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醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案

發(fā)布時間: 2022-09-24  點擊次數(shù): 723次

安科瑞 陳聰

摘要:醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展與建設(shè)離不開電。醫(yī)療行業(yè)的配電系統(tǒng)是保證醫(yī)院供電的一項重要因素。隨著我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展與進步,醫(yī)院的供電設(shè)施也得到了很大的改良以及提高。在發(fā)展的過程中,各種技術(shù)使得我國醫(yī)院的配電系統(tǒng)得到了逐漸的完善。一些大型醫(yī)院裝備了許多電子醫(yī)技設(shè)備.這些設(shè)備共同的特點是:設(shè)備運行會產(chǎn)生大量的諧波;對電源質(zhì)量要求很高。醫(yī)療設(shè)備所在配電系統(tǒng)中,如果存在大量的諧波,會使電壓、電流波形發(fā)生畸變,影響系統(tǒng)供電質(zhì)量。同時還對其它供電及用電設(shè)備造成危害:縮短設(shè)備使用壽命,干擾重要醫(yī)療設(shè)備的正常工作。醫(yī)院配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理已成為醫(yī)院和設(shè)計部門須考慮。

關(guān)鍵詞:醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng);醫(yī)療設(shè)備;電能質(zhì)量;諧波危害及治理;系統(tǒng)解決方案

1引言

在醫(yī)院的發(fā)展以及運行中,需要采用高科技等技術(shù)手段來滿足醫(yī)院供電設(shè)施的要求,從而逐漸實現(xiàn)醫(yī)院的科學(xué)用電以及節(jié)能用電等,這樣能夠合理地減少醫(yī)院的成本。醫(yī)院供配電系統(tǒng)是醫(yī)院工作的基礎(chǔ)平臺,包含各類非線性、時變性電器設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用,若不治理,不僅會影響設(shè)備的正常運行,嚴(yán)重時甚至?xí){患者的生命安全,因此對醫(yī)院供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理的深入分析研究勢在必行。

2醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng)諧波源及其特點

醫(yī)療行業(yè)供配電系統(tǒng)中的諧波源主要可分為醫(yī)療設(shè)備、信息通信設(shè)備和電器設(shè)備三大類,具有頻譜寬、畸變率高、種類雜和數(shù)量多等特點。

2.1醫(yī)療設(shè)備

醫(yī)院的95%醫(yī)療設(shè)備含有大量的電力電子器件,工作時不可避免的產(chǎn)生諧波污染。常見的醫(yī)療設(shè)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(shù)字造影儀DSI等。

作為當(dāng)前醫(yī)學(xué)診斷的主要檢查設(shè)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(fā)生器先將三相交流電整流成直流,再經(jīng)并聯(lián)逆變器逆變?yōu)轭l率高達1×104Hz的交流,通過倍壓整流產(chǎn)生大于30KV的穩(wěn)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(chǎn)生大量諧波,嚴(yán)重時總諧波畸變率可達30%。

醫(yī)學(xué)上的核磁共振儀(MRI)依據(jù)“核磁共振"原理,產(chǎn)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(yī)院腫瘤放射治療領(lǐng)域運用較為廣泛。系統(tǒng)所需高頻電源、直流高壓電源的產(chǎn)生和脈沖調(diào)制器及脈沖電壓穩(wěn)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(chǎn)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(shè)備

為了存儲海量信息和方便辦公,現(xiàn)在大型醫(yī)院基本建立了醫(yī)院信息系統(tǒng)。系統(tǒng)本身功能強大,通常包括醫(yī)療信息系統(tǒng)、臨床信息系統(tǒng)、視頻視教和遠程醫(yī)療等系統(tǒng)。信息系統(tǒng)一般由成千上萬臺計算機和不計其數(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備構(gòu)成,與醫(yī)院的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)一樣,運行過程必將產(chǎn)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(wěn)壓、穩(wěn)頻、純凈的50Hz交流電,向負載供電。當(dāng)市電異常或供電中斷時,逆變器改由電池提供能量繼續(xù)工作,保證無間斷地給用電設(shè)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(dāng)市電停電或電壓過低時則由電池經(jīng)逆變器向負載供電。EPS和UPS均采用了IGBT技術(shù)和PWM技術(shù),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(shè)備

醫(yī)院內(nèi)電梯、空調(diào)、變頻水泵、通風(fēng)、照明設(shè)備等都將產(chǎn)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(dāng)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(yī)院均采用變頻空調(diào)及風(fēng)機,而變頻器是典型的諧波源,會產(chǎn)生大量5次、7次諧波污染電網(wǎng)。

醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源、諧波次數(shù)和畸變率情況如表1所示,可見醫(yī)院典型設(shè)備產(chǎn)生的諧波主要為3次、5次、7次。正是這些設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生諧波,使醫(yī)院的電能質(zhì)量受到影響,而受到影響的電能又反過來影響設(shè)備的正常使用。

3醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生諧波對配電系統(tǒng)危害

正常的供電網(wǎng)絡(luò)所提供的電壓應(yīng)該是單一的固定頻率和規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn),對供電電網(wǎng)是一種污染,它對用電設(shè)備正常運行造成危害。醫(yī)療設(shè)備對配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波的危害主要體現(xiàn)在如下方面:

3.1對電網(wǎng)的影響

電網(wǎng)中的諧波會增加系統(tǒng)損耗,使設(shè)備發(fā)熱,影響設(shè)備使用壽命。此外當(dāng)并 聯(lián)的無功補償電容器容抗Xcn與系統(tǒng)感抗Xsn匹配時即Xcn=Xsn,將發(fā)生n次并聯(lián)諧振,造成電容器組的過電壓和過電流。當(dāng)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(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源和諧波畸變率情況


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(chǎn)生諧振,增加變壓器發(fā)熱,甚至引起局部嚴(yán)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(chǎn)生機械振動、噪聲和諧波過電壓,降低其工作效率。三相感應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致絕緣部分老化,縮短使用壽命。當(dāng)諧波次數(shù)較高時,電容器呈現(xiàn)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(zhì)損耗增加,其直接后果是額外的發(fā)熱和壽命縮短。電容器和電源電感結(jié)合也會構(gòu)成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路,在諧振情況下諧波電流會被放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍,終會導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的影響

諧波對通信系統(tǒng)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(wǎng)中不平衡諧波電流對通信系統(tǒng),輕則產(chǎn)生噪聲干擾,降低通信質(zhì)量,重則導(dǎo)致信息丟失,使系統(tǒng)無法正常工作。在多個中性點接地電網(wǎng)中,如有較大零序分量諧波電流通過中性點流入大地,將嚴(yán)重干擾附近通信系統(tǒng)。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(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng),輕則引起可以察覺的雜音甚至觸發(fā)電話響鈴,重則危及設(shè)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(dǎo)致感應(yīng)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(qū)分零序電流和次諧波電流,導(dǎo)致誤跳閘。由于大多數(shù)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(shè)計,對非正弦信號呈現(xiàn)出不同響應(yīng)特性,當(dāng)有諧波時會產(chǎn)生測量誤差。

4醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量治理需求分析及主要特征

4.1需求分析

醫(yī)療設(shè)備的進步,體現(xiàn)著現(xiàn)代醫(yī)院診療水平,醫(yī)院的電磁環(huán)境因此發(fā)生了較大變化?,F(xiàn)代化醫(yī)院通過不斷引入新型、復(fù)雜的電子醫(yī)療系統(tǒng)來提高醫(yī)療服務(wù)水平。諧波干擾問題必將成為醫(yī)院現(xiàn)代化進程中須重視的問題。醫(yī)院建設(shè)、管理,電氣工程設(shè)計是以后發(fā)展過程中須考慮的問題。

其原因有二:一是因為當(dāng)前電子技術(shù)正朝著高頻、高速、高靈敏度、高可靠性、多功能、小型化方向發(fā)展,導(dǎo)致了現(xiàn)代電子設(shè)備產(chǎn)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(wǎng)的諧波干擾和反串也日益嚴(yán)重。諧波不僅降低電網(wǎng)的供電品質(zhì),還會嚴(yán)重危及醫(yī)療設(shè)備供配電系統(tǒng)的電力器件的運行,容易產(chǎn)生誤動作,擊穿電容補償柜,對小型儀表類醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生電源干擾。所以電力諧波是個不容忽視的問題,應(yīng)以重視。

4.2醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量主要特征:

1)對電能質(zhì)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(jù)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(xiàn)。

5醫(yī)療行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案

5.1解決方案

隨著各種醫(yī)療設(shè)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(fā)射計算機斷層掃描機、全自動生化儀、采用電磁波技術(shù)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(shù)在現(xiàn)代醫(yī)院的應(yīng)用,生物醫(yī)學(xué)工程在現(xiàn)代化醫(yī)院中所起的作用越來越重要。這些儀器在保證醫(yī)療質(zhì)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(chǎn)生嚴(yán)重危害,特別是諧波造成的電壓波動會影響醫(yī)療設(shè)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(guān)注的是,醫(yī)院是對電能質(zhì)量要求很高的場合,意外斷電和電網(wǎng)干擾對醫(yī)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(wǎng)環(huán)境要求很高,因為國外已經(jīng)很早就重視了電能質(zhì)量問題而進行了嚴(yán)格限制,很多儀器不能保證在諧波環(huán)境下正常檢測,甚至?xí)绊懫涫褂脡勖?/span>

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運維與電能質(zhì)量治理等方面的需求,致力于為醫(yī)療行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案,從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來滿足用戶的需要,為用戶創(chuàng)造價值。

5.2方案特點

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運維等功能外,亦可通過接入AcrelEMS-MED醫(yī)療建筑綜合能效管理平臺,為用戶提供遠程在線服務(wù);

全控技術(shù)實現(xiàn)電能質(zhì)量;

電能質(zhì)量監(jiān)測:電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測,測量精度高、測得準(zhǔn),符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn);

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置整體設(shè)計,通過上位平臺實現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制;

高品質(zhì)電能質(zhì)量治理:配套電力電子裝置技術(shù)過關(guān)、質(zhì)量過硬,具備網(wǎng)絡(luò)化、可調(diào)控、快速響應(yīng)的性能;

電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同:配電監(jiān)控管理與運維、電能分析與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享融通,為企業(yè)電能供給與消費提供控制手段。

5.3方案價值

全方面監(jiān)測電能質(zhì)量,保障供電可靠性

對供電回路的電氣參數(shù)進行全方面監(jiān)測,確保設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發(fā)生時全部數(shù)據(jù)信息,支持開展故障追蹤與問題定位。

完整電能質(zhì)量治理

通過集中+就地整體電能質(zhì)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(yī)療供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量,減少對其它供電及醫(yī)療設(shè)備造成危害。

數(shù)據(jù)應(yīng)用及增值服務(wù)

系統(tǒng)提供多維度的用電指標(biāo)統(tǒng)計與電能數(shù)據(jù)分析工具,為配電系統(tǒng)運行管理優(yōu)化和節(jié)能降耗提供指導(dǎo)。

6安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型

6.1集中治理

針對醫(yī)療行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的電梯、空調(diào)、風(fēng)機、大型水泵等電器設(shè)備及數(shù)量較多的計算機和音頻等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備,為減少諧波對電網(wǎng)側(cè)的危害和影響,同時確保無功功率因數(shù)達到國標(biāo)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(tǒng)進行電能質(zhì)量在線監(jiān)測,其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測等,其集中治理的產(chǎn)品選型見表2。


2電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表

6.2就地治理

核磁共振器MRI、CT機、X光機及UPS作為醫(yī)療行業(yè)中重要的末端設(shè)備,運行過程中不可避免的對整個醫(yī)療供配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波污染,電流畸變率一般會達到40%~50%。同時醫(yī)院照明普遍采用LED熒光燈、金鹵燈、調(diào)光器等,此類照明裝置主要負荷類型為開關(guān)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(dǎo)致N線電流過大。針對以上負載情況,建議在各重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補償設(shè)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(tǒng)和其他用電設(shè)備。

就地治理的產(chǎn)品選型見表3


7上海某中心人民醫(yī)院電能質(zhì)量治理項目案例

7.1項目背景

以上海某中心人民醫(yī)院諧波治理和無功補償項目為例,考慮到醫(yī)院復(fù)雜的各種醫(yī)療設(shè)備如核磁共振、 CT機、 血透機等,同時各種LED節(jié)能照明設(shè)備、變頻空調(diào)、電梯設(shè)備等大量投入使用,使用過程中會產(chǎn)生大量的諧波,對醫(yī)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(jù)具體測量數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的治理方案。

7.2測量結(jié)果

以1號變壓器為例,變壓器負載側(cè)和進線側(cè)測量數(shù)據(jù)分別如下:

負載側(cè)

進線側(cè)

由上述兩組數(shù)據(jù)可看出,一號變壓器無功補償前功率因數(shù)0.95,現(xiàn)場只投入兩組,補償后功率達到0.97,諧波的主要次數(shù)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(tǒng)、變壓器、無功柜和其它用電設(shè)備的影響;通過數(shù)據(jù)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(zāi)的發(fā)生。

7.3治理方案

由于系統(tǒng)中無功柜均為純?nèi)菪裕^易與諧波電流產(chǎn)生諧振現(xiàn)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(jié)合AnSin-G Ⅰ型有源諧波治理系統(tǒng)裝置進行集中諧波治理;無功柜未投入時功率因數(shù)較好,若不改造,在不影響功率因數(shù)的基礎(chǔ)上可先暫停,直接裝設(shè)有源諧波治理系統(tǒng)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(dǎo)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(tǒng)和其他用電設(shè)備。

8結(jié)論

現(xiàn)代醫(yī)療行業(yè)中的設(shè)備普遍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)濟損失相當(dāng)巨大。通過對醫(yī)院供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量進行研究,結(jié)合系統(tǒng)平臺提出合理的整體解決方案,對改良供電質(zhì)量,提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行,保障設(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義。


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