摘要：本文從典型醫(yī)療設(shè)備的工作原理出發(fā)，總結(jié)了醫(yī)院供配電系統(tǒng)中的諧波源及其特點(diǎn)。深入分析研究了醫(yī)療設(shè)備諧波對(duì)供配電系統(tǒng)的危害，以及配電網(wǎng)中諧波對(duì)醫(yī)療設(shè)備的危害，總結(jié)了諧波治理的主要措施。
關(guān)鍵字：醫(yī)院供配電系統(tǒng)；醫(yī)療設(shè)備；諧波危害；諧波治理
1概述
醫(yī)院供配電系統(tǒng)是醫(yī)院工作的基本平臺(tái)，包括各種非線性、時(shí)變性電氣設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用不僅會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，還會(huì)嚴(yán)重威脅患者的生命安全。因此，深入分析和研究醫(yī)院供配電系統(tǒng)的諧波及其治理勢(shì)在必行。
2醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波源及其特點(diǎn)
醫(yī)院供配電系統(tǒng)中的諧波源主要分為三類:醫(yī)療設(shè)備、信息通信設(shè)備和電氣設(shè)備，具有頻譜寬、畸變率高、種類雜、數(shù)量多的特點(diǎn)。
2.1醫(yī)療設(shè)備
醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備含有大量的電力和電子設(shè)備，在工作過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生諧波污染。常見的有CT機(jī)和MRI共振儀。、線性加速器，x線機(jī)，心血管造影機(jī)DSA，數(shù)字造影機(jī)DSI等。
CT機(jī)作為目前醫(yī)學(xué)診斷的主要檢查設(shè)備，在臨床上應(yīng)用廣泛，價(jià)格昂貴。工作時(shí)，高頻高壓發(fā)生器首先將三相交流電整流成DC，然后通過并聯(lián)逆變器逆變成頻率高達(dá)1X1OHz的交流，最后通過雙壓整流產(chǎn)生穩(wěn)定高壓，超過30kV，供電球管兩端。整個(gè)工作過程不僅進(jìn)行整流和逆變，還會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。嚴(yán)重時(shí)，總諧波畸變率可達(dá)30。％。
核磁共振儀是醫(yī)學(xué)上的(MRI)根據(jù)“核磁共振"原理，氫核核是利用磁場(chǎng)和射頻脈沖在人體組織中移動(dòng)的。(H+)當(dāng)章動(dòng)產(chǎn)生射頻信號(hào)時(shí)，通過計(jì)算機(jī)處理和分析釋放的電磁波來繪制人體內(nèi)部精確的立體圖像。產(chǎn)生核磁共振所需的交變磁場(chǎng)和無(wú)線電射頻脈沖都會(huì)造成諧波污染，正常工作時(shí)MRI的諧波畸變率為20。％左右。
直線加速器是指用微波電磁場(chǎng)加速電子的直線加速器，廣泛應(yīng)用于醫(yī)院腫瘤放射治療領(lǐng)域。脈沖高壓由脈沖調(diào)制器供應(yīng)，脈沖調(diào)制器一般采用軟管脈沖調(diào)制器。充電變壓器和脈沖形成電容器通過DC高壓電源諧振充電。當(dāng)電壓穩(wěn)定性要求較高時(shí)，調(diào)制器還需要使用脈沖電壓穩(wěn)定裝置。系統(tǒng)所需的高頻電源、DC高壓電源的產(chǎn)生、脈沖調(diào)制器和脈沖電壓穩(wěn)定裝置都會(huì)造成諧波污染，電流總諧波畸變率可達(dá)40。％～50％。
x光機(jī)是典型的瞬時(shí)負(fù)荷，工作時(shí)電壓可以達(dá)到幾十甚至幾百千伏，變壓器的原始邊緣會(huì)增加6O170kW的瞬時(shí)負(fù)荷。x光機(jī)的主要部件是光球管和高壓整流器。由于高壓整流器的整流橋在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的諧波，加上x光機(jī)的瞬時(shí)工作特性，其諧波畸變率可達(dá)30kW％一50％。
2.2信息通信設(shè)備
為了儲(chǔ)存大量信息，方便辦公，大型醫(yī)院基本建立了醫(yī)院信息系統(tǒng)。它具有強(qiáng)大的功能，通常包括醫(yī)療信息系統(tǒng)、臨床信息系統(tǒng)、視頻教學(xué)和遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)J。該系統(tǒng)包括數(shù)千臺(tái)計(jì)算機(jī)和數(shù)不清的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。它們將產(chǎn)生諧波電流，就像醫(yī)院的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)一樣。
UPS(UninterruptiblePowerSystem)首先將市電整流轉(zhuǎn)換為DC，一路給電池充電，另一路給逆變器供電，將DC轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、純50Hz交流電，向負(fù)載供電。當(dāng)市電異?；蚬╇娭袛鄷r(shí)，逆變器將由電池提供能量繼續(xù)工作，以確保用電設(shè)備的供電不間斷。EPS(EmergencyPowerSystem)市電正常時(shí)，由市電輸出供電，同時(shí)給電池充電。當(dāng)市電停電或電壓過低時(shí)，電池通過逆變器向負(fù)載供電。EPS和UPS都采用了IGBT技術(shù)和PWM技術(shù)，在進(jìn)行整流和逆變時(shí)會(huì)帶來諧波污染，是不可忽視的諧波源。對(duì)于大功率UPS，如果整流裝置是三相全控橋6脈沖整流器，總諧波畸變率接近30。％40％。
2.3電器設(shè)備
電梯、空調(diào)、變頻泵、照明設(shè)備等。醫(yī)院會(huì)產(chǎn)生畸變諧波。如果使用大量熒光燈，會(huì)造成較大的諧波電流，其中三次諧波最高。當(dāng)多個(gè)熒光燈連接成三相四線負(fù)載時(shí)，三次諧波電流會(huì)在中線流過。大多數(shù)醫(yī)院使用變頻空調(diào)和風(fēng)扇，而變頻器是典型的諧波源，會(huì)產(chǎn)生大量的五七次諧波污染電網(wǎng)。
如表1所示，醫(yī)院配電系統(tǒng)的主要諧波源、諧波次數(shù)和畸變率。可以看出，醫(yī)院典型設(shè)備產(chǎn)生的諧波主要是3次、5次、7次。正是這些設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生了諧波，影響了醫(yī)院的電能質(zhì)量，影響了設(shè)備的正常使用。
表1醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源和諧波畸變
3配電網(wǎng)絡(luò)諧波對(duì)醫(yī)療設(shè)備的危害
3.1對(duì)影像設(shè)備的影響
當(dāng)醫(yī)療影像設(shè)備如磁共振成像、螺旋CT掃描儀、彩色多普勒超聲、心腦電圖機(jī)和X線機(jī)受到諧波干擾時(shí)，嵌入式電子元件可能會(huì)記錄噪聲并改變數(shù)據(jù)輸出，使顯像管顯示圖像變形失真，成像模糊，影響醫(yī)療診斷結(jié)果。
3.2對(duì)監(jiān)護(hù)設(shè)備的影響
與人體直接接觸的常見多功能呼吸機(jī)、起搏器、心電監(jiān)護(hù)儀等監(jiān)護(hù)設(shè)備信號(hào)非常微弱。當(dāng)它們受到微小諧波的干擾時(shí)，會(huì)影響儀器的正常工作，也可能造成微電擊。如果諧波污染導(dǎo)致呼吸機(jī)工作失敗，心臟起搏器工作失敗，直接危及患者的生命安全。
3.3對(duì)理療儀器的影響
醫(yī)療系統(tǒng)的理療儀器主要分為微波、音頻、短波等。受諧波影響的特點(diǎn)是不同的。音頻理療儀器受諧波干擾，輸出信號(hào)中會(huì)含有雜波，對(duì)患者造成電刺激。治療喉嚨、頭部等重要部位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激感，存在嚴(yán)重的安全隱患。受諧波影響，短波儀器更加敏感，儀器會(huì)接收和放大輸出系統(tǒng)中的諧波，造成局部不適[。
3.4對(duì)醫(yī)院計(jì)算機(jī)的影響
醫(yī)院的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須整天穩(wěn)定運(yùn)行，醫(yī)療設(shè)備配置的計(jì)算機(jī)也要求設(shè)備運(yùn)行時(shí)能夠正常工作。諧波可以通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)來干擾計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。諧波干擾還可以使單個(gè)計(jì)算機(jī)程序錯(cuò)誤、崩潰或無(wú)故重啟。當(dāng)共模干擾中的峰值干擾范圍達(dá)到2~50V，時(shí)間持續(xù)數(shù)微秒時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)邏輯錯(cuò)誤和信息丟失，造成嚴(yán)重后果。
4治理醫(yī)療配電網(wǎng)諧波的主要措施
諧波治理對(duì)諧波產(chǎn)生的特點(diǎn)主要有：受端治理、主動(dòng)治理和被動(dòng)治理。
4.1受端治理措施
為了減少諧波對(duì)系統(tǒng)和其他電氣設(shè)備的影響，盡可能保持負(fù)荷的三相平衡，選擇合理的供電方式，將諧波源從較大容量的供電點(diǎn)或較高電壓的電網(wǎng)供電。同步電機(jī)采用星形連接；變壓器一側(cè)連接成三角形。將產(chǎn)生更多諧波的醫(yī)療診斷設(shè)備與其他設(shè)備分開，選擇優(yōu)質(zhì)Dyn11型專用變壓器為這些醫(yī)療設(shè)備供電；將電容器組的一些支路改為濾波器，或限制電容器組的投入容量，以減少電容器對(duì)諧波的放大；提高設(shè)備性能，提高設(shè)備抗諧波干擾能力。
4.2主動(dòng)治理措施
改變諧波源的配置，限制大量產(chǎn)生諧波的工作模式，集中在諧波互補(bǔ)裝置上；增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)；在整流器之前安裝串聯(lián)電抗器，以抑制其平滑的諧波電流；PWM技術(shù)用于由自關(guān)斷器組成的變流器，使變流器產(chǎn)生的諧波頻率更高，幅度更?。痪仃囎冾l器、四象限變流器等高功率因數(shù)變流器的設(shè)計(jì)或使用；為了消除頻率較低的諧波，使用多重化技術(shù)來疊加多個(gè)波，但這種裝置復(fù)雜且昂貴。
4.3被動(dòng)治理措施
被動(dòng)處理的主要方法是添加一個(gè)濾波裝置，以防止諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載。常用的有無(wú)源、有源濾波器和混合有源濾波器。
無(wú)源濾波器(PassivePowerFilter,PPF)它是由電容器、電感和電阻等無(wú)源元件組成的諧振電路。傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法是將無(wú)源濾波器與需要補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián)。濾波器對(duì)某些諧波頻率諧振形成低阻通路，使相應(yīng)的諧波電流流入無(wú)源支路，避免流入電網(wǎng)。無(wú)功功率在過濾諧波的同時(shí)得到適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。
有源濾波器(ActivePowerFilter,APF)主要由諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路、跟蹤控制電路和補(bǔ)償主電路組成。檢測(cè)電路的主要功能是實(shí)時(shí)將諧波電流分量和基波無(wú)功電流分量從負(fù)載電流中分離出來，反過來作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。根據(jù)檢測(cè)電路產(chǎn)生的指令信號(hào)，跟蹤控制電路計(jì)算驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并用于補(bǔ)償主電路的所有開關(guān)設(shè)備，從而產(chǎn)生有效的補(bǔ)償電流，從而達(dá)到消除諧波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?/p>
混合式有源濾波器(HybridActivePowerFilter,HAPF)有源濾波器和無(wú)源濾波器通過串聯(lián)或并聯(lián)整合在一起。首先用無(wú)源濾波器過濾電流大、含量高的諧波，然后用有源濾波器過濾，從而降低有源濾波器的容量。它結(jié)合了無(wú)源濾波器的低成本和有源濾波器的優(yōu)異性能，具有PPF和APF的優(yōu)點(diǎn)，是一種有前途的過濾和無(wú)功補(bǔ)償方法。
5醫(yī)院有源諧波治理系統(tǒng)解決方案
它們都是諧波源，如x光機(jī)、CT機(jī)等。，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。諧波降低了電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率，使電氣設(shè)備過熱，產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，降低了絕緣老化，縮短了使用壽命，甚至出現(xiàn)故障或燒毀。諧波可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，放大諧波含量，燒毀電容器和其他設(shè)備。諧波還會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)設(shè)備誤操作，導(dǎo)致電能計(jì)量混亂?？赡軙?huì)干擾醫(yī)院的精密檢測(cè)設(shè)備。
該方案配置了AnSinI有源濾波器，以消除配電系統(tǒng)諧波對(duì)醫(yī)院設(shè)備的影響，濾除電網(wǎng)2~31次諧波干擾。
采用PWM變流技術(shù)，AnSinI系列有源電力濾波裝置通過并聯(lián)連接電網(wǎng)，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無(wú)功分量，從變流器中產(chǎn)生與當(dāng)前諧波分量和無(wú)功分量相對(duì)應(yīng)的反向分量，實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償。
有源諧波管理系統(tǒng)硬件配置方案
7結(jié)束語(yǔ)
現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備廣泛采用電力電子變流和控制器件，使醫(yī)院非線性醫(yī)療設(shè)備負(fù)荷的種類和數(shù)量迅速增加，諧波污染日趨嚴(yán)重，給配電系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備帶來巨大危害。但醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波問題一直沒得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設(shè)備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)巨大。對(duì)醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波進(jìn)行研究，對(duì)改善供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障設(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義。
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