浅谈医院谐波治理

摘 要：随着非线性电气设备在医院配电网中的广泛应用，低压电网中的谐波污染越来越严重，给医院的正常运作以及医护人员和患者的生命健康带来了潜在隐患。本文介绍了医院低压电网中的谐波危害、谐波源分布以及谐波治理方法。

关键词：医院；非线性设备；谐波；谐波源；危害；治理

近年来，在医院配电网中使用非线性负载越来越多，如变频水泵、电梯、空调、荧光灯、计算机、不间断电源（UPS）、医用放射设备、监护仪、治疗仪、检验设备等，这些非线性负载将产生大量的谐波和电磁辐射干扰，污染电网，造成电能质量下降，可能引起供配电设备故障，电气设备过热，甚至有引发火灾的危险；同时，谐波还可能会对高精密诊断仪器设备造成程序运行错误、数据丢失、无故重启、死机甚至永久性损坏的不良后果，还有可能会危及医护人员和患者的生命健康。因此，正确认识谐波，明确谐波源，积极治理谐波、净化电网，具有积极而深远的意义。

1 谐波的产生

当正弦波电压施加于非线性负载上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使得电压波形也变为非正弦波。非正弦波用傅里叶级数分解，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率大于基波的分量称为谐波。简而言之，电力谐波是指n倍（n为大于1的整数）工频频率的交流电，它是一种电力污染，对电力系统及设备危害十分严重。

2 谐波的危害

2.1 谐波对线路的影响

谐波增大系统电能损耗，使设备元器件发热，影响设备使用寿命。此外，谐波引起的谐振，造成电容器组过电压或过电流，容易烧毁电容器或电气设备。

2.2 谐波对变压器的影响

谐波会增加变压器的附加损耗，可能在变压器绕阻和线电容之间产生谐振，引起过热，增大噪声，加速绝缘老化，大大缩短变压器使用寿命。

2.3 谐波对电机的影响

除引起附加损耗、减小电磁转矩外，谐波还会产生机械振动和噪声，降低电机效率，减少电机使用寿命。

2.4 谐波对继电保护和自动装置的影响

谐波会引起继电保护和自动装置误动或拒动，降低安全可靠性，威胁电力系统安全运行。谐波还会造成电气测量仪表计量误差。

2.5 谐波对通信设备的影响

谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

2.6 谐波对医疗设备的影响

谐波会产生大量电磁辐射，对高精度的医疗设备产生很大干扰，可能发生数据差错、图像模糊、信息丢失等问题，严重时甚至导致硬件损坏，造成医疗设备无法继续正常工作。特别是检测人体生物电信号的仪器设备，如心电图机、心电监护仪、心脏起搏器、脑电图机、超声诊断仪、针灸电疗仪等直接接触人体的仪器设备，由于信号非常微弱，一旦受到干扰，就会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；同时还可能会引起微电击，严重时还会对患者造成身体损害甚至生命危险。大型医疗设备如MRI、CT、DR等也会由于谐波的影响而可能使设备电路板烧毁，影响正常检查工作，增加患者等待时间。

3 医院低压电网中谐波源的主要分布

医院低压电网中存在大量的谐波源负载：

3.1 照明灯具

大部分医院照明以荧光灯具为主，会产生幅值较大的奇次谐波，但谐波污染不是很严重，电流总谐波畸变率在7%左右。

3.2 变频装置

医院常见变频装置有电梯、水泵、空调等。

医院楼层高、人流量大，电梯在医院的正常运转中扮演着重要角色。交流电机带动升降电梯，通过变频器控制电梯启停变速。变频器会导致电流发生严重畸变，产生大量5、7、11、13次谐波。

医院供暖、供水、排水管网大量采用变频水泵，水泵工作时电压总谐波畸变率可达14%，电流谐波畸变也很厉害，主要为5、7、11、13次。

医院各科室大都装有中央空调或独立空调，且以变频空调为主。空调的电流总谐波畸变率一般为30%～40%，其中5次谐波含量最高。

3.3 计算机和UPS

医院信息网络系统必须24小时全天候运行，以便对医疗过程中的病例、数据进行存储记录。大量计算机，以及服务器必配的UPS不间断电源，会产生大量3、5、7次等谐波。

3.4 电子医疗检测设备

大型医院的电子医疗检测设备常选用开关电源提供电力，但其整流和逆变工作过程中将产生大量3、5、7次等的谐波电流。

3.5 医技设备

大型医院基本配置齐全X光机、CT机、核磁共振设备MRI，数字胃肠机等，有的甚至配备了电子直线加速器、数字减影血管造影机DSA等设备，这些设备为患者诊断病情提供了准确依据，可同时也是系统中主要的谐波源。它们的谐波情况比较复杂，频谱相对较宽，主要谐波次数为3，5，7次。高谐波环境不仅会影响设备的正常工作，使之出现故障，还会对临近的设备产生干扰。

4 谐波治理的方法

常用的谐波治理方法有两种方式：一种是无源滤波器，一种是有源滤波器。两者可以与无功功率因素补偿柜结合使用，也可以相互之间配合使用。

无源滤波器是传统的谐波补偿装置，主要由了滤波电容器、电抗器和电阻器串联组成，与谐波源并联，谐振频率设定在需要滤出的高次谐波频率上，以达到滤波目的。无源滤波器优点是经济实惠成本低，缺点是滤波效果相对较差。

有源滤波器是在无源滤波装置的基础上发展起来的，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，在其额定的无功功率范围内，滤波效果为100%，缺点是价格相对无源滤波器较高。

医院低压电网中谐波源数量多，情况复杂，可选用有源滤波器，采用就地补偿与集中补偿相结合的谐波治理方式。

1.就地补偿：按设备工作电流乘以谐波畸变率，即可得出谐波电流有效值，可选择相应电流的三线滤波器。

2.集中补偿：考虑到主母线或配电干线上可能含有照明、动力、空调等负载，应选用相应容量的四线滤波器。集中补偿滤波设备的谐波电流有效值可按计算电流乘以谐波畸变率，畸变率按15%考虑。

3.如果不采用就地补偿，只采用集中补偿，医技设备与其它电气设备混合供电，可以将畸变率提高到20%进行估算。

有源滤波器输出的补偿电流是根据系统的谐波量动态变化的，因此不会出现过补偿的问题；另外，有源滤波器内部有过负荷保护功能，当系统的谐波量大于滤波器容量时，滤波器可以自动限制在100%额定容量输出，不用担心会发生过负荷的问题。

参考文献

[1] 王兆安，杨君，刘进军，王跃.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2005：40-41

[2] 刘建、吴川、包满.浅谈谐波对医院有关部门医疗设备的影响及治理[J].中国医院建筑与装备，2014，（10）：90-91

[3] 李志东、龙燕、赵巍文、杨静.医院供配电系统谐波测量和分析[J].后勤工程学院学报，2014，（2）：71-76

[4] 仁宝立、刘晓峰.医院配电系统的谐波治理[J].建筑电气，2009，（7）：27-29