路电源），其主要的非线性负荷有：医疗器械设备、节能照明设备、变频调速设备、计算机、 UPS应急电源系统等，这些电力负荷大多为单相非线性负荷，所产生的谐波成分会被注入到配电系统，从而污染电力网络。

4.2医院配电系统中的主要谐波源

通过对医院配电系统的大量测试和分析，得出结论：通风设备、照明设备、医疗设备，是医院配电系统中的谐波源。如医院照明系统中，使用大量的节能型荧光灯，这些荧光灯在运行时，会产生大量的谐波，对配电网造成一定的污染。采用三相四线供电的多盏节能灯，在三相四线负荷运行的情况下，三相三次谐波对医院配电系统造成严重的污染。医院的医疗设备中有大量的电力电子元器件，这些医疗设备在工作时会产生较大的谐波，造成电网污染。比较常见的设备有MRI（核磁共振）、CT机、X线机等。其中，MRI工作时会生成射频脉冲和交变磁场来产生核磁共振，而射频脉冲和交变磁场都会带来谐波污染；X光机中高压整流器的整流桥工作时将产生较大谐波，而且X光机为瞬时性负荷，工作时电压可达百千伏，变压器的负载将增加60~70kw的瞬时负荷，也会增加电网谐波。

5医院配电系统谐波综合治理方案

医院配电网的谐波治理的总体目标是：电网的总谐波 THDI (3%，电源功率因数cosφ)0.95。

5.1采用串联电抗器

该装置以串联电抗器为核心，对谐振进行控制，并对电容进行保护，以达到安全补偿。但是，这种谐波治理方法，在谐波处理方面，却是束手无策，而且谐波治理的效果也不是很好，所以，在医院配电系统的谐波治理中，很难取得较好的效果。

5.2采用无源调谐式滤波器进行滤波补偿

在实际应用中，一般采用无源调谐式滤波器，其阻抗率可分为5.67%、7%和14%三大类。其中，具有5.67%电抗系数的调谐电容器，具有210Hz的单调谐振频率，它的主要作用是能吸收50%以上电力装置的5次谐波；具有7%电抗系数的调谐电容器，具有189 Hz的单调谐振频率，其主要作用是吸收电力装置20%以上的5次谐波和少量7次谐波；而具有14%电抗系数的调谐电容，其单调谐振频率为133 Hz，其主要作用是对3次谐波的控制。该方法利用无源调谐式滤波器对电网的电容无功进行补偿，取得了很好的滤波效果。这种方法更经济、更具性价比，但仅适用于低谐波的情况。

5.3采用有源滤波器

有源滤波器用于电网的谐波滤波及无功补偿，能满足电网的谐波治理和无功补偿需求，但是，无功补偿的无功功率消耗了有源滤波器的容量，而且其费用也比电容高，因而很少用于实际工程中。

5.4混合滤波补偿方案

在医院配电系统中，将有源滤波器+无源调谐式滤波器、无功补偿的方法结合起来，既能保证无功的安全，又能w全消除电网的谐波成分，节约能源，经济效益显著。

5.5采用无功补偿方案

通过对静态无功补偿（SvC)、静态无功产生（SvG）进行补偿，并与在线无功补偿系统相结合，能够根据医院配电系统的具体状况，动态的进行补偿，从而吸收高次谐波，降低电压闪点，从而有效地改善电网的供电可靠性和供电品质。

5.6谐波治理设备的选择

对于已投入使用的医院，可以根据实际情况来确定过滤装置的容量。对正在建设的医院大楼，根据以下方法计算出谐波电流，选择合适的滤波装置。

a.现场补偿：根据用电设备的工作电流乘以谐波失真率，可以得到有效的谐波电流，并选用三线滤波电路。

b.在不使用现场补偿的情况下，仅使用集中的方式，将医疗器械设备与其它电器设备相结合，可使失真率增加至20%。

由于有源滤波器的输出电压随系统的谐波而发生动态变化，不存在过补偿问题；此外，该滤波器还具有过载保护的特性，而无需考虑过负载问题。

6安科瑞医院EMS能效管理系统

6.1平台拓扑图

6.2医院电力监控解决方案

电力监控系统实现对变压器、柴油发电机、断路器以及其它重要设备进行监视、测量、记录、报警等功能，并与保护设备和远方控制及其他设备通信，实时掌握供电系统运行状况和可能存在的隐患，快速排除故障，提高医院供电可靠性。

电力监控系统主要针对开闭所和10/0.4kV变电所，对高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况。同时对医院重要设备如柴油发电机、无功补偿装置、有源滤波装置、UPS、隔离电源系统状态进行监测。

电力监控系统硬件配置

应用场合	名称	系列型号	图片	功能
系统后台	电力监控软件	Acrel-2000/Z		数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序拉制、权限管理、車件记录与告營、故障分析、各类报表
通讯层	智能网关	Anet系列		8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。
35KV、10KV	微机保护装置	AM6-x		相间电流速断保护，相间X时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。
35KV\10KV进线侧	电能质量在线监测装置	APView500		相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。
35KV/10KV测量	多功能网络电力仪表	APM-520		具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、电能统计、电能质量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的DI/DO模块、AO模块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控
35KV\10KV带电显示装置	智能操控装置	ASD500		5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出；
35KV\10KV弧光保护	弧光保护装置	ARB5-x		主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口；扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号：弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域；
35KV\10KV配电柜	无线测温	ATE400（PT柜选用ATE200）		监测母线、线缆接头、断路器触臂、触头温度，可通过无线传输至ASD320就地显示，也可以上传至监控系统。电源分为内置电池式和感应取电式，固定方式有螺栓固定，表带式捆绑，测温范围-50℃-125℃，精度±1℃
0.4KV进线	多功能网络电力仪表	APM-520(96外型)		具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、电能统计、电能质量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的DI/DO模块、AO模块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控
	电能质量在线监测装置	APView500		相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。
	测温监控装置	ARTM-Pn-E		无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯；
	无线测温传感器	ATE400		监测母线、线缆接头、断路器触臂、触头温度，可通过无线传输至ASD320就地显示，也可以上传至监控系统。电源分为内置电池式和感应取电式，固定方式有螺栓固定，表带式捆绑，测温范围-50℃-125℃，精度±1℃
0.4KV滤波柜	有源谐波治理系统	AnSin-xxx		有源电力滤波器井联在含谐波负载的低压配电系統中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿，
0.4KV补偿柜	有源无功补偿系统	AnCos-xxx		低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中，能根据电网中负载功率因数的变化通过控制器控制电力电容器投切进行补偿,无功功率补偿装置采用散件组成方案，主要以电容电抗、投切开关、控制器等组成。补偿方式:线性补偿，全响应时间<5ms，瞬时响应时间≤100us;补偿效果:≥0.99，可补偿容性无功和感性无功，滤除5、7、9、11、13次以内的谐波;自身损耗:≤百分之2，效率:>百分之98;监控以及显示具备远程通讯接口，可以通过PC机实时监控;具有人性化的人机交互界面，可通过该界面看到系统和本体的实时电能质量信息，操作简单，可以远控，也可以本控;标准模块化设计，缩短交付周期，同时提高了使用的可靠性和可维护性。
0.4KV馈线	多功能网络电力仪表	APM-510(72外型)		具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、电能统计、电能质量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的DI/DO模块、AO模块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控
	电气火灾监测模块	ARCM200系列		三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cos中)，视在电能、四象限电能计量，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，4路开关量输入，事件记录，内置时钟，点阵式LCD显示，2路独立RS485/Modbus通讯
	测温监控装置	ARTM-Pn-E		无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯；
	无线测温传感器	ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5安培，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
低压回路	电流互感器	AKH-0.66系列		测量型互感器，采集交流电流信号