医院供配电系统谐波危害及治理 李志东，龙 燕，刘学义，张小琴 （解放军后勤工程学院，重庆４０１３１１） 【摘要】 论文从典型医疗设备工作原理出发，概述了医院供配电系统中的谐波源及其特点。对医疗 设备所产生谐波对供配电系统的危害，以及配电网中的谐波对医疗设备的危害进行了深入分析研究，并总结 了谐波治理的主要措施。 【关键词】 医院供配电系统； 医疗设备； 谐波危害；谐波治理 【中图分类号】ＴＭ７２ 医院供配电系统是医院工作的基础平台，包含各类非线 性、时变性电器设备和医疗设备。它们产生的谐波相互作 用，若不治理，不仅会影响设备的正常运行，严重时甚至会威 【文献标志码】Ｂ 机的主要部件为光球管和高压整流器。由于高压整流器的 整流桥工作时将产生较大谐波，加上ｘ光机的瞬时工作特 性，使得其谐波畸变率可达３０％一５０％。 １．２信息通信设备 胁患者的生命安全，因此对医院供配电系统谐波及其治理的 深入分析研究势在必行…。 为了存储海量信息和方便办公，现在大型医院基本都建 立了医院信息系统。它功能强大，通常包括医疗信息系统、 临床信息系统、视频视教和远程医疗等系统 Ｊ。系统包含成 １ 医院供配电系统谐波源及其特点 医院供配电系统中的谐波源主要可分为医疗设备、信息 通信设备和电器设备三大类，具有频谱宽、畸变率高、种类杂 和数量多等特点。 １．１医疗设备 千上万台计算机和不计其数的网络连接设备，他们和医院的 视频监控系统和音频系统一样，都将产生谐波电流。 ＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）先将市电整流变换成 直流电，一路给电池充电，另一路给逆变器供电，将直流电变 换成稳压、稳频、纯净的５０Ｈｚ交流电，向负载供电。当市电 异常或供电中断时，逆变器改由电池提供能量继续工作，保 证无间断地给用电设备供电。ＥＰＳ（Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ） 在市电正常时由市电输出供电，同时对电池充电，当市电停 电或电压过低时则由电池经逆变器向负载供电。ＥＰＳ和 医院的医疗设备含有大量的电力电子器件，工作时不可 避免的产生谐波污染。常见的有ＣＴ机、核磁共振仪ＭＲＩ、直 线加速器、ｘ线机、心血管造影机ＤＳＡ和数字造影仪ＤＳＩ等。 作为当前医学诊断的主要检查设备，ＣＴ机临床运用十 分广泛，且价格十分昂贵。工作时，高频高压发生器先将三 相交流电整流成直流，再经并联逆变器逆变为频率高达１ Ｘ １Ｏ Ｈｚ的交流，最后通过倍压整流产生大于３０ ｋＶ的稳定高 压给球管两端供电。整个工作过程既进行整流又进行逆变， 会产生大量谐波，严重时总谐波畸变率可达３０％。 医学上的核磁共振仪（ＭＲＩ）依据“核磁共振”原理，利用 磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核（Ｈ＋）发生章动 产生射频信号，再经计算机处理分析释放的电磁波，来绘制 ＵＰＳ均采用了ＩＧＢＴ技术和ＰＷＭ技术，进行整流和逆变时都 会带来谐波污染，是不可忽视的谐波源。对大功率ＵＰＳ来 说，如果整流装置为三相全控桥６脉冲整流器，总谐波畸变 率将近３０％ ４０％ 。 １．３电器设备 医院里的电梯、空调、变频水泵、照明设备等都将产生畸 变谐波。如大量使用的荧光灯，会引起较大的谐波电流，其 中３次谐波为最高。当多个荧光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。大部分医院均采用变 人体内部的精确立体图像。产生核磁共振所需交变磁场和 无线电射频脉冲都将带来谐波污染，正常工作时ＭＲＩ的谐波 畸变率在２０％左右。 频空调及风机，而变频器是典型的谐波源，会产生大量５次、 ７次谐波污染电网。 直线加速器是指用微波电磁场加速电子的直线型加速 器，在医院肿瘤放射治疗领域运用较为广泛。所含磁控管和 医院配电系统主要谐波源、谐波次数和畸变率情况如表 １所示 。 ，可见医院典型设备产生的谐波主要为３次、５ 次、７次。正是这些设备在运行过程中产生谐波，使医院的 电能质量受到影响，而受到影响的电能又反过来影响设备的 正常使用。 速调管所需的脉冲高压由脉冲调制器供给，而脉冲调制器一 般采用软管线性脉冲调制器。通过直流高压电源对充电变 压器和脉冲形成电容器进行谐振充电。在电压稳定度要求 较高时，调制器还需采用脉冲电压稳定装置。系统所需高频 电源、直流高压电源的产生和脉冲调制器及脉冲电压稳定装 置都将造成谐波污染，电流总谐波畸变率可达４０％～５０％。 ｘ光机为典型的瞬时性负荷，工作时电压可达几十甚至 ［定稿日期］２０１３—０９—０６ ［作者简介］李志东（１９８８～），男，硕士研究生。 上百千伏，变压器原边将增加６Ｏ一７０ ｋＷ的瞬时负荷。ｘ光 ２２４ 四ＪＩｌ建筑第３４卷２期２０１４．０４ 表１ 医院配电系统主要谐波源和谐波畸变率情况 分类 谐波源名称 主要谐 波次数 ５、其中： 为总谐波涡流损耗； 为额定基波电流的涡流 损耗；， 为ｎ次谐波电流；， 为额定基波电流 Ｊ。 ２．４对电容器组的影响 总谐波 畸变率 １Ｏ％一５Ｏ％ ＭＲＩ、ＣＴ、ＤＳＡ、ＰＥＴ、 ＣＴＥＣＴ、在谐波的作用下电容器将过热，导致绝缘部分老化，缩 ７ ＤＲ（三相大型） 短使用寿命。当谐波次数较高时，电容器呈现低阻抗特性， 流过电容器的电流将变大，使得电容器处在过载的工作情 医 疗 设 备 彩超、监护仪、生化及 血气分析仪（单相小型） 、３、５ １５％一３Ｏ％ 况，缩短使用寿命。谐波往往还会使电容器介质损耗增加， 其直接后果是额外的发热和寿命缩短。电容器和电源电感 结合也会构成并联或串联谐振电路，在谐振情况下谐波电流 加速器ｘ光机、胃肠镜 ３、５、７、９、１１ ，３ ５０％一６０％ 手术室设备、伽玛刀 空气压缩机、口腔科手机 计算机 ３、５、７、９ ３、５、７ ３、５，７ ９ ３、５、７ ５ ７、１１ ｌ０％一１５％ ４０％一５Ｏ％ １０％ ２Ｏ％一３Ｏ％ ３Ｏ％一４０％ 会被放大数倍甚至数十倍，最终导致电压会大大高于电容器 的额定电压值，使电容器损坏炸裂或保护熔断器熔丝熔断。 ２．５对通信系统的干扰 信 息 通 信 设 备 单相ＵＰＳ、ＥＰＳ 三相ＵＰＳＥＰＳ 视频音频等设备 、、谐波对通信系统干扰的大小由三个因素综合决定：电力 线路谐波电压和谐波电流大小，电力线路和通信线路之间的 耦合强度，通信线路对谐波干扰的敏感程度。电网中不平衡 谐波电流对通信系统，轻则产生噪声干扰，降低通信质量，重 则导致信息丢失，使系统无法正常工作。在多个中性点接地 电网中，如有较大零序分量谐波电流通过中性点流人大地， 将严重干扰附近通信系统。通常音频通道的频率为２００— ３５００ Ｈｚ，而很多谐波也在这个范围，易对临近的电话线路产 ５、７ ３、５、７ ５ ７ ５ ７ ３ ５％～１Ｏ％ ５％一１Ｏ＆ ２５％一３５％ ３０％一５Ｏ％ ７％ 网络通信设备 变频空调、风机、 器 设 备 电 电梯、水泵 照明设备（荧光灯、 金卤灯、调光器） 生静电感应和电磁感应，轻则引起可以察觉的杂音甚至触发 ２ 医疗设备产生谐波对配电系统危害 ２．１对电网的影响 电话响铃，重则危及设备和操作人员安全。 ２．６对继电保护和电气测量仪表的影响 只要通入谐波有效值和基波相同，就可引起电磁式继电 器误动作，导致感应型继电器运动过程来回摆动，机电型继 电网中的谐波会增加系统损耗，使设备发热，影响设备 使用寿命。此外当并联的无功补偿电容器容抗 与系统感 抗 匹配时即Ｘ。 ＝Ｘ ，将发生ｎ次并联谐振，造成电容器 组的过电压和过电流。当基波频率为，。时，谐振频率，ｒ可 由式（１）计算得出。其中：Ｊｓ。为电源短路容量；Ｑ 为电容器 容量。 电器时间延时特性改变，零序电流继电器不能区分零序电流 和次谐波电流，导致误跳闸。由于大多数电气测量仪表，如 电流表、电压表、功率表都是按工频正弦波来设计，对非正弦 信号呈现出不同响应特性，当有谐波时会产生测量误差。 ， Ｊｒ √ ２．２对电机的影响 （１） ３配电网谐波对医疗设备的危害 ３．１对影像类设备的影响 磁共振成像、螺旋ＣＴ扫描仪、彩超、心脑电图机和Ｘ线 谐波对电机的主要影响是引起附加损耗，此外还将产生 机等医学影像设备受谐波干扰时，其内嵌的电子元件可能会 记录噪声并改变数据输出，使显像管显示图象变形失真，成 像模糊不清，影响医疗诊断结果。 ３．２对监护类设备的影响 机械振动、噪声和谐波过电压，降低其工作效率。三相感应 电动机的ｎ次谐波电流大小可通过式， ＝Ｕ ／ｎｆ。Ｌ， 计算得 到。由于电压畸变引起的附加铁心损耗很小，可以忽略不 计。所以感应电动机整个谐波损耗即铜耗，其计算公式如式 （２）所示。 Ｄ 常见的多功能呼吸机、起搏器、心电监护仪等直接与人 体接触的监护设备信号非常微弱，当受到微小谐波干扰时， 将影响仪器的正常工作，还可能引起微电击。如谐波污染会 造成呼吸机工作失灵，心脏起搏器工作失效，直接危及患者 生命安全。 ３．３对理疗仪器的影响 Ｐ＝∑Ｐ ＝ ｎ＝２ Ｖ１ ｌ， ∑ｕ：／ｎ ＝２ （２） 其中，ｎ为谐波次数； 。为基波电阻 为基波频率； 为定子和转子的外泄漏电感；Ｕ 为ｎ次谐波电压。 ２．３对变压器的影响 医疗系统的理疗仪器主要分为微波、音频、短波等，受谐 谐波会增加变压器的铜耗、铁耗和杂散磁通损耗（线圈 波影响表现出来的特征各不相同。音频类理疗仪器受谐波 涡流损耗），可能在变压器绕阻和线电容之间产生谐振，增大 变压器发热，甚至引起局部严重过热，同时使变压器噪声增 大，减少变压器的实际使用容量，降低变压器的使用寿命。 谐波电流引起的变压器总的涡流损耗可由式（３）求出。 干扰，输出信号中将含有杂波，对患者产生电刺激。当对喉、 头部等重要部位进行治疗时，将产生强烈的刺激感，存在严 重安全隐患。短波仪器受谐波影响更加敏感，仪器会接收并 放大输出系统中的谐波，造成身体局部不适 。 ３．４对医院计算机的影响 Ｗ ＝ ∑（ ） 四ＪＩＩ建筑（３） 医院计算机系统必须全天不问断稳定运行，医疗设备配 第３４卷２期２０１４．０４ ２２５ 置计算机也要求在设备运行时能正常工作。而谐波可通过 电磁感应、静电感应等方式，对计算机网络产生干扰，影响系 统正常运行。谐波干扰还可使单个计算机程序运行错误、死 机或无故重新启动，当共模干扰中的尖峰干扰幅度达到２～ ５０ Ｖ，时间持续数微秒时，就可引起计算机逻辑错误、信息丢 失，造成严重后果。 路的主要功能是从负载电流中实时分离出谐波电流分量和 基波无功电流分量，并将其反相后作为补偿电流的指令信 号。跟踪控制电路再根据检测电路产生的指令信号，计算出 驱动信号并作用于补偿主电路各开关器件，产生有效的补偿 电流，达到消除谐波与无功补偿的目的。 混合型有源滤波器（Ｈｙｂｒｉｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ，ＨＡＰＦ）通 过串联或并联方式将有源滤波器与无源滤波器整合到一起， 先用无源滤波器滤除电流较大、含量较高的谐波，再用有源 滤波器进行滤波，从而降低有源滤波器的容量。它将无源滤 ４医疗配电网谐波治理的主要措施 针对谐波产生的特点谐波治理的措施主要有：受端治 理、主动治理及被动治理三类 。 ４．１受端治理措施 波器的低成本和有源滤波器的优良性能相结合，同时具备了 ＰＰＦ和ＡＰＦ的优点，是一种有前途的滤波及无功补偿方式。 选择合理的供电方式，将谐波源由较大容量的供电点或 由高一级电压的电网供电，以减小谐波对系统和其他用电 设备的影响，并尽量保持负荷的三相平衡；同步电机采用星 型连接；变压器一侧接成三角形。将产生谐波较多的医疗诊 ５结束语 现代医疗设备广泛采用电力电子变流和控制器件，使医 院非线性医疗设备负荷的种类和数量迅速增加，谐波污染日 趋严重，给配电系统和医疗设备带来巨大危害。但医院供配 电系统谐波问题一直没得到足够重视，谐波造成的电能消耗 增加、设备故障、使用寿命缩短等直接和间接经济损失相当 巨大。对医院供配电系统谐波进行研究，对改善供电质量， 断设备与其他设备分开，选用优质Ｄｙｎｌ １型专用变压器为这 些医疗设备供电；将电容器组的某些支路改为滤波器，或限 定电容器组的投入容量，以减小电容器对谐波的放大；提高 设备性能，提高设备抗谐波干扰能力。 ４．２主动治理措施 提高电网的安全和经济运行，保障设备的性能以及降低能耗 均有重要意义。 参考文献 改变谐波源的配置，限制大量产生谐波的工作方式，集 中具有谐波互补性的装置；增加变流装置的相数或脉冲数； 在整流器之前加装串联电抗器，抑制其平滑谐波电流；在自 关断器件构成的变流器中采用ＰＷＭ技术使变流器产生的谐 波频率较高、幅值较小；设计或采用高功率因数变流器，如矩 阵式变频器、四象限变流器等；用多重化技术将多个波叠加， ［１］ 徐天来．医院配电系统的谐波分析及治理［Ｊ］．中外医疗， ２０１０，（３２）：１３—１４ 以消除频率较低的谐波，但这种装置复杂，成本较高。 ４．３被动治理措施 ［２］欧阳东，陈琪，肖昕宇．《医疗建筑电气设计规范》编制概述 ［Ｊ］．智能建筑电气技术，２０１０，４（３）：２—９ ［３］王燕妮，李传伟．ＵＰＳ供电系统在医疗设备上的应用［Ｊ］．中国 医疗器械信息，２０１０，１６（４）：２５—２９ ［４］ 陈众励，翁晓翔，陈杰甫，等．医院医技楼低压配电系统的谐波 状况初探［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（１２）：５４—５６ 被动治理的主要方式是＃ｆ，／Ｊｎ滤波装置，以阻止谐波源产 生的谐波注入电网和电力系统的谐波流入负载，常用的有无 源、有源滤波器和混合型有源滤波器。 无源滤波器（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｈｅｒ，ＰＰＦ）是由电容、电感 和电阻等无源元件构成的谐振电路。传统的谐波抑制和无 ［５］任宝立，刘晓峰．医院配电系统的谐波治理［Ｊ］．建筑电气， ２００９，２７（７）：２７～２９ 功补偿方法是将无源滤波器与需补偿的非线性负载并联，滤 波器对某些谐波频率谐振形成低阻通路，使相应的谐波电流 流入无源支路而避免流入电网，在滤除谐波的同时也适当地 补偿了无功功率。 有源滤波器（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ）主要由谐波和无 功电流检测电路、跟踪控制电路和补偿主电路构成。检测电 ［６］程浩忠，艾芊，张志刚，等．电能质量［Ｍ］．清华大学出版 社，２００６ ［７］李灿良，龙燕，魏承志．医疗配电网谐波危害及治理［Ｊ］．中国 储运，２０１２，（６）：１２９—１３１ ［８］张铁龙，徐公林，桃霞．谐波抑制与滤波器的应用［Ｊ］．电气开 关，２００９，（４）：７５—７８ 地震海啸是怎样形成的 海啸是一种具有强大破坏力的海浪，除了地震以外，海底火山爆发或海底塌陷、滑坡等也能引起海啸。 由深海地震引起的海啸称为地震海啸。地震时海底地层发生断裂，部分地层出现猛烈上升或下沉，造成从海底到 海面的整个水层发生剧烈“抖动”，这就是地震海啸。海啸形成后，大约以每小时数百千米的速度向四周海域传播，一 旦进入大陆架，由于海水深度急剧变浅，使波浪高度骤然增加，有时可达二三十米，从而会对沿海地区造成严重灾害。 从历史记录和科学分析来看，远洋海啸对我国大陆沿海影响较小。但我国台湾沿海，尤其是台湾东部沿海，地震 海啸的威胁不容忽视，尤其是由近海地震引起的局部海啸，应给予高度关注。 ２２６ 四ＪＩＩ建筑第３４卷２期２０１４．０４