摘 要：在现代医院建筑中,各种节能照明设备、变频空调、电梯设备、UPS、EPS以及各种先进的医疗设备均为非线性设备，这些非线性设备在运行过程中会产生大量的高次电力谐波，对配电系统和医疗设备的运行造成一定的干扰，严重的电力谐波问题会导致医疗设备的损坏甚至医疗事故。本文结合某三甲医院的低压供电系统中谐波治理的情况，介绍了谐波的产生及危害，以及通过使用有源滤波设备进行谐波治理后的效果评估，说明有源滤波设备在医院建筑等场所的使用意义。
关键词：医院建筑,谐波,有源滤波设备
1.引言
现代化医疗机构为提高医疗服务水平，不断引入新型、复杂的各种先进医疗设备如核磁共振成像(MRI)、螺旋CT、高频电刀等等，同时各种节能照明设备、变频空调、电梯设备等大量应用也给人们提供了便利和舒适。在现代医院建筑中，各种节能照明设备、变频空调、电梯设备、EPS、UPS以及各种先进的医疗设备均为非线性设备，在运行过程中会产生大量的高次谐波，对配电系统和医疗设备造成一定的干扰。同时这些先进的医疗设备都具有高档的计算机部件和大量的高灵敏微电子器件，对供电电源的电能质量要求很高，对电压波动和电力谐波非常敏感，严重的电力谐波问题会导致医疗设备的损坏甚至导致医疗事故的发生。
2.医院建筑供电系统谐波的来源、特性以及危害分析
正常合格的电能源是以50Hz变化的三相交流正弦波电源，它的质量是由电压幅值、波形和频率等决定的。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。在医院建筑内部，谐波产生于大量的变频负载(主要为空调、风机等负载)，还包括部分节能灯具与UPS和EPS等。
2.1医院建筑供电系统谐波的来源
一般在一所典型三甲医院，主要设施设备会包括如下项目：
表一：医院主要建筑和医疗设施设备
上述设备和设施多半具有电力电子器件和铁磁设备，根据其电气特性产生的主要本征谐波分别如下表：
表二：医院主要设施设备的主要特征谐波
注：上述表中 l 表示该次谐波成分的比例。
2.2电力谐波对配电系统的危害
n 原设计的电路将不能满足现有谐波的附加发热要求，将引起电路导体的导电能力下降;
n 增大电能消耗;
n 开关的开断能力下降;
n 电动机、变压器、电缆异常发热;
n 一般用电设备故障率迅速增加;
n 专用电子设备不能正常工作，比如可控硅(依赖过流点进行控制导通角同步控制)工作异常、电气设备控制系统失灵或损毁，通讯网络无连接;
n 引起配电设备异常震动和噪音，严重时使电气设备无法正常地运行，产生电磁干扰;
n 谐波使电容器等电器设备过流、过热、甚至爆裂或着火引起火灾。
2.3电力谐波对医院医疗设备的危害
医院作为救死扶伤的特殊类型建筑设施，本身属于一类用电负荷。电力谐波从供用电系统可靠性和设备正常功能发挥等方面影响医院的设施设备。
医院医技科室包含了大量技术含量高、价值昂贵的精密检测和治疗仪器，包括：数字减影仪(DSI)、核磁共振仪(MRI)、螺旋CT、彩色多普勒、荧光PCR仪、自动生化仪、同位素检测设备、色谱仪、X射线摄像系统、脑电图、心电图、生化实验仪等各种仪器等等。上述大型治疗检测设备大都带有以微处理器为基本元件的控制装置，对电源的扰动极其敏感，会发生影像颤动，死机，无故重启，丢失影像、文件等，甚至设备损坏。供电的可靠性和电源质量净化度直接关系到上述设备本身的安全和正常工作条件。严重的电力谐波会直接导致上述依赖微处理器技术的设备的同步失调和数据错误，而谐波谐振引起的共模干扰和过电流将直接危害设备内部电子线路的安全，会导致击穿或放电。
此外，医院建筑是一个具有特殊供用电性质的建筑，对供电可靠性要求极高，像手术室、分娩室、婴儿室、急诊室、化验室、CT扫描、配血室及高压氧仓、负压吸引真空泵等重要用电负荷，一旦电能质量下降，甚或停电，将对医务工作造成很大影响，甚至危及病人生命，造成医疗事故;即使其他辅助设施如电梯、空调等，仍需特殊对待，因为这类设施的故障也直接影响医院作为救死扶伤的应急设施的可靠性。
综上所述，医院建筑内部非线性负载产生的大量谐波，会干扰医院内的重要医技设备的正常使用。为了满足对医院这一类特殊建筑在电力建设方面可靠供电、安全配电的核心需求，医院建筑供用电系统中谐波问题的解决必须在设计建设时期充分考虑。
3.电网谐波国家标准要求
目前采用的电能质量(谐波)评定标准，主要为中国国家标准(《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93))，基本等同于IEC 1000—3—4、IEEE—519——1992国际标准。标准中对电网中电流电压的畸变率有明确规定，也是作为谐波评价、治理的重要依据。IEEE(institute of Electronics Engineers,电子电气工程师协会)1992年制定的谐波限定标准IEEE-1100中指出，当配电系统中电机、UPS和变频变速驱动等非线性负载大于50%时，其变压器应在通常容量的50%下运行。另外IEEEstd.519-1992标准中明确提出对计算机和类似设备，其谐波电压畸变因数THD应在5%以下。
表1：IEEE-519标准有关谐波限制的规定：
表2: 电网谐波电压国家标准：引用于(GB/T14549-93)：
表3: 注入电网公共连接点的谐波电流允许值：引用于(GB/T14549-93)：
当测试点短路容量不同于基准短路容量时，表2中的谐波电流允许值的换算方法如下：
式中：Sk1—公共连接点的最小短路容量，MVA;
Sk2—基准短路容量，MVA;
Ihp—表2中的第h次谐波电流允许值，A;
综合上表及公式，可得出各监测点的谐波电流分量允许值。
4.有源滤波设备在医院建筑中的应用案例
4.1 有源滤波设备应用简介
某大型三甲医院新建的门诊住院综合楼共有6台2000kVA和2台1600kVA的变压器以及2台800KW的柴油发电机，根据该医院各变压器非线性负荷设备的负载率大小和相应的谐波畸变率以及各非线性设备的同时使用率来计算谐波电流的大小，配置了8台不同容量规格的RESINE有源滤波设备。
下面以2#RESINE有源滤波设备投入运行前、后配电系统电能质量测试情况的对比分析为例来具体描述，其中2#变压器负载主要为灯光照明，电梯，潜污泵，计算机中心等。
4.1.1有源滤波设备投运前后的数据如下：
(1).有源滤波设备投入前电流波形畸变比较严重，三相电流畸变率分别为16.45%，15.46%，17.10%;三相谐波电流有效值分别为20.1A，19.8A，19.1A;三相电压畸变率分别为1.16%，1.15%，1.11%。
(2).有源滤波设备投入后电流波形畸变情况明显改善，谐波电压和谐波电流均满足了国家标准(《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93))和国际标准IEEE—519的相关要求。三相电流畸变率明显降低，分别为3.55%，3.88%，3.04%;三相电流有效值明显降低，分别为2.8A，3.3A，2.5A;三相电压畸变率分别为0.56%，0.50%，0.57%。
(3).电流电压波形明显改善，使用滤波设备后电流电压波形近似呈正弦波形态;谐波治理的工作达到了预期的目标和效果。
4.1.2有源滤波器投运前后测试记录数据：
图4.3 滤波器投入前电流参数 图4.4 滤波器投入后电流参数
图4.5 滤波器投入前电流、电压波形 图4.6滤波器投入后电流、电压波形
4.2 有源滤波设备在医院建筑中应用的重要意义
4.2.1保护医疗用电设备安全:
由于节能照明设备、变频空调、电梯设备、EPS、UPS等以及医疗用电设备等大量非线性设备产生的谐波电流，由谐波电流在各设备上引起的一个电压降，当谐波畸变率较高的时候，很容易造成计算机电子设备、医疗设备、电机电器等故障。有源滤波设备能消除具有破坏性的谐波污染等，确保了用电设备的使用寿命，特别是医疗设备的安全。
4.2.2净化电源：
有源滤波设备具有很强的抑制和消除能力，最高可消除95%以上的因各种谐波引起的电压、电流的畸变，防止谐波引发的计算机屏幕频闪，以及由于开关、短路、负载变化引起的灯光频闪，重要负荷开关跳闸等事故。
4.2.3保护功率因数补偿设备：
由于高次谐波可能和杂散的电网电感及功率因数补偿(PFC)设备组合的谐波频率形成并联谐振回路，谐振电路引起的谐波放大使电压和电流波形畸变更为严重，从而导致设备过早出现故障。使用有源滤波设备后消除了电网谐波污染，确保了功率因数补偿设备的使用寿命。
4.2.4防止保护装置的误跳闸：
谐波电流会导致断路器误跳闸或是在该跳闸的时候根本不跳，或者设备无法启动或者无法关机、操作指令发生错误。
4.2.5降低电能损耗：
电力线路中谐波电流会在系统中各种电气设备(如变压器、电力电容器、输电线路、电机及用电设备等)上造成附加铜损和铁损。可以把谐波源看作为产生谐波的发电机，其谐波能量是通过设备非线性基波的能量转换而来的。谐波电流是由非线性负荷产生，然后注入电网系统中，而消耗负荷及线路上的。通过安装有源滤波设备，可以有效降低相线电流值，从而达到节能的目的。
4.2.6扩大变压器和发电机供电容量：
由于运用有滤波设备后将供电系统中的谐波进行了滤除，减小相线上电流的有效值，使母线上的电流下降，提高变压器和发电机供电容量。
5.结论
本文分析了医院建筑的谐波来源以及谐波对供电系统和医疗设备的危害，并通过某大型三甲医院新建的门诊住院综合楼低压配电系统中有源滤波设备的应用案例，对比分析了有源滤波设备投入使用前、后的实际情况，说明了应用有源滤波设备的有效性、必要性和实际效益。有源滤波设备的谐波治理技术是改善供电质量的有效手段之一, 在医院建筑供电系统推广应用后, 可将产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电能质量，保证医疗设备安全，能为用户带来巨大的经济效益和良好的社会效益。
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