有源濾波裝置在醫療中的重要性及應用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司  

摘要：現今科技發展日新月異，醫療水平不斷提高，同時也伴隨著各種大型醫療設備的引入，這些醫療設施中產生大量諧波，給醫療設備的電氣安全和設備的正常工作帶來嚴重危害，有源濾波裝置成為解決這一問題的關鍵裝置。

關鍵詞：有源濾波裝置  諧波  治理  

0.引言

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

1.醫院供配電系統諧波源

1.1醫療設備

   在醫療設備中有大量的電力電子元器件，這些設備在工作時會產生大量諧波，造成污染。比較常見的設備有MRI（核磁共振儀）、CT機、X線機、DSA(心血管造影機）等。其中，MRI工作時會生成射頻脈沖和交變磁場來產生核磁共振，而射頻脈沖和交變磁場都會帶來諧波污染；X光機中高壓整流器的整流橋工作時將產生較大諧波，而且X光機為瞬時性負荷，工作時電壓可達幾十千伏，變壓器的原邊將增加60~70kw的瞬時負荷，也會增加電網諧波。

1.2電器設備

   醫院中的通風設備如空調、風機等，以及照明設備如熒光燈都會產生大量諧波。為了節約能源，醫院中大都采用變頻風機及空調。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達到33%以上，會產生大量5、7次諧波電流污染電網。醫院內部的照明設備中，有大量的熒光燈具，也會產生大量的諧波電流。當多個熒光燈接成三相四線負載時，中線會流過很大的三次諧波電流。

1.3通信設備

   目前醫院均為計算機網絡化管理，這就表示計算機數量、視頻監控和音頻設備數量很多，而這些都是典型的諧波源。此外，計算機網絡管理系統中有存儲數據的服務器，配有UPS等備用電源。UPS先將市電整流成直流電，一部分儲存在電池中，另一部分通過逆變器轉換成穩壓交流電向負載供電；當市電終端供應時，改由電池向逆變器供電以繼續工作，保證負載的正常運作。而我們知道，整流和逆變會采用到IGBT和PWM技術，所以UPS在工作時會產生大量3、5、7次諧波電流。

2.諧波對醫療設備的危害

    從上面的描述中我們可以發現，醫院的配電系統中有很多諧波源，會產生大量諧波（以3、5、7次諧波為zui多）嚴重污染電網，引起諧波超標、中性線諧波過載等電能質量問題。這些問題都會影響醫療設備的使用。

2.1諧波對影像采集類設備的危害

    由于受到諧波的影響，醫療工作人員經常會遇到設備故障。這些故障輕則發生數據差錯、圖像模糊、信息丟失等問題，重則損壞電路板元器件造成醫療設備無法繼續正常工作；特別是一些成像設備，受到諧波影響時內部的電子元件可能會記錄波動并改變輸出，將導致波形圖像重疊變形或模糊不清，容易造成誤診。

2.2諧波對治療護理儀器的危害

    治療用電子儀器有很多，受諧波危害較大的是手術治療儀器。手術治療是指用激光、高頻電磁波、放射線、微波、超聲等單獨的或配合傳統手術的治療。相關設備受到諧波干擾，輸出信號中將含有雜波或直接放大諧波信號，對患者造成強烈的電刺激，在對某些重要部位進行治療時，存在重大安全隱患。而護理儀器比如呼吸機、起搏器、心電監護儀等都與被監護人的生命息息相關，有些儀器的信號本身就非常微弱，當受到諧波干擾時可能導致采集信息錯誤甚至無法工作，給患者和醫院造成重大損失。

3.諧波的治理措施

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

3.1減少系統阻抗

    要達到減少系統阻抗的目的，就要減少非線性用電設備與電源間的電氣距離，換句話說就是提高供電電壓等級。比如某鋼廠的主要設備是電弧爐，原先用35KV供電，由兩個110KV的變電所分別架設一回35KV專線供電，在35KV的母線上測得諧波分量較高；后改用一個距離只有4公里的220KV變電所架設5回35KV專線供電，母線上諧波情況明顯好轉，此外該廠還使用了較大容量的同步發電機，使這些非線性負荷的電氣距離大大下降，使該廠產生的諧波量減少。這種方法的投資zui大，需要和電網發展規劃協調，適用于大型工業項目，而且醫院要求不間斷連續供電，一般由兩個或以上變電所供電，故不優先考慮此方法。

3.2限制諧波源

    此法需要改變諧波源的配置，限制大量產生諧波的工作方式，集中使用具有諧波互補性的裝置使設備諧波互相抵消；增加變流裝置的相數，使特征諧波次數提高，從而大大地降低諧波電流的值。這種方法需要重新布置設備線路，協調安排儀器的使用配合，具有較高的局限性。醫院可以根據自身情況稍作調整，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諧振支路，為準備濾除的特定次數諧波提供阻抗低的通道，使之不注入電網。無源濾波裝置結構簡單，吸收諧波效果較明顯，但于固有頻率的諧波，而且補償特性售電網阻抗的影響很大（在特定頻率下，電網阻抗和LC濾波裝置之間可能會發生并聯諧振或串聯諧振）。有源濾波裝置（APF）是一種新型電力電子裝置，用于動態抑制諧波、補償無功。它能夠實時的采集并分析負載的電流信號，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、反向的補償電流，抵消負載中諧波電流，從而達到諧波治理的目的。有源濾波裝置具有實時跟蹤、響應迅速、補償（可同時補償無功和2~31次諧波）等的優點。

4 ANAPF有源濾波裝置在醫療中的具體應用

    隨著人們生活水平的不斷提高以及人口老齡化加速到來，醫療服務需求正在穩步增加，醫療服務產業即將進入快速增長期，而醫療行業zui也是zui重要的代表就是醫院。由于醫院特殊的社會價值和重要性，其電能質量問題的解決刻不容緩。

4.1 ANAPF的選型

    諧波治理的好處，首先就是病患和醫護人員的人身安全的到保障，即通過治理諧波減少或其對配電系統的不良影響，保證變壓器和醫療儀器的正常運行；其次直接體現經濟效益，即保障低壓電容補償系統的正常運行，發揮其應有的作用，降低電網中諧波含量，并且提高功率因數，減少無功損耗，延長設備使用壽命。

    某市高新區人民醫院配電系統，主要負載為電子醫療精密設備、照明及變頻通風設備、計算機及UPS等，其主要負載諧波電流畸變率大致可參考下表。

    通過現場人員了解到，此次需要治理諧波的負載集中在4臺變壓器下，這4臺變壓器容量分別為：兩臺1600KVA，具體參數如圖1所示。

圖1 蘇州高新區人民醫院3#變壓器

兩臺2000KVA，具體參數如圖2所示。

圖2 蘇州高新區人民醫院5#變壓器

    根據變壓器容量及具體設備使用情況，我們可以發現系統中多數為非線性設備，產生了大量諧波，對無功柜和其他用電設備均會產生影響。為了避免這種危害，考慮到治理效果和成本，并結合客戶治理需求，根據公式（1）估算，我們此次的方案定為用兩臺200A的有源濾波裝置和兩臺250A的有源濾波裝置分別對4臺變壓器二次側進行集中補償。其中兩臺1600KVA的變壓器采用200A的APF配套3000/5的采樣電流互感器，兩臺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）              

 ........變壓器負荷率，即負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；

 ........低壓系統電壓，一般取0.38~0.4。

4.2 ANAPF的安裝方式

    本項目柜體采用的是模塊化組合式安裝，如圖1所示，該方式在此項目中有以下幾個優點：

（1）可根據負載使用變化隨時增、減APF設備的容量；

（2）每個模塊單獨安裝散熱單元，并可在柜體上加裝散熱風扇，散熱效果良好；

（3）多個模塊之間雖有通訊連接，但各臺的故障并不會相互影響其它模塊繼續工作；

（4）后期維護方便，可實現故障模塊單獨維修、更換；維護期間ANAPF有源濾波裝置可持續工作。

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

    本項目中的安裝方案為負載側集中補償，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，另一端接于ANAPF的柜后進線匯流銅排A/B/C/N上；電流互感器套在ANAPF并網點和需要補償的負載之間進行采樣，然后將信號接至柜內互感器接線端子上。

5.結語

    從本文中我們可以了解到諧波對醫療行業的危害是很大的，大量的諧波會影響精密儀器的性能和使用，嚴重時可能危及人身安全；還會增加線路功率損耗和導體發熱量，降低設備使用效率和壽命，故治理諧波的重要性不言而喻。通過安裝有源濾波裝置，能夠很好地達到治理諧波的目的，從而保障人身和設備安全。從短期來看，治理諧波需要一定的前期資金投入；但從長久發展來看，ANAPF有源濾波裝置后期維護方便，可實時投切使用，它治理諧波所帶來的經濟效益和凈化電網的社會效益也是很明顯的。

【參考資料】

【1】安科瑞電能質量監測與治理選型手冊。2015.08版

【2】安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2013.01.版