摘要：醫療行業的發展與建設離不開電。醫療行業的配電系統是保證醫院供電的一項重要因素。隨著我國現代科學技術的逐漸發展與進步，醫院的供電設施也得到了很大的改良以及提高。在發展的過程中，各種技術使得我國醫院的配電系統得到了逐漸的完善。一些大型醫院裝備了許多電子醫技設備．這些設備共同的特點是：設備運行會產生大量的諧波；對電源質量要求很高。醫療設備所在配電系統中，如果存在大量的諧波，會使電壓、電流波形發生畸變，影響系統供電質量。同時還對其它供電及用電設備造成危害：縮短設備使用壽命，干擾重要醫療設備的正常工作。醫院配電系統的電能質量治理已成為醫院和設計部門須考慮。
關鍵詞：醫療行業供配電系統；醫療設備；電能質量；諧波危害及治理；系統解決方案
1引言
在醫院的發展以及運行中，需要采用高科技等技術手段來滿足醫院供電設施的要求，從而逐漸實現醫院的科學用電以及節能用電等，這樣能夠合理地減少醫院的成本。醫院供配電系統是醫院工作的基礎平臺，包含各類非線性、時變性電器設備和醫療設備。它們產生的諧波相互作用，若不治理，不僅會影響設備的正常運行，嚴重時甚至會威脅患者的生命安全，因此對醫院供配電系統電能質量治理的深入分析研究勢在必行。
2醫療行業供配電系統諧波源及其特點
醫療行業供配電系統中的諧波源主要可分為醫療設備、信息通信設備和電器設備三大類，具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數量多等特點。
2.1醫療設備
醫院的95%醫療設備含有大量的電力電子器件，工作時不可避免的產生諧波污染。常見的醫療設備有CT機、核磁共振儀MRI、直線加速器、Ｘ線機、心血管造影機DSA和數字造影儀DSI等。
作為當前醫學診斷的主要檢查設備，CT機臨床運用十分廣泛，且價格十分昂貴。工作時，高頻高壓發生器先將三相交流電整流成直流，再經并聯逆變器逆變為頻率高達1×104Ｈz的交流，通過倍壓整流產生大于30KV的穩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，會產生大量諧波，嚴重時總諧波畸變率可達30%。
醫學上的核磁共振儀（MRI）依據“核磁共振"原理，產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，在醫院腫瘤放射治療領域運用較為廣泛。系統所需高頻電源、直流高壓電源的產生和脈沖調制器及脈沖電壓穩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％。
2.2信息通信設備
為了存儲海量信息和方便辦公，現在大型醫院基本建立了醫院信息系統。系統本身功能強大，通常包括醫療信息系統、臨床信息系統、視頻視教和遠程醫療等系統。信息系統一般由成千上萬臺計算機和不計其數的網絡連接設備構成，與醫院的視頻監控系統和音頻系統一樣，運行過程必將產生諧波電流。
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，將直流電變換成穩壓、穩頻、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工作，保證無間斷地給用電設備供電。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逆變器向負載供電。EPS和UPS均采用了IGBT技術和PWM技術，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％。
2.3電器設備
醫院內電梯、空調、變頻水泵、通風、照明設備等都將產生畸變諧波。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。大部分醫院均采用變頻空調及風機，而變頻器是典型的諧波源，會產生大量５次、７次諧波污染電網。
醫院配電系統主要諧波源、諧波次數和畸變率情況如表１所示，可見醫院典型設備產生的諧波主要為３次、５次、７次。正是這些設備在運行過程中產生諧波，使醫院的電能質量受到影響，而受到影響的電能又反過來影響設備的正常使用。
3醫療設備產生諧波對配電系統危害
正常的供電網絡所提供的電壓應該是單一的固定頻率和規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對供電電網是一種污染，它對用電設備正常運行造成危害。醫療設備對配電系統產生的諧波的危害主要體現在如下方面：
3.1對電網的影響
電網中的諧波會增加系統損耗，使設備發熱，影響設備使用壽命。此外當并 聯的無功補償電容器容抗Xcn與系統感抗Xsn匹配時即Xcn＝Xsn，將發生n次并聯諧振，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醫院配電系統主要諧波源和諧波畸變率情況
分類 | 諧波源名稱 | 主要諧波次數 | 總諧波畸變率 |
醫療設備 | MRI、CT、DSA、PET、CTECT、 DR（三相大型） | 5、7 | 10%~50% |
彩超、監護儀、生化及血氣分析儀(單相小型) | 3、5 | 15%~30% |
加速器、X光機、胃腸鏡 | 3、5、7、9、11、13 | 50%~60% |
手術室設備、伽瑪刀 | 3、5、7、9 | 10%~15% |
空氣壓縮機、口腔科手機 | 3、5、7 | 40%~50% |
信息通信設備 | 計算機 | 3、5、7、9 | 10% |
單相UPS、EPS | 3、5、7 | 20%~30% |
三相UPS 、EPS | 5、7、11 | 30%~40% |
LED顯示屏、視頻、音頻等設備 | 3、5、7 | 5%~10% |
網絡通信設備 | 3、5、7 | 5%~10% |
電器設備 | 變頻空調、風機 | 5、7 | 25%~35% |
電梯、水泵 | 5、7 | 30%~50% |
照明設備(LED熒光燈、金鹵燈、調光器) | 3 | 70%~80% |
3.2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生諧振，增加變壓器發熱，甚至引起局部嚴重過熱，同時使變壓器噪聲增加，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。
3.3對電機的影響
諧波對電機的主要影響是引起附加損耗，此外還將產生機械振動、噪聲和諧波過電壓，降低其工作效率。三相感應電動機的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。所以感應電動機整個諧波損耗即銅耗。
3.4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。當諧波次數較高時，電容器呈現低阻抗特性，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損耗增加，其直接后果是額外的發熱和壽命縮短。電容器和電源電感結合也會構成并聯或串聯諧振電路，在諧振情況下諧波電流會被放大數倍甚至數十倍，終會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。
3.5對網絡通信系統的影響
諧波對通信系統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銳程度。電網中不平衡諧波電流對通信系統，輕則產生噪聲干擾，降低通信質量，重則導致信息丟失，使系統無法正常工作。在多個中性點接地電網中，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。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生靜電感應和電磁感應，輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發電話響鈴，重則危及設備和操作人員安全。
3.6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分零序電流和次諧波電流，導致誤跳閘。由于大多數電氣測量儀表，如電流表、電壓表、功率表都是按工頻正弦波來設計，對非正弦信號呈現出不同響應特性，當有諧波時會產生測量誤差。
4醫療行業電能質量治理需求分析及主要特征
4.1需求分析
醫療設備的進步，體現著現代醫院診療水平，醫院的電磁環境因此發生了較大變化。現代化醫院通過不斷引入新型、復雜的電子醫療系統來提高醫療服務水平。諧波干擾問題必將成為醫院現代化進程中須重視的問題。醫院建設、管理，電氣工程設計是以后發展過程中須考慮的問題。
其原因有二：一是因為當前電子技術正朝著高頻、高速、高靈敏度、高可靠性、多功能、小型化方向發展，導致了現代電子設備產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增加，電網的諧波干擾和反串也日益嚴重。諧波不僅降低電網的供電品質，還會嚴重危及醫療設備供配電系統的電力器件的運行，容易產生誤動作，擊穿電容補償柜，對小型儀表類醫療設備產生電源干擾。所以電力諧波是個不容忽視的問題，應以重視。
4.2醫療行業電能質量主要特征：
1）對電能質量要求高；
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。
5醫療行業電能質量監測與治理系統解決方案
5.1解決方案
隨著各種先進醫療設備(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)光子發射計算機斷層掃描機、全自動生化儀、采用電磁波技術的碎石機、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在現代醫院的應用，生物醫學工程在現代化醫院中所起的作用越來越重要。這些儀器在保證醫療質量的同時，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生嚴重危害，特別是諧波造成的電壓波動會影響醫療設備，使其受到諧波信號的干擾而影響儀器的性能。特別值得關注的是，醫院是對電能質量要求很高的場合，意外斷電和電網干擾對醫療儀器的影響不容忽視。特別是對于部分進口儀器，對使用的電網環境要求很高，因為國外已經很早就重視了電能質量問題而進行了嚴格限制，很多儀器不能保證在諧波環境下正常檢測，甚至會影響其使用壽命。
安科瑞電氣提出的電能質量監測與治理系統解決方案可滿足電力監控管理、運維與電能質量治理等方面的需求，致力于為醫療行業用戶提供一站式的整體解決方案，從產品、系統、服務等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創造價值。
5.2方案特點
? 電能質量監測與治理系統除作為本地終端為用戶提供電能質量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-MED醫療建筑綜合能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務；
? 全控技術實現電能質量；
? 電能質量監測：電能質量實時在線監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；
? 電能質量監測與治理裝置整體設計，通過上位平臺實現統一管理和閉環控制；
? 高品質電能質量治理：配套電力電子裝置技術過關、質量過硬，具備網絡化、可調控、快速響應的性能；
? 電能管理務業務綜合協同：配電監控管理與運維、電能分析與電能質量數據共享融通，為企業電能供給與消費提供控制手段。
5.3方案價值
? 全方面監測電能質量，保障供電可靠性
對供電回路的電氣參數進行全方面監測，確保設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生時全部數據信息，支持開展故障追蹤與問題定位。
? 完整電能質量治理
通過集中+就地整體電能質量治理模式，更大程度滿足無功和諧波治理的要求，提高整個醫療供配電系統的電能質量，減少對其它供電及醫療設備造成危害。
? 數據應用及增值服務
系統提供多維度的用電指標統計與電能數據分析工具，為配電系統運行管理優化和節能降耗提供指導。
6安科瑞電能質量監測與治理產品選型
6.1集中治理
針對醫療行業配電系統中涉及到的電梯、空調、風機、大型水泵等電器設備及數量較多的計算機和音頻等網絡通信設備，為減少諧波對電網側的危害和影響，同時確保無功功率因數達到國標要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時也可對整個低壓供配電系統進行電能質量在線監測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測等，其集中治理的產品選型見表2。
表2電能質量監測及集中治理產品選型表
設備名稱 | 產品型號 | 產品圖片 | 功能特性 |
電能質量在線監測裝置 | APView500 | 
| 電能質量在線監測裝置，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿足110kV及以下供電系統電能質量監測的要求 |
APM系列 多功能網絡儀表 | APM510/520 | 
| 按 IEC 國際標準設計，具有全電量測量、電能統計、電能質量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功能及網絡通訊等功能，主要用于電網供電質量的綜合監控。該系列儀表配有功能豐富的 DI/DO 模塊、AO 模塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現電氣回路全電量測量及開關狀態監控。 |
有源諧波治理系統 | AnSin¨-G Ⅰ型 | 
| 采用DSP+FPGA全數字控制方式，并聯在系統中，兼補諧波和無功； 兼補諧波和無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償； 具備完善的橋臂過流、直流過壓保護、裝置過溫保護功能； 具備超前和滯后的功率因數校正功能； 具備動態過溫降載功能； 有源諧波治理系統除作為本地終端為用戶提供電能質量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS企業微電網能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務。 |
有源無功補償系統 | AnCos¨-G Ⅰ型 | 
| 具備無功功率線性補償、三相電流平衡治理和穩定電壓的功能，同時可濾除5、7、11、13次以內的諧波； 具備自動檢測運行、測量監視和定值設定功能； 具備智能散熱和無極調速的功能； 具備動態擴容功能，支持插拔，方便更換； 具備過壓切除、過壓閉鎖、欠壓切除、超溫告警等保護功能； 有源無功補償系統配備有數據處理與分析平臺，通過對采集到的用戶現場數據與補償設備補償算法相結合，為用戶提供定制化的電能質量治理服務， |
混合動態諧波無功補償系統 | AnCos¨/¨-G Ⅰ型 | 
| 核心元器件IGBT選用英飛凌等進口，響應時間快，精度高、運行穩定，能根據系統的無功特性自動調整輸出，動態補償功率因數； 采用全數字、模塊化控制方式，采用DSP＋FPGA高速檢測和運算的數字控制系統監控及顯示系統； 同時具備諧波治理、無功功率線性補償與三相電流平衡治理和穩定電壓的功能； 諧波補償次數：2-51次，可對2次～31次諧波電流進行全補償，或僅對諧波進行補償； 具備遠程通訊接口功能，并可通過PC機進行實時監控； 分層式系統設計，三層系統各自獨立且相互耦合。基于谷歌Flutter框架構建的遙信、遙控軟件平臺，具備遠程服務與數據處理功能，并支持IOS、安卓、PC多平臺交互。 |
6.2就地治理
核磁共振器MRI、CT機、X光機及UPS作為醫療行業中重要的末端設備，運行過程中不可避免的對整個醫療供配電系統中產生諧波污染，電流畸變率一般會達到40%~50%。同時醫院照明普遍采用LED熒光燈、金鹵燈、調光器等，此類照明裝置主要負荷類型為開關電源型，諧波電流以3次諧波電流為主，3次諧波電流作為零序電流，三相矢量角度一致，因此向N線進行疊加，導致N線電流過大。針對以上負載情況，建議在各重要設備的配電箱增加電能質量補償設備進行就地治理，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個配電系統和其他用電設備。
就地治理的產品選型見表3
設備名稱 | 產品型號 | 產品圖片 | 功能特性 |
APM系列 多功能網絡儀表 | APM510/520 | 
| 按 IEC 國際標準設計，具有全電量測量、電能統計、電能質量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功能及網絡通訊等功能，主要用于電網供電質量的綜合監控。該系列儀表配有功能豐富的 DI/DO 模塊、AO 模塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現電氣回路全電量測量及開關狀態監控。 |
有源無功補償系統裝置 | AnCos¨ Ⅰ型 | 
| 具備無功功率線性補償、三相電流平衡治理和穩定電壓的功能，同時可濾除5、7、11、13次以內的諧波； 具備自動檢測運行、測量監視和定值設定功能； 具備智能散熱和無極調速的功能； 具備動態擴容功能，支持插拔，方便更換； 具備過壓切除、過壓閉鎖、欠壓切除、超溫告警等保護功能； |
中線安防保護器 | ANSNP70-0.4/B | 
| DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數字控制算法； 末端治理，可濾除中性線中由3N次諧波或三相不平衡造成的過大電流； 具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能； 采用4.3英寸屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制； 多機并聯，達到較高的電流輸出等級； 壁掛式模塊設計，體積小，安裝便利，方便擴容。 |
諧波保護器 | ANHPD | 
| 吸收3kHz~10MHz頻率各種能量的諧波干擾； 消滅高次諧波、高頻噪聲、脈沖尖峰、浪涌等干擾； 矯正電壓、電流波形，克服由于高頻諧波污染引起的干擾，保障設備的安全運行。 |
有源諧波治理系統裝置 | AnSin¨ Ⅰ型 | 
| 壁掛式，可進行末端諧波治理； 功能設置：只補償諧波、只補償無功、既補償諧波又補償無功； 保護類型：直流過壓保護、IGBT過流保護、裝置過溫保護、輸出限幅保護等； 采用DSP+FPGA全數字控制方式，并聯在系統中，兼補諧波和無功； 兼補諧波和無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償； 基于谷歌Flutter框架構建的遙信、遙控軟件平臺，具備遠程服務與數據處理功能，支持IOS、安卓、PC多平臺交互； 具備超前和滯后的功率因數校正功能，可將三相不平衡負荷調整至平衡； |
7上海某中心人民醫院電能質量治理項目案例
7.1項目背景
以上海某中心人民醫院諧波治理和無功補償項目為例，考慮到醫院復雜的各種先進醫療設備如核磁共振、 CT機、 血透機等，同時各種LED節能照明設備、變頻空調、電梯設備等大量投入使用，使用過程中會產生大量的諧波，對醫院中1-4號變壓器進線柜和4號變壓器無功柜進行測量，并根據具體測量數據給出相應的治理方案。
7.2測量結果
以1號變壓器為例，變壓器負載側和進線側測量數據分別如下：
負載側
進線側
變壓器負載側測量數據總結 |
| 電流（A） | 電流畸變率(%) | 諧波電流(A) | 電壓畸變率(%) | 功率因數 | 3次諧波 | 5次諧波 | 7次諧波 | 9次諧波 |
A | 1029.5 | 8.16 | 84.01 | 2.14 | 0.96 | 51.5 | 60.4 | 13.1 | 10.6 |
B | 964.8 | 8.86 | 85.48 | 2.04 | 0.96 | 47.8 | 65.2 | 12.9 | 8.7 |
C | 987.5 | 7.56 | 74.65 | 1.98 | 0.95 | 43.4 | 52.9 | 17.2 | 9.1 |
變壓器進線側側測量數據總結 |
| 電流（A） | 電流畸變率(%) | 諧波電流(A) | 電壓畸變率(%) | 功率因數 | 3次諧波 | 5次諧波 | 7次諧波 | 11次諧波 |
A | 994 | 7.76 | 77.13 | 2.30 | 0.97 | 45.6 | 52.3 | 17.0 | 15.5 |
B | 954.7 | 8.58 | 81.91 | 2.34 | 0.97 | 48.7 | 56.9 | 14.0 | 11.9 |
C | 944.7 | 7.45 | 70.38 | 2.17 | 0.97 | 41.8 | 43.9 | 18.0 | 13.9 |
由上述兩組數據可看出，一號變壓器無功補償前功率因數0.95，現場只投入兩組，補償后功率達到0.97，諧波的主要次數為3次，5次和7次，對于5次和7次諧波可通過在配電房集中治理，消滅諧波對整個供配電系統、變壓器、無功柜和其它用電設備的影響；通過數據得到由于3次諧波在N線線性疊加，N線電流約140A，對其進行末端就地治理，防止諧波對N線造成損害，保護線路，同時阻止火災的發生。
7.3治理方案
由于系統中無功柜均為純容性，較易與諧波電流產生諧振現象，放大諧波電流，使無功柜受到損害，在諧波較大的場合建議改造，具體方案如下：
方案一：集中治理：建議配電房無功柜改造，并串接14%電抗，結合AnSin-G Ⅰ型有源諧波治理系統裝置進行集中諧波治理；無功柜未投入時功率因數較好，若不改造，在不影響功率因數的基礎上可先暫停，直接裝設有源諧波治理系統裝置進行諧波治理。
方案二：就地治理：建議在樓層配電間或負載末端加裝ANSNP中線安防保護器，治理3N次諧波和三相不平衡導致N線電流過大問題，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個配電系統和其他用電設備。
8結論
現代醫療行業中的設備普遍采用電力電子變流和控制器件，使醫院非線性醫療設備負荷的種類和數量迅速增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統和醫療設備帶來巨大危害。但醫院供配電系統諧波問題一直沒得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經濟損失相當巨大。通過對醫院供配電系統電能質量進行研究，結合系統平臺提出合理的整體解決方案，對改良供電質量，提高電網的安全和經濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義。
