浅析医院建筑中谐波电流的治理 黄建强（北京五合国际工程设计顾问有限公司，北京，100044） Analysis of harmonic current in hospital building 摘要：随着现代化的发展，医院的智能化程度越来越高只呢规划湖中非线性用电设备大量的使用，以及智能化的大力发展，电子设备的大量使用，均给医院内部低压电网带来大量的谐波污染，本文就结合医院内常见谐波源、谐波的危害、谐波治理的标准及措施进行概述。 关键词：医院谐波源 谐波危害 谐波治理 有源滤波 无源滤波 电抗器 Abstract: with the development of modernization, the use of nonlinear electrical equipment in the hospital, as well as the great development of intelligent equipment, and the large use of electronic equipment have brought a lot of harmonic pollution to the internal low voltage power grid in the hospital. This paper combines the common harmonic source, the harm of harmonics and the standard and measures of harmonic control in the hospital. A summary is made. Key words: hospital harmonic source, harmonic hazard, harmonic elimination, active filter, passive filter reactor 一.引言 随着大量的非线性负荷在医院中的大量使用，谐波污染问题越来越严重，如造成的电压波动直接影响着精密医疗设备的正常使用，因此必须引起我们电气设计人员的高度关注，尤其是医院的电气设计，因为医院是治病防治、保障人民健康的卫生事业单位，直接关乎人民的生命安全。 二.综合医院中常见的主要谐波源 综合医院中厂家的谐波源主要有以下几类： 1、大型医疗设备（例如：CT、DR、X光、MRI、直线加速、钴60等），这类设备供电直接从变电所引来，他们的供电主要电子脉冲电源，会产生3、5、7次等谐波。 2、变频器设备：从医院的设备用电分布（空调设备电量约占50%，电梯设备电量约占6%，其他动力设备约占6%）来说，为了节能需要，大部分动力设备均采用变频风机、变频调速电梯等变频设备, 因为变频器输入端的整流电路的阻抗不是一个定值，其阻抗随着外加电压的变化发生变化，这就导致整流器从电网吸取的电流不是正弦波电流。变频器的三相整流器的电路与电压、电流波形如 附表 1-1 电路图如附表1-2 附表1-1 附表1-2 对于3相6脉整流电路，谐波有5次7次、11次、13次等谐波电流及少量的其他次数的谐波电流 3、照明设备、小型医疗设备：在医疗建筑中，照明插座电源约占34%。因节能需要，在医院项目中大量使用带电子整流器荧光灯具以及大量的LED灯具，部分科室如放射科等部分房间采用调光灯具，led照明产品制作工程中就大量采用开关电源led灯提供驱动，会产生大量的谐波电流，其中3次谐波为最高，当多个灯接成三相四线负载时，中线上就会流过很大的3次谐波电流;同时，医院使用大量的电脑设备以及B超等小型医疗设备，会产生大量的5、7次等谐波电流。 4、网络数据中心以及UPS：随着信息化的发展，意愿的网络数据中心逐渐成为整个医疗电子心脏，负责着整个医院的运营和管理以及数据的保存，因此，在网络数据中心会使用大量的网络服务器以及UPS电源，这些都会产生大量的5、7次等谐波。 5、变压器：变压器属于铁心设备，通过采用变压器的接线方式能够改善谐波源，随着大量的各种电力设备的安装，变压器的谐波已经不在是主要的谐波源。 6、其他谐波源装备：随着医院智能化的、信息化的发展，医院中各种弱电智能化产品均为谐波源的发生装置，例如：电视机、通讯设备、护理呼叫显示屏、大尺寸LED显示屏、检验中心电冰箱、冷库、化验仪器等，这些设备均采用开关电源并联供电，主要产生大量的3次、5次、7次谐波电流。 综上所述，医院低压配电系统会产生大量的3次、5次、7次等谐波，严重污染电网。 三.谐波的标准与参考依据 关于谐波的标准分为两类，一类是对设备提出的谐波发射标准，另一类是针对电网提出的电能质量标准。我国对应的标准是：GB17625.1-1998«低压电气及电子设备发出的谐波电流限制标准»，GB/T14595-93 «电能质量公用电网谐波»。国际上常用的关于电网谐波的通用标准是IEEE519. 1)IEEE519标准 这是国际上最通用的电网谐波标准。这个标准规定了特定用户或设备向电网注入的谐波电流值限制，以确保电网的电压满足要求。这个标准规定了电力公司与用电户之间的界面上的谐波电流和电压限制。需要注意的是，这里的限制值百分比基于用户的协议用电量（这时得出的数值是TDD），而不是基波（这时得出的数值是THD）。对谐波电压的限制如表3-1所示，对谐波电压的限制是固定值，分为3个级别，对于特殊场合（例如医院、机场），THVD < 3%，对于一般场合，THVD < 5%，对于非线性负载专用变压器的场合，THVD < 10%。对谐波电流畸变率的限制如表3-2所示。这里对谐波电流的限制不是固定值，与变压器的容量（用短路电流ISC表示）和用户的协议用电量（用IL表示）相关。ISC/IL代表了变压器相 对于用户协议用电量的富裕量，这个富裕量越大，谐波电流的限制越松。注意这里对谐波电流的度量采用TDD，而不是THID。 表3-1 谐波电压限制值 表3-2 谐波电流限制值 从THD与TDD的定义，我们知道，THD > TDD，因此，常常将IEEE519的限制值用于设备谐波电流的测量，在对设备进行谐波治理时，只要设备满足了IEEE519中所规定的限制值，例如8%，则在实际中必然满足标准要求。 2）GB14549标准 这个标准也是从谐波电压畸变率和谐波电流畸变率两个方面提出限制。谐波电压畸变率的限制如表3-3所示，谐波电流畸变率的限制如表3-4所示。谐波电压的限制是固定值，对于380V的场合，THVD < 5%。而对谐波电流的限制不是固定值，与变压器的容量相关。表1-4中给出的谐波电流限制值是PCC点上全部用户向该点注入的谐波电流，这个值对应变压器的短路容量为10MVA的情况（380V），如果实际变压器的短路容量不是10MVA，需要按照下面的公式计算出实际的限制值。实际限制值 = （最小短路容量/标准短路容量） 表3-4中的限制值， 我们知道，电网上的谐波电流和谐波电压与测量位置有很大关系，因此，在测量时，要明确测量点。测量点通常用“PCC”表示，这是英文Point of Common Coupling 的缩写，直译为公共测量点。他表示对谐波畸变率提出限制要求的一方与负责治理谐波的一方的责任分界面。 表3-3 GB14549标准对谐波电压畸变率的限制 表3-4 GB14549标准对谐波电流的限制 四.谐波的危害 1. 对电缆的影响 医院建筑电气设计中，为了节约能源,电缆配套的断路器选择上是根据基波电流来选择配合，基本不会考虑高频谐波电流，由于趋肤效应，当频率较高的谐波电流流过导体时，导体的有效截面积小于导体的实际截面积，因此，如果高频谐波电流不能得到有效的治理，因我们在进行线路设计时，导体的截面积是按照基波频率设计，当这些导体中流过谐波电流时，根据Q=I²Rt来说，Q会增加很多，那么电缆可能就会过早老化，同时诱发火灾。 2.对变压器的影响 谐波电流流过变压器时会使变压器产生更大的铜损和铁损，从而导致变压器过热，使缩短变压器寿命，降低变压器的有效容量，同时，增加变压器的噪音，降低环境舒适性。 3. 零线中电流增加 单相变压器等会产生3次谐波在零线上叠加，电流有效值接近相线的1.7倍，并且电流频率更高导致电缆发热更严重 4. 对设备的影响 （1）对电机的影响：谐波电流施加在电机上导致高频电流和负序电流，这是电机所不允许的，导致电机发热、振动，产生电机绕组或轴承损坏等后果 （2）对发电机和UPS的影响：发电机和UPS的内阻较大，谐波电流流过这些电源时，会产生更大的谐波电压，导致输出电压畸变过大，不能满足负载的要求，导致发电机和UPS达不到额定的输出功率 5.对并联电容器的影响 （1）无功补偿装置中的保险丝烧断：这是流过补偿装置的电流过大导致的 （2）无功补偿装置中的电容炸裂：这是流过补偿电容的电流过大，导致电容过热引起的 谐波电流更容易流过电容，造成电容过载，谐波电流还会诱发谐振，在电容上产生更大的谐波电流，导致无功补偿电容过流，电容过热，从而导致电容损坏、谐波放大、电容不能投切等后果。 6.对断路器、热继电器、中间继电器、DDC等的影响 谐波电流能使断路器、热继电器、中间继电器、DDC误跳闸，影响医院的供电可靠性；而高次谐波含量较高的电流能使断路器开断能力降低，也影响其开断短路电流的能力，而影响医院的供电可靠性。 7.对电子设备的影响 综合医院的特点是医生的诊断需要大量的仪器设备来完成，而这些仪器设备很多都是电子设备，对内部电网的电能质量要求很高，当医院内部电网中含有较多的谐波电流时，精密电子诊断仪器电路会受到影响，主要表现为信号采集数据不真、测量仪器精度降低等，从而影响医生的判断，进而引发医疗事故，造成人员伤亡。 五.谐波的治理方法方式 治理谐波的途径主要有两种：一种是在产品的选用上，尽量少选用谐波量大的产品，但随着科技的发展以及节能的要求，在这方面减少的量有局限性。另外一种就是在产生增加治理谐波的产品。目前，对医院来说，主要还是靠增加设备来治理谐波。 目前谐波治理主要方法: 1）电抗器；2）无源滤波器；3）有源滤波器。 1) 电抗器 电抗器:主要是对变频器设备输入侧进行谐波治理；变频器产生的谐波电流与电网的系统阻抗（用电抗率表示）密切相关，电网的阻抗越高，则谐波电流越小。在变频器的电源输入端串联电抗器，等效为增加了电网阻抗，因此会减小变频器的谐波电流。安装输入电抗器以后，虽然谐波电流畸变率大大减小，如附表5-1所示，但是通常不能低于30%。 变频器输入电抗器对谐波电流的抑制图形（附表5-1） 2) 无源滤波器 在电力系统中，采用无源电力滤波器一直是传统的谐波治理和无功补偿的主要手段。无源滤波器由LC等被动元件组成，又称LC滤波器，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。其突出优点就是结构简单、运行可靠性高、运行费用低。无源谐波滤波器由电抗、电容、电阻等无源器件组成，安装在设备电源输入端，能够滤除设备产生的特征谐波电流，通常能够使THID < 10%，有特殊要求时，能够使THID<5%。经过滤波器后，电流波形接近正弦波，如（附表5-2）所示 无源滤波器的滤波效果（附表5-2） 3）有源谐波滤波器 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置，其工作原理是从补偿对象即谐波源中检测出需要补偿的分量，如谐波电流或无功电流分量，由APF产生一个与补偿分量大小相等方向或极性相反的补偿分量，以使补偿分量和APF产生的补偿分量相互抵消，从而使电网电流只含基波分量，重新成正弦电流。这种滤波器根据变流电路可分为电压型和电流型，目前实际应用90%以上都是电压型；从与补偿对象的连接方式来看，可分为并联型和串联型，目前几乎都是采用的并联型。有源谐波滤波器是通过检测出设备发出的谐波电流成份，然后向电网上注入幅度相同但是相位相反的谐波电流，使两者对消，达到消除谐波电流的目的，其THID可以小于5%，波形接近正弦波，如（附表5-3）所示。有源滤波器虽然效果理想，但是由于其成本大大超过变频器本身的成本，在解决变频器谐波问题中几乎没有使用价值。除非在不考虑成本的情况下，才可能使用有源滤波器。 没有电抗器的电流波形 有电抗器的电流波形 有源滤波器的滤波效果（附表5-3） 4）输入电抗器、无源滤波器、有源谐波滤波器对比 从治理效果的图形可知，选用无源滤波器与有源滤波是最好的，输入电抗器主要用于设备的末端治理，因此主要对无源滤波器、有源谐波滤波器做对比,对比如下： （1）无源滤波器的优点就是结构简单、运行可靠性高、运行费用低。缺点是：它的补偿特性受电网及负载影响较大，其滤波效果依赖于电网和负载的参数，滤波特性较差；给电网带来一定隐患，可能发生电网与滤波器间的串、并联谐振，使谐波电流放大；只能补偿固定的无功功率,对变化的无功功率不能进行精确的补偿，不能对谐波和无功实现动态补偿；所需储能元件的体积大。 (2)有源滤波器的优点是：它的补偿特性受电网及负载影响较小；不会与电网发生串并联谐振现象，可靠性高；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功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的反应；可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿时所需的储能元件容量也不大；即使补偿对象电流过大，也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；即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。缺点是结构复杂，造价太高；单独使用时，可以用在小容量的非线性负荷，而不能用于大容量的场所。 六.结论 医院配电系统谐波源负载主要特点：谐波电流频谱范围主要为3.5.7次谐波；医院内电子设备、医技设备很多，这些设备对谐波很敏感；医院内谐波源比较分散。 因此我们通常采用的方法是在变电所变压器出线端集中设置无源滤波器，用以集中消除5.7谐波和补偿无功功率，随着国家综合经济实力的发展，医院建设投资的增加，我们可以采用有源滤波器，进一步提高电能质量，因为基于有源滤波器的上述优点，采用有源滤波器必然是一个趋势，在日本等发达国家有源滤波器已经被广泛的采用。 综上所述，医院的谐波治理应该根据医院的负载特性和投资情况来选用相应的治理方法和设备。 参考文献： [1]王兆安、杨军、刘进军、王跃编著，谐波抑制和无功功率补偿，第2版，北京：机械工业出版社，2006 [2].肖湘宁，电能质量分析与控制,北京：中国电力出版社， 2010 [3]中国航空工业规划设计研究院 组编，工业与民用配电设计手册，第3版，北京：中国电力出版社，2005 [4] 中国标准出版社 电能质量 公用电网谐波，（GB/T14549-1993）北京 [5]注册电气工程师执业资格考试复习指导教材编委会 编，注册电气工程师执业资格考试专业考试复习指导书（供配电专业），北京：中国电力出版社，2007 [6] 变频器谐波与电磁干扰控制工程手册 中国航天科工集团第二研究院七O六所