浅谈医院配电系统谐波分析及治理方案

吴春红

江苏安科瑞微电网研究院有限公司 江苏江阴 214432

摘要：经济的发展和科学技术的进步，非线性设备被广泛用于大部分建筑中，非线性设备凭借其独特的优势，为人们的生活生产带来了很多便利。将非线性用电设备接入医院配电系统，会产生一定的谐波电流，从而对医院的配电系统造成一定的影响。通过分析谐波的产生和危害，以及医院配电系统的特点和谐波设备的主要分布，能够更加深刻地认识和了解医院配电系统谐波设备的治理方案和效果。

关键词：医院配电系统；谐波设备效果；治理方案

0引言

现代科学技术的进步带动了医学技术的发展，越来越多先进的医学技术和医疗设备应运而生，大大提高了医疗卫生事业的发展水平。在医学技术进步的同时，非线性设备在医院配电系统中得到了一定的运用，在运用的过程中，容易产生一些谐波电流危害配电系统的正常运行。谐波电流的积累，容易增加配电系统中线路的损耗，加剧线路的老化，从而威胁整个配电系统的安全正常运行，降低了医院配电系统的可靠性。因此，对医院配电系统的谐波设备进行有效治理，净化配电系统，保证其安全性。

1医院配电系统常见问题分析

（一）产生谐波

谐波是电流中含有的基波频率整数倍的电量，配电系统中产生谐波的根本原因是非线性负载导致的。在非线性设备的使用过程中，由于非线性负载，会导致电压、电流正弦波出现畸变。在平衡的三相系统中，偶次谐波被消除，只剩下奇次谐波。

（二）谐波危害

1.加速绝缘老化，缩短设备使用寿命

谐波电压会增加电容器和变压器的涡流损耗，增加绝缘材料的电应力。谐波电流会导致变压器的铜损加剧，从而增加噪音，局部产生过热的情况，加速绝缘老化，造成设备损坏，缩短变压器、电动力等设备的使用寿命。

2.增加线路损耗，加大设备成本支出

谐波借助外界的治理才能够减少和消除。谐波电压和电流在配电系统中的积累，会增加线路的损耗，降低变压器的带载能力，从而增加设备成本支出和电费支出[1]。

3.干扰通讯系统，降低通讯工作质量

由于配电系统空间的限制，输电线路和通讯线路的距离一般不远，谐波的产生通过传导耦合和电磁感应，会引入噪音对通讯系统产生干扰，从而降低通讯的质量，严重的甚至会导致通讯信息丢失。

4.开关动作失误，造成严重电力事故

谐波的产生，会改变地电流继电器的时间延长特点，无法区分零序电流和三次谐波，导致开关误动作，出现跳闸的情况。此外，配电系统的保护装置和自动装置会产生误动，造成区域电网的瓦解，出现大面积停电的情况。

2医院配电系统的特点和谐波设备的主要分布

医院配电系统的特点

医院是救死扶伤的重要场地，需要运用大量的医疗设备，医疗用电保持持续，因此，医院的配电系统具备高的可靠性、安全性以及稳定性。病人使用的呼吸机、心电图机以及输液泵等医疗设备，一旦出现断电的情况，会造成无法估量的后果。医院的配电系统主要是10/0.4Kv的主变压器，通风设备、照明设备、电子医疗设备以及计算机和UPS是主要的负载，而且大部分都是单相的非线性负载。

（二）医院谐波设备的主要分布

1.通风设备

大部分医院使用的通风设备都以变频风机和空调为主，能够有效地节约资源。然而，变频器是产生谐波的重要来源之一，变频器导致电流发生畸变的概率高达百分之三十三及以上，产生大量的五次、七次谐波，对电网造成破坏。

2.照明设备

在医院的照明系统中，使用了大量的荧光照明设备，荧光灯具回产生较多的谐波电流，在好几个荧光灯组成三相四线负载的情况下，中线上就会出现大量的三次谐波电流。

3.电子医疗设备

医院大部分电子医疗设备都是通过开关电源实现供电，开关电源设备会产生一定的三次、五次、七次谐波，流入电网。

4.计算机及UPS

目前大部分医院都是通过计算机实现运营和管理工作，计算机数量众多，计算机服务器配有UPS等备用电源，加之个人电脑的开关电源，都是产生谐波的电源。

3医院配电系统谐波设备的治理方案及效果

（一）医院配电系统谐波设备的治理方案

设计滤波器是常用的治理谐波设备的方法，主要包括有缘滤波器、无缘滤波器以及有缘滤波器和无缘滤波器的组合式滤波器。有缘滤波器的治理效果好，价格也高；无缘滤波器的治理效果欠佳，但经济实惠；组合式滤波器的治理效果和效率都比较好。依据滤波器的安装位置不同，包括集中式安装治理和单台设备就地治理两种形式。在具体的治理过程中，要结合实际情况设计科学合理的治理方案。针对照明等谐波含量较少的普通医疗设备，可以采用无源滤波器集中治理的方式，既保证了治理的有效性，又提高了治理效率，降低了治理成本；针对利用变频装置的空调、热水器等，可以利用无缘滤波器和有缘滤波器相结合的组合式滤波器进行集中治理。此外，安装有源滤波器是治理医院配电系统谐波设备主要的方案。有源滤波器在医院配电系统谐波设备的治理工作中的效果为显著，有源滤波器能够实现对谐波的动态抑制和无功补偿。

（二）医院配电系统谐波设备的治理效果

1.提升配电系统品质

安装有源滤波器，能够对负载电流中的谐波量进行实时检测，实现对谐波的滤除和功率因素的提高等。对变化的谐波进行自动跟踪和补偿，可控性和响应性高，降低了与配电系统阻抗发生谐振危险的概率，从而吸收线路中一定程度的谐波，实现对配电系统品质的优化和提升。

2.保障设备稳定运行

安装有缘滤波器，能够降低谐波的指标和损耗，有效减少谐波对设备造成的破坏，缓解了绝缘老化的程度，延长了设备的使用寿命。同时谐波的减少还降低了对设备通讯的干扰，提高了设备电能的质量，提升了设备运行的效率和电力能源的使用率，增强了配电系统的安全性、稳定性以及可靠性，保障了设备的稳定运行。

3.降低配电系统能耗

安装有缘滤波器，能够让医院配电系统的谐波设备产生的谐波达到或者低于国家规定的标准，在提高谐波的消除率的同时降低了医院配电系统对能源的消耗。此外，医院配电系统的谐波流入有源滤波器，不会对变压器和配电系统的其他用电设备造成威胁，从而在降低医院配电系统能源消耗的同时，对配电系统中的用电设备起到了有效的保护作用，进一步确保了医疗工作的正常开展和运行，提升了医疗工作的效率和质量。

4安科瑞医院EMS能效管理系统

4.1平台拓扑图

4.2医院电力监控解决方案

电力监控系统实现对变压器、柴油发电机、断路器以及其它重要设备进行监视、测量、记录、报警等功能，并与保护设备和远方控制及其他设备通信，实时掌握供电系统运行状况和可能存在的隐患，快速排除故障，提高医院供电可靠性。

电力监控系统主要针对开闭所和10/0.4kV变电所，对高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况。同时对医院重要设备如柴油发电机、无功补偿装置、有源滤波装置、UPS、隔离电源系统状态进行监测。

电力监控系统硬件配置

应用场合	名称	系列型号	图片	功能
系统后台	电力监控软件	Acrel-2000/Z		数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序拉制、权限管理、車件记录与告營、故障分析、各类报表
通讯层	智能网关	Anet系列		8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。
35KV、10KV	微机保护装置	AM6-x		相间电流速断保护，相间限时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。
35KV10KV进线侧	电能质量在线监测装置	APView500		相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。
35KV/10KV测量	多功能网络电力仪表	APM-520		具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、电能统计、电能质 量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功 能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的DI/DO模块、AO模 块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控
35KV10KV带电显示装置	智能操控装置	ASD500		5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出；
35KV10KV弧光保护	弧光保护装置	ARB5-x		主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口； 扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号： 弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域；
35KV10KV配电柜	无线测温	ATE400（PT柜选用ATE200）		监测母线、线缆接头、断路器触臂、触头温度，可通过无线传输至ASD320就地显示，也可以上传至监控系统。电源分为内置电池式和感应取电式，固定方式有螺栓固定，表带式捆绑，测温范围-50℃-125℃，精度±1℃
0.4KV进线	多功能网络电力仪表	APM-520(96外型)		具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、电能统计、电能质 量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功 能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的DI/DO模块、AO模 块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控
	电能质量在线监测装置	APView500		相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。
	测温监控装置	ARTM-Pn-E		无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯；
	无线测温传感器	ATE400		监测母线、线缆接头、断路器触臂、触头温度，可通过无线传输至ASD320就地显示，也可以上传至监控系统。电源分为内置电池式和感应取电式，固定方式有螺栓固定，表带式捆绑，测温范围-50℃-125℃，精度±1℃
0.4KV滤波柜	有源谐波治理系统	AnSin-xxx		有源电力滤波器井联在含谐波负载的低压配电系統中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿，
0.4KV补偿柜	有源无功补偿系统	AnCos-xxx		低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中，能根据电网中负载功率因数的变化通过控制器控制电力电容器投切进行补偿,无功功率补偿装置采用散件组成方案，主要以电容电抗、投切开关、控制器等组成。 补偿方式:线性补偿，全响应时间<5ms，瞬时响应时间≤100us;补偿效果:≥0.99，可补偿容性无功和感性无功，滤除5、7、9、11、13次以内的谐波;自身损耗:≤百分之2，效率:>百分之98;监控以及显示具备远程通讯接口，可以通过PC机实时监控;具有人性化的人机交互界面，可通过该界面看到系统和本体的实时电能质量信息，操作简单，可以远控，也可以本控;标准模块化设计，缩短交付周期，同时提高了使用的可靠性和可维护性。
0.4KV馈线	多功能网络电力仪表	APM-510(72外型)		具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、电能统计、电能质 量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功 能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的DI/DO模块、AO模 块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控
	电气火灾监测模块	ARCM200系列		三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cos中)，视在电能、四象限电能计量，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，4路开关量输入，事件记录，内置时钟，点阵式LCD显示，2路独立RS485/Modbus通讯
	测温监控装置	ARTM-Pn-E		无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯；
	无线测温传感器	ATE400		合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5安培，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
低压回路	电流互感器	AKH-0.66系列		测量型互感器，采集交流电流信号

4结束语

总而言之，医院作为与民生息息相关的基础设施建设，配电系统的正常运行和医疗设备的正常运作与人民群众的生命财产安全有着直接的联系。谐波的产生对医院配电系统会造成一定的危害，必要对谐波设备进行有效地治理。有缘滤波器是治理医院配电系统谐波设备的有效方案，利用有缘滤波器能够减少谐波的产生，降低谐波的危害，有效地保护医院用电设备，从而优化医院的配电系统，确保医院配电系统的正常运行。

参考文献：

[1]医院配电系统谐波设备效果及治理方案黎清林

[2]程杰.医院配电系统谐波分析及治理研究[J].中国设备工程,2020(01):214-216.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版．

[4]安科瑞用户变电站变配电监控解决方案2021.10

作者简介：

吴春红，现任职于江苏安科瑞微电网研究院有限公司，主要从事医院能效管理系统研发与应用。

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审核编辑 黄宇