有源濾波裝置在醫(yī)療中的重要性及應(yīng)用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司  

摘要：現(xiàn)今科技發(fā)展日新月異，醫(yī)療水平不斷提高，同時(shí)也伴隨著各種大型醫(yī)療設(shè)備的引入，這些醫(yī)療設(shè)施中產(chǎn)生大量諧波，給醫(yī)療設(shè)備的電氣安全和設(shè)備的正常工作帶來嚴(yán)重危害，有源濾波裝置成為解決這一問題的關(guān)鍵裝置。

關(guān)鍵詞：有源濾波裝置  諧波  治理  

0.引言

    本文從分析醫(yī)院中哪些設(shè)備是諧波源，分析其危害，提出治理措施，并以實(shí)際案例來分析有源濾波裝置如何選型。

1.醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波源

1.1醫(yī)療設(shè)備

   在醫(yī)療設(shè)備中有大量的電力電子元器件，這些設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波，造成污染。比較常見的設(shè)備有MRI（核磁共振儀）、CT機(jī)、X線機(jī)、DSA(心血管造影機(jī)）等。其中，MRI工作時(shí)會(huì)生成射頻脈沖和交變磁場(chǎng)來產(chǎn)生核磁共振，而射頻脈沖和交變磁場(chǎng)都會(huì)帶來諧波污染；X光機(jī)中高壓整流器的整流橋工作時(shí)將產(chǎn)生較大諧波，而且X光機(jī)為瞬時(shí)性負(fù)荷，工作時(shí)電壓可達(dá)幾十千伏，變壓器的原邊將增加60~70kw的瞬時(shí)負(fù)荷，也會(huì)增加電網(wǎng)諧波。

1.2電器設(shè)備

   醫(yī)院中的通風(fēng)設(shè)備如空調(diào)、風(fēng)機(jī)等，以及照明設(shè)備如熒光燈都會(huì)產(chǎn)生大量諧波。為了節(jié)約能源，醫(yī)院中大都采用變頻風(fēng)機(jī)及空調(diào)。變頻器是一種非常重要的諧波源，其總諧波電流畸變率THD-i達(dá)到33%以上，會(huì)產(chǎn)生大量5、7次諧波電流污染電網(wǎng)。醫(yī)院內(nèi)部的照明設(shè)備中，有大量的熒光燈具，也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流。當(dāng)多個(gè)熒光燈接成三相四線負(fù)載時(shí)，中線會(huì)流過很大的三次諧波電流。

1.3通信設(shè)備

   目前醫(yī)院均為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理，這就表示計(jì)算機(jī)數(shù)量、視頻監(jiān)控和音頻設(shè)備數(shù)量很多，而這些都是典型的諧波源。此外，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的服務(wù)器，配有UPS等備用電源。UPS先將市電整流成直流電，一部分儲(chǔ)存在電池中，另一部分通過逆變器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓交流電向負(fù)載供電；當(dāng)市電終端供應(yīng)時(shí)，改由電池向逆變器供電以繼續(xù)工作，保證負(fù)載的正常運(yùn)作。而我們知道，整流和逆變會(huì)采用到IGBT和PWM技術(shù)，所以UPS在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量3、5、7次諧波電流。

2.諧波對(duì)醫(yī)療設(shè)備的危害

    從上面的描述中我們可以發(fā)現(xiàn)，醫(yī)院的配電系統(tǒng)中有很多諧波源，會(huì)產(chǎn)生大量諧波（以3、5、7次諧波為zui多）嚴(yán)重污染電網(wǎng)，引起諧波超標(biāo)、中性線諧波過載等電能質(zhì)量問題。這些問題都會(huì)影響醫(yī)療設(shè)備的使用。

2.1諧波對(duì)影像采集類設(shè)備的危害

    由于受到諧波的影響，醫(yī)療工作人員經(jīng)常會(huì)遇到設(shè)備故障。這些故障輕則發(fā)生數(shù)據(jù)差錯(cuò)、圖像模糊、信息丟失等問題，重則損壞電路板元器件造成醫(yī)療設(shè)備無法繼續(xù)正常工作；特別是一些成像設(shè)備，受到諧波影響時(shí)內(nèi)部的電子元件可能會(huì)記錄波動(dòng)并改變輸出，將導(dǎo)致波形圖像重疊變形或模糊不清，容易造成誤診。

2.2諧波對(duì)治療護(hù)理儀器的危害

    治療用電子儀器有很多，受諧波危害較大的是手術(shù)治療儀器。手術(shù)治療是指用激光、高頻電磁波、放射線、微波、超聲等單獨(dú)的或配合傳統(tǒng)手術(shù)的治療。相關(guān)設(shè)備受到諧波干擾，輸出信號(hào)中將含有雜波或直接放大諧波信號(hào)，對(duì)患者造成強(qiáng)烈的電刺激，在對(duì)某些重要部位進(jìn)行治療時(shí)，存在重大安全隱患。而護(hù)理儀器比如呼吸機(jī)、起搏器、心電監(jiān)護(hù)儀等都與被監(jiān)護(hù)人的生命息息相關(guān)，有些儀器的信號(hào)本身就非常微弱，當(dāng)受到諧波干擾時(shí)可能導(dǎo)致采集信息錯(cuò)誤甚至無法工作，給患者和醫(yī)院造成重大損失。

3.諧波的治理措施

    根據(jù)諧波的產(chǎn)生原因，其治理措施大致可分為以下三種：減少系統(tǒng)阻抗、限制諧波源、安裝濾波裝置。

3.1減少系統(tǒng)阻抗

    要達(dá)到減少系統(tǒng)阻抗的目的，就要減少非線性用電設(shè)備與電源間的電氣距離，換句話說就是提高供電電壓等級(jí)。比如某鋼廠的主要設(shè)備是電弧爐，原先用35KV供電，由兩個(gè)110KV的變電所分別架設(shè)一回35KV專線供電，在35KV的母線上測(cè)得諧波分量較高；后改用一個(gè)距離只有4公里的220KV變電所架設(shè)5回35KV專線供電，母線上諧波情況明顯好轉(zhuǎn)，此外該廠還使用了較大容量的同步發(fā)電機(jī)，使這些非線性負(fù)荷的電氣距離大大下降，使該廠產(chǎn)生的諧波量減少。這種方法的投資zui大，需要和電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃協(xié)調(diào)，適用于大型工業(yè)項(xiàng)目，而且醫(yī)院要求不間斷連續(xù)供電，一般由兩個(gè)或以上變電所供電，故不優(yōu)先考慮此方法。

3.2限制諧波源

    此法需要改變諧波源的配置，限制大量產(chǎn)生諧波的工作方式，集中使用具有諧波互補(bǔ)性的裝置使設(shè)備諧波互相抵消；增加變流裝置的相數(shù)，使特征諧波次數(shù)提高，從而大大地降低諧波電流的值。這種方法需要重新布置設(shè)備線路，協(xié)調(diào)安排儀器的使用配合，具有較高的局限性。醫(yī)院可以根據(jù)自身情況稍作調(diào)整，可以在一定程度上減少諧波量。

3.3安裝濾波裝置

    目前常用的交流濾波裝置有：無源濾波裝置、有源濾波裝置（APF）兩種。無源濾波裝置又稱LC濾波裝置，是利用LC諧振原理，人為地造成一條串聯(lián)諧振支路，為準(zhǔn)備濾除的特定次數(shù)諧波提供阻抗低的通道，使之不注入電網(wǎng)。無源濾波裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吸收諧波效果較明顯，但于固有頻率的諧波，而且補(bǔ)償特性售電網(wǎng)阻抗的影響很大（在特定頻率下，電網(wǎng)阻抗和LC濾波裝置之間可能會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振）。有源濾波裝置（APF）是一種新型電力電子裝置，用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功。它能夠?qū)崟r(shí)的采集并分析負(fù)載的電流信號(hào)，分離各次諧波和無功，通過控制器控制變流器輸出與諧波及無功電流等幅、反向的補(bǔ)償電流，抵消負(fù)載中諧波電流，從而達(dá)到諧波治理的目的。有源濾波裝置具有實(shí)時(shí)跟蹤、響應(yīng)迅速、補(bǔ)償（可同時(shí)補(bǔ)償無功和2~31次諧波）等的優(yōu)點(diǎn)。

4 ANAPF有源濾波裝置在醫(yī)療中的具體應(yīng)用

    隨著人們生活水平的不斷提高以及人口老齡化加速到來，醫(yī)療服務(wù)需求正在穩(wěn)步增加，醫(yī)療服務(wù)產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，而醫(yī)療行業(yè)zui也是zui重要的代表就是醫(yī)院。由于醫(yī)院特殊的社會(huì)價(jià)值和重要性，其電能質(zhì)量問題的解決刻不容緩。

4.1 ANAPF的選型

    諧波治理的好處，首先就是病患和醫(yī)護(hù)人員的人身安全的到保障，即通過治理諧波減少或其對(duì)配電系統(tǒng)的不良影響，保證變壓器和醫(yī)療儀器的正常運(yùn)行；其次直接體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，即保障低壓電容補(bǔ)償系統(tǒng)的正常運(yùn)行，發(fā)揮其應(yīng)有的作用，降低電網(wǎng)中諧波含量，并且提高功率因數(shù)，減少無功損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

    某市高新區(qū)人民醫(yī)院配電系統(tǒng)，主要負(fù)載為電子醫(yī)療精密設(shè)備、照明及變頻通風(fēng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)及UPS等，其主要負(fù)載諧波電流畸變率大致可參考下表。

    通過現(xiàn)場(chǎng)人員了解到，此次需要治理諧波的負(fù)載集中在4臺(tái)變壓器下，這4臺(tái)變壓器容量分別為：兩臺(tái)1600KVA，具體參數(shù)如圖1所示。

圖1 蘇州高新區(qū)人民醫(yī)院3#變壓器

兩臺(tái)2000KVA，具體參數(shù)如圖2所示。

圖2 蘇州高新區(qū)人民醫(yī)院5#變壓器

    根據(jù)變壓器容量及具體設(shè)備使用情況，我們可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中多數(shù)為非線性設(shè)備，產(chǎn)生了大量諧波，對(duì)無功柜和其他用電設(shè)備均會(huì)產(chǎn)生影響。為了避免這種危害，考慮到治理效果和成本，并結(jié)合客戶治理需求，根據(jù)公式（1）估算，我們此次的方案定為用兩臺(tái)200A的有源濾波裝置和兩臺(tái)250A的有源濾波裝置分別對(duì)4臺(tái)變壓器二次側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償。其中兩臺(tái)1600KVA的變壓器采用200A的APF配套3000/5的采樣電流互感器，兩臺(tái)2000KVA的變壓器采用250A的APF配套4000/5的采樣電流互感器。

 ....................................... 公式（1）              

 ........變壓器負(fù)荷率，即負(fù)荷占變壓器額定容量的比例，通常取0.6~0.8；

 ........電流總諧波畸變率；

 ........變壓器額定容量，單位KVA；

 ........低壓系統(tǒng)電壓，一般取0.38~0.4。

4.2 ANAPF的安裝方式

    本項(xiàng)目柜體采用的是模塊化組合式安裝，如圖1所示，該方式在此項(xiàng)目中有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）可根據(jù)負(fù)載使用變化隨時(shí)增、減APF設(shè)備的容量；

（2）每個(gè)模塊單獨(dú)安裝散熱單元，并可在柜體上加裝散熱風(fēng)扇，散熱效果良好；

（3）多個(gè)模塊之間雖有通訊連接，但各臺(tái)的故障并不會(huì)相互影響其它模塊繼續(xù)工作；

（4）后期維護(hù)方便，可實(shí)現(xiàn)故障模塊單獨(dú)維修、更換；維護(hù)期間ANAPF有源濾波裝置可持續(xù)工作。

                                    圖1 模塊化組合式安裝示意圖

    本項(xiàng)目中的安裝方案為負(fù)載側(cè)集中補(bǔ)償，安裝方便，只需要將柜體放至位置并接入主電路接線以及電流互感器接線即可調(diào)試使用，接線原理圖如圖3所示。

圖3 主回路接線及互感器接線原理圖

    其中主電路接線一端接于主母排并線點(diǎn)，另一端接于ANAPF的柜后進(jìn)線匯流銅排A/B/C/N上；電流互感器套在ANAPF并網(wǎng)點(diǎn)和需要補(bǔ)償?shù)呢?fù)載之間進(jìn)行采樣，然后將信號(hào)接至柜內(nèi)互感器接線端子上。

5.結(jié)語(yǔ)

    從本文中我們可以了解到諧波對(duì)醫(yī)療行業(yè)的危害是很大的，大量的諧波會(huì)影響精密儀器的性能和使用，嚴(yán)重時(shí)可能危及人身安全；還會(huì)增加線路功率損耗和導(dǎo)體發(fā)熱量，降低設(shè)備使用效率和壽命，故治理諧波的重要性不言而喻。通過安裝有源濾波裝置，能夠很好地達(dá)到治理諧波的目的，從而保障人身和設(shè)備安全。從短期來看，治理諧波需要一定的前期資金投入；但從長(zhǎng)久發(fā)展來看，ANAPF有源濾波裝置后期維護(hù)方便，可實(shí)時(shí)投切使用，它治理諧波所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和凈化電網(wǎng)的社會(huì)效益也是很明顯的。

【參考資料】

【1】安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理選型手冊(cè)。2015.08版

【2】安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2013.01.版