1引言

在醫(yī)院的發(fā)展以及運行中，需要采用高科技等技術(shù)手段來滿足醫(yī)院供電設(shè)施的要求，從而逐漸實現(xiàn)醫(yī)院的科學用電以及節(jié)能用電等，這樣能夠有效地減少醫(yī)院的成本。醫(yī)院供配電系統(tǒng)是醫(yī)院工作的基礎(chǔ)平臺，包含各類非線性、時變性電器設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用，若不治理，不僅會影響設(shè)備的正常運行，嚴重時甚至會威脅患者的生命安全，因此對醫(yī)院供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理的深入分析研究勢在必行。

2醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng)諧波源及其特點

醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng)中的諧波源主要可分為醫(yī)療設(shè)備、信息通信設(shè)備和電器設(shè)備三大類，具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數(shù)量多等特點。

醫(yī)療設(shè)備

醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備含有大量的電力電子器件，工作時不可避免的產(chǎn)生諧波污染。常見的醫(yī)療設(shè)備有CT機、核磁共振儀MRI、直線加速器、X線機、心血管造影機DSA和數(shù)字造影儀DSI等。

作為當前醫(yī)學診斷的主要檢查設(shè)備，CT機臨床運用十分廣泛，且價格十分昂貴。工作時，高頻高壓發(fā)生器先將三相交流電整流成直流，再經(jīng)并聯(lián)逆變器逆變?yōu)轭l率高達1×104Hz的交流，然后通過倍壓整流產(chǎn)生大于30KV的穩(wěn)定高壓給球管兩端供電。整個工作過程既進行整流又進行逆變，會產(chǎn)生大量諧波，嚴重時總諧波畸變率可達30%。

醫(yī)學上的核磁共振儀（MRI）依據(jù)“核磁共振”原理，產(chǎn)生核磁共振所需交變磁場和無線電射頻脈沖都將帶來諧波污染，正常工作時MRI的諧波畸變率在20％左右。

直線加速器是指用微波電磁場加速電子的直線型加速器，在醫(yī)院腫瘤放射治療領(lǐng)域運用較為廣泛。系統(tǒng)所需高頻電源、直流高壓電源的產(chǎn)生和脈沖調(diào)制器及脈沖電壓穩(wěn)定裝置都將造成諧波污染，電流總諧波畸變率可達40％~50％。

X光機為典型的瞬時性負荷，工作時電壓可達幾十甚至上百千伏，變壓器原邊將增加60~70kW的瞬時負荷。X光機的主要部件為光球管和高壓整流器。由于高壓整流器的整流橋工作時將產(chǎn)生較大諧波，加上X光機的瞬時工作特性，使得其諧波畸變率可達30％~50％。

信息通信設(shè)備

為了存儲海量信息和方便辦公，現(xiàn)在大型醫(yī)院基本建立了醫(yī)院信息系統(tǒng)。系統(tǒng)本身功能強大，通常包括醫(yī)療信息系統(tǒng)、臨床信息系統(tǒng)、視頻視教和遠程醫(yī)療等系統(tǒng)。信息系統(tǒng)一般由成千上萬臺計算機和不計其數(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備構(gòu)成，與醫(yī)院的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)一樣，運行過程必將產(chǎn)生諧波電流。

以UPS典型負載為例，UPS先將市電整流變換成直流電，一路給電池充電，另一路給逆變器供電，將直流電變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、純凈的50Hz交流電，向負載供電。當市電異?；蚬╇娭袛鄷r，逆變器改由電池提供能量繼續(xù)工作，保證無間斷地給用電設(shè)備供電。EPS在市電正常時由市電輸出供電，同時對電池充電，當市電停電或電壓過低時則由電池經(jīng)逆變器向負載供電。EPS和UPS均采用了IGBT技術(shù)和PWM技術(shù)，進行整流和逆變時都會帶來諧波污染，是不可忽視的諧波源。對大功率UPS來說，如果整流裝置為三相全控橋6脈沖整流器，總諧波畸變率將近30％~40％。

電器設(shè)備

醫(yī)院內(nèi)電梯、空調(diào)、變頻水泵、通風、照明設(shè)備等都將產(chǎn)生畸變諧波。如大量使用的熒光燈，會引起較大的諧波電流，其中3次諧波為較高。當多個熒光燈接成三相四線負載時，由于3次諧波電流屬于零序諧波電流，三相矢量角度一致，3次諧波電流向零線疊加，造成中性線電流過大。大部分醫(yī)院均采用變頻空調(diào)及風機，而變頻器是典型的諧波源，會產(chǎn)生大量5次、7次諧波污染電網(wǎng)。

醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源、諧波次數(shù)和畸變率情況如表1所示，可見醫(yī)院典型設(shè)備產(chǎn)生的諧波主要為3次、5次、7次。正是這些設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生諧波，使醫(yī)院的電能質(zhì)量受到影響，而受到影響的電能又反過來影響設(shè)備的正常使用。

3醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生諧波對配電系統(tǒng)危害

正常的供電網(wǎng)絡(luò)所提供的電壓應(yīng)該是單一的固定頻率和規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對供電電網(wǎng)是一種污染，它對用電設(shè)備正常運行造成危害。醫(yī)療設(shè)備對配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波的危害主要體現(xiàn)在如下方面：

對電網(wǎng)的影響

電網(wǎng)中的諧波會增加系統(tǒng)損耗，使設(shè)備發(fā)熱，影響設(shè)備使用壽命。此外當并聯(lián)的無功補償電容器容抗Xcn與系統(tǒng)感抗Xsn匹配時即Xcn＝Xsn，將發(fā)生n次并聯(lián)諧振，造成電容器組的過電壓和過電流。當基波頻率為f1時，諧振頻率fr可由下式計算得出。其中，Sc為電源短路容量；Qc為電容器容量。

表1醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源和諧波畸變率情況

對變壓器的影響

諧波會增加變壓器的銅耗、鐵耗和雜散磁通損耗（線圈渦流損耗），可能在變壓器繞阻和線電容之間產(chǎn)生諧振，導致變壓器發(fā)熱，甚至引起局部嚴重過熱，同時使變壓器噪聲變大，減少變壓器的實際使用容量，降低變壓器的使用壽命。諧波電流引起的變壓器總的渦流損耗可由下列公式求出：

式中，為總諧波渦流損耗；為額定基波電流的渦流損耗；為n次諧波電流；為額定基波電流。

對電機的影響

諧波對電機的主要影響是引起附加損耗，此外還將產(chǎn)生機械振動、噪聲和諧波過電壓，降低其工作效率。三相感應(yīng)電動機的n次諧波電流大小可通過式（為n次諧波電壓；為基波頻率）計算得到。由于電壓畸變引起的附加鐵心損耗很小，可以忽略不計。所以感應(yīng)電動機整個諧波損耗即銅耗。

對電容柜的影響

在諧波的作用下電容器將過熱，導致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數(shù)較高時，電容器呈現(xiàn)低阻抗特性，流過電容器的電流將變大，使得電容器處在過載的工作情況，縮短使用壽命。諧波往往還會使電容器介質(zhì)損耗增加，其直接后果是額外的發(fā)熱和壽命縮短。電容器和電源電感結(jié)合也會構(gòu)成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路，在諧振情況下諧波電流會被放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，導致電壓會大大高于電容器的額定電壓值，使電容器損壞炸裂或保護熔斷器熔絲熔斷。

對網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的影響

諧波對通信系統(tǒng)干擾的大小由三個因素綜合決定：電力線路諧波電壓和諧波電流大小，電力線路和通信線路之間的耦合強度，通信線路對諧波干擾的敏感程度。電網(wǎng)中不平衡諧波電流對通信系統(tǒng)，輕則產(chǎn)生噪聲干擾，降低通信質(zhì)量，重則導致信息丟失，使系統(tǒng)無法正常工作。在多個中性點接地電網(wǎng)中，如有較大零序分量諧波電流通過中性點流入大地，將嚴重干擾附近通信系統(tǒng)。通常音頻通道的頻率為200~3500Hz，而很多諧波也在這個范圍，易對臨近的電話線路產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發(fā)電話響鈴，重則危及設(shè)備和操作人員安全。

對繼電保護和電氣測量儀表的影響

只要通入諧波有效值和基波相同，就可引起電磁式繼電器誤動作，導致感應(yīng)型繼電器運動過程來回擺動，機電型繼電器時間延時特性改變，零序電流繼電器不能區(qū)分零序電流和次諧波電流，導致誤跳閘。由于大多數(shù)電氣測量儀表，如電流表、電壓表、功率表都是按工頻正弦波來設(shè)計，對非正弦信號呈現(xiàn)出不同響應(yīng)特性，當有諧波時會產(chǎn)生測量誤差。

4醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量治理需求分析及主要特征

需求分析

醫(yī)療設(shè)備的進步，體現(xiàn)著現(xiàn)代醫(yī)院診療水平，醫(yī)院的電磁環(huán)境因此發(fā)生了很大變化?，F(xiàn)代化醫(yī)院通過不斷引入新型、復雜的電子醫(yī)療系統(tǒng)來提高醫(yī)療服務(wù)水平。諧波干擾問題必將成為醫(yī)院現(xiàn)代化進程中需要重視的問題。醫(yī)院建設(shè)、管理，電氣工程設(shè)計是以后發(fā)展過程中需要考慮的問題。

其原因有二：一是因為當前電子技術(shù)正朝著高頻、高速、高靈敏度、高可靠性、多功能、小型化方向發(fā)展，導致了現(xiàn)代電子設(shè)備產(chǎn)生和接受電磁干擾的幾率大大增加；二是隨著電力電子裝置本身功率容量和功率密度的不斷變大，電網(wǎng)的諧波干擾和反串也日益嚴重。諧波不僅降低電網(wǎng)的供電品質(zhì)，還會嚴重危及醫(yī)療設(shè)備供配電系統(tǒng)的電力器件的運行，容易產(chǎn)生誤動作，擊穿電容補償柜，對小型儀表類醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生電源干擾。所以電力諧波是個不容忽視的問題，應(yīng)以重視。

醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量主要特征：

1）對電能質(zhì)量要求高；

2）負載中含有多種諧波源，配電諧波含量較高；

3）治理方案：根據(jù)負載特征，需通過配電房集中治理和針對性的就地治理共同實現(xiàn)。

5醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案

解決方案

隨著各種先進醫(yī)療設(shè)備(磁共振成像(MRI)、二維圖像彩色B超儀、全身螺旋CT掃描儀、單(雙)光子發(fā)射計算機斷層掃描機、全自動生化儀、采用電磁波技術(shù)的碎石機、胃腸斷層掃描機、高頻電刀、多功能微波治療儀等)的引進與使用，各種電子電路和電力電子技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)院的應(yīng)用，生物醫(yī)學工程在現(xiàn)代化醫(yī)院中所起的作用越來越重要。這些儀器在保證醫(yī)療質(zhì)量的同時，也因為儀器的高負載等特性，造成了大量的諧波污染，大量的諧波必然會產(chǎn)生嚴重危害，特別是諧波造成的電壓波動會影響醫(yī)療設(shè)備，使其受到諧波信號的干擾而影響儀器的性能。特別值得關(guān)注的是，醫(yī)院是對電能質(zhì)量要求很高的場合，意外斷電和電網(wǎng)干擾對醫(yī)療儀器的影響不容忽視。特別是對于部分進口儀器，對使用的電網(wǎng)環(huán)境要求很高，因為國外已經(jīng)很早就重視了電能質(zhì)量問題而進行了嚴格限制，很多儀器不能保證在諧波環(huán)境下正常檢測，甚至會影響其使用壽命。

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為醫(yī)療行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價值。

方案特點

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-MED醫(yī)療建筑綜合能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務(wù)；

全控技術(shù)實現(xiàn)電能質(zhì)量；

專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置整體設(shè)計，通過上位平臺實現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；

高品質(zhì)電能質(zhì)量治理：配套電力電子裝置技術(shù)過關(guān)、質(zhì)量過硬，具備網(wǎng)絡(luò)化、可調(diào)控、快速響應(yīng)的性能；

電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運維、電能分析與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享融通，為企業(yè)電能供給與消費提供控制手段。

方案價值

監(jiān)測電能質(zhì)量，保障供電可靠性

對供電回路的電氣參數(shù)進行監(jiān)測，確保設(shè)備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發(fā)生時全部數(shù)據(jù)信息，支持開展故障追蹤與問題定位。

完整電能質(zhì)量治理

通過集中+就地整體電能質(zhì)量治理模式，更大程度滿足無功和諧波治理的要求，提高整個醫(yī)療供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，減少對其它供電及醫(yī)療設(shè)備造成危害。

數(shù)據(jù)應(yīng)用及增值服務(wù)

系統(tǒng)提供多維度的用電指標統(tǒng)計與電能數(shù)據(jù)分析工具，為配電系統(tǒng)運行管理優(yōu)化和節(jié)能降耗提供指導。