关于医院电气设备谐波治理分析
安科瑞 陈聪
摘要：随着各种电气设备在医院诊疗中的使用，谐波源越来越多，通过分析谐波的产生以及形成危害的原因，减少对线路及电源处造成的谐波污染，通过提出一种谐波治理方案，加装谐波保护柜，实现保障电动机设备用电环境等多方面的治理效益，以期达到谐波治理的效果。
关键词：谐波；谐波治理；ANAPF系列有源电力滤波器
0、引言
随着各种电气设备在医院诊疗中的使用越来越广泛，谐波源越来越多，造成线路及电源处的谐波污染也越来越大。某医院变电所有电源进线柜3个，现场的配电系统存在以下问题：出现配电线路损耗增大、发热、缩短绝缘寿命；出现电容器等设备烧毁现象；出现部分医疗设备(如核磁共振、CT)数据失真、损坏，瞬时掉电等现象。经初步判断，系统中电力侧谐波和用户侧谐波的含量都比较大，需要做一个的谐波检测。
1、谐波的检测、分析及建议治理方案
电能质量分析仪如图1所示。
图1 电能质量分析仪
谐波检测位置如图2所示，椭圆处表示为测试示意位置
图2 谐波检测位置
对各电源进线柜点缓解温室效应、优化空气质量,做到节能减排、环保出行。
表1 各电源进线柜测量数据
| 测试点 | 谐波含量(THDA) | 功率因数 |
| 1# 变压器电源进线柜 | 14．1% | 0.88 |
| 4# 变压器电源进线柜 | 17．2% | 0.85 |
| 5# 变压器电源进线柜 | 9．2% | 0.66 |
1#变压器电源进线柜监测得到数据如图3所示。
图3 1#变压器电源进线柜监测得到数据
对测试数据进行分析可以得出以下结论:测量时系统电流为 698 A,三相电流相对平衡;负载在无电容柜运行时功率因数为 0.88;电流波形畸变非常明显,出现马鞍形,畸变严重;总电流畸变率在测试过程中最高达 14.1% ;3、5、7、9 次谐波都非常高，谐波相对基波比例分别为 11.0%6.6%,0.4%、4.8%。
此阶段谐波电流大小可根据公式 = lxTHD%，电流、畸变率以测量时计,谐波电流为98 A,考虑到谐波治理的必要性及负载的变化等因素,根据经验可知,治理容量需要相对放大余量进行,建议本段母线的可选治理容量为 100 A。同理,4*进线柜谐波电流为 117 A,建议本段母线的可选治理容量为 125 A;5*变压器电源进线柜谐波电流为 36 A,建议本段母线的可选治理容量为 75 A。
产生的问题因谐波引起，因此提出了针对电流谐波治理的建议方案:1变压器电源进线柜，安装 100 A 谐波保护柜;4"变压器电源进线柜，安装 125 A 谐波保护柜;5变压器电源进线柜,安装75 A谐波保护柜。谐波保护柜安装点如图4 所示。
图4 谐波保护柜安装点
2、谐波的分析及危害成因
2．1谐波的产生
谐波产生的原因为非线性负载工作时，由于非线性负载输入端的整流电路阻抗不是一个定值，其阻抗随着外加电压的变化发生变化，导致整流器从电网吸取的电流不是正弦波电流。三相整流器也会产生谐波电流，但是这时对应每个波峰，不是一个脉冲电流，而是两个脉冲电流。无论单相整流器还是三相整流器，其电流波形都发生畸变，不再是正弦波电流，因此包含谐波成分。
2．2谐波的国家标准
(1)根据GB50052-2009《供配电系统设计规范》第5条“电压选择和电能质量”中对电能质量和谐波保护提出要求。第5.0.12中规定:配电系统中的谐波电压和在公共连接点注入的谐波电流允许限值必须符合现行国家标准 GB/T 14549一1993 能质量公用电网谐波》的规定4(2) CB/T 14549-1993 《电能质量公用电网谐波》,对交流额定频率为 50 Hz,标称电压 110 kV及以下的公用电网谐波的允许值已给出明确限制要求。标准要求采用电能质量治理，如谐波保护器、有源滤波器等。
(3)GB 51348-2019《民用电气设计标准》也对精密生产企业的谐波要求提出明确的要求。
在380V低压配电系统中，很多情况下变压器的容量小于10MVA。因此，根据国家规定的谐波换算公式中有在变压器的容量不同于表中的基准短路容量时，可按下式修正表中的谐波电流允许：
式中:SK1———变压器容量；
SK2———基准短路容量；
Ihp———第h次谐波电流允许值；
Ih———变压器容量为SK1时第h次谐波电流允许值。
-
谐波治理效益分析
在加装谐波保护柜后将会带来以下效益：
(1)保障电动机等设备用电环境，降低由于谐波电流和电压对变频器驱动的电动机所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起之额外温升;提高电动机效率，减少转知影响。
(2)直接降低系统中电流畸变率，减少电网中的谐波含量，保证谐波含量符合国家标准。
(3)降低谐波在企业电网中设备产生附加谐波损耗，降低电网线损。在三相四线制系统中,零线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波电流,造成零线过热，严重时造成电缆火灾，经过谐波治理后消除此隐患。峰低谐波产生额外的集肤效应,消除谐波引起的用电设备发热、使绝缘老化、降低设备的使用寿命、甚至关键部件的频紧损坏的问题。
(4)消除谐波使电网与补偿电容器之间发生谐振,避免谐波电流放大几倍甚至数十倍、造成过电流、引起电容器和与之相连设备损坏的问题。
(5)消除谐波对附近系统的信号传输产生干扰。谐波对附近系统的信号传输产生干扰,轻者引入噪声,重者导致信号丢失,使系统无法正常工作。计算机、数据传送和自动控制系统数据丢失经常会造成自动化产品线上废品率的增加。
(6)消除电力系统继电保护误起动,误动作跳闻,拒动和损坏，及经常出现电机保护仪损坏和误动作的问题。
(7)降低电网谐波污染而导致的输电线路、变压器和电机损耗增加，从而节约能源。
(8)消除谐波引起的变压器、旋转电机等铁芯磁感应环流的增加，减小电气设备发热的损耗,降低功耗及绝缘老化,延长设备寿命,防止烧毁旋转电机。
(9)消除因谐波影响而使电能表等计量装置误差增大，不能正确计量电能的现象。
电动汽车充换电站中的充电桩、充能机是一种非线性设备，成片设置后会产生大量谐波，如不加以处理,将对用电计量表、变压器、配电电缆、无功电容补偿器等电力设备造成不良影响,对电网中的电能质量造成严重的负面效应。
4、安科瑞谐波治理产品选型
4.1功能介绍
ANAPF系列有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。
ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。
4.2产品选型
| 立柜式 | 型号 | 补偿电流 | 柜体尺寸 W*D*H(mm) | 进出线方式 | |
|
|
| ANAPF□-380/□G□ | 50~600A | 800*1000*2200 （其他尺寸可定制） | 穿铜排 下进下出 （其他方式可定制） |
| 壁挂式 | 型号 | 补偿电流 | 柜体尺寸 W*D*H(mm) | 进出线方式 | |
|
|
| ANAPF□-380/□B□ | 30A | 480*130*440 | 上进上出 |
| 50A | 480*200*530 | ||||
| 75A | 450*201*622 | ||||
| 100A | 450*201*622 | ||||
| 抽屉式 | 型号 | 补偿电流 | 柜体尺寸 W*D*H(mm) | 进出线方式 | |
|
|
| ANAPF□-380/□C□ | 30A | 480*440*130 | 后进后出 |
| 50A | 480*530*200 | ||||
| 75A | 460*622*201 | ||||
| 100A | 460*622*201 | ||||
4.3技术参数
| 接线方式 | 三相三线或三相四线 |
| 接入电压 | 380V±15% |
| 接入频率 | 50Hz±2% |
| 响应时间 | 完*响应时间≤5ms，瞬时响应时间≤100μs |
| 开关频率 | 20kHz |
| 功能设置 | 只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功 |
| 谐波补偿次数 | 2-51次（全部补偿或指*次数补偿） |
| 损耗 | ≤2.5% |
| 效率 | ≥97.5% |
| 总谐波补偿率 | ≥95% |
| 保护类型 | 直流过压保护、IGBT过流保护、装置过温保护、输出限幅保护等 |
| 冷却方式 | 强制风冷 |
| 噪音 | ≤65dB |
| 工作环境温度 | -10℃～+45℃（环境温度超过工作温度范围降容使用） |
| 工作环境湿度 | ＜85%RH不凝结 |
| 安装场合 | 室内安装 |
| 海拔高度 | ≤1000m（更高海拔需降容使用） |
| 防护等级 | IP20 |
| 智能通信接口 | 外加模块 |
| 远程监控 | 可选 |
| 安装方式 | 立柜式、壁挂式、抽屉式 |
5、总结
结合实际工程案例,对现代医院中出现的谐波及造成的危害性，提出一种谐波解决方案。虽需要投入一定的资金,但从数据安全、用电安全、绿色节能、设备保护等方面带来的经济效益还是十分明显的。
【参考文献】
-
陈义清.医院电气设备谐波治理分析[J].现代建筑电气，2022
-
李志东，龙燕，等.医院供配电系统谐波测量和分析[J].后勤工程学院学报，2014
-
安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版
-
安科瑞电能质量监测与治理选型手册.2019.11版