摘要：本文從典型醫(yī)療設備的工作原理出發(fā)，總結(jié)了醫(yī)院供配電系統(tǒng)中的諧波源及其特點。深入分析研究了醫(yī)療設備諧波對供配電系統(tǒng)的危害，以及配電網(wǎng)中諧波對醫(yī)療設備的危害，總結(jié)了諧波治理的主要措施。
關鍵字：醫(yī)院供配電系統(tǒng)；醫(yī)療設備；諧波危害；諧波治理
1概述
醫(yī)院供配電系統(tǒng)是醫(yī)院工作的基本平臺，包括各種非線性、時變性電氣設備和醫(yī)療設備。它們產(chǎn)生的諧波相互作用不僅會影響設備的正常運行，還會嚴重威脅患者的生命安全。因此，深入分析和研究醫(yī)院供配電系統(tǒng)的諧波及其治理勢在必行。
2醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波源及其特點
醫(yī)院供配電系統(tǒng)中的諧波源主要分為三類:醫(yī)療設備、信息通信設備和電氣設備，具有頻譜寬、畸變率高、種類雜、數(shù)量多的特點。
2.1醫(yī)療設備
醫(yī)院的醫(yī)療設備含有大量的電力和電子設備，在工作過程中不可避免地會產(chǎn)生諧波污染。常見的有CT機和MRI共振儀。、線性加速器，x線機，心血管造影機DSA，數(shù)字造影機DSI等。
CT機作為目前醫(yī)學診斷的主要檢查設備，在臨床上應用廣泛，價格昂貴。工作時，高頻高壓發(fā)生器首先將三相交流電整流成DC，然后通過并聯(lián)逆變器逆變成頻率高達1X1OHz的交流，最后通過雙壓整流產(chǎn)生穩(wěn)定高壓，超過30kV，供電球管兩端。整個工作過程不僅進行整流和逆變，還會產(chǎn)生大量的諧波。嚴重時，總諧波畸變率可達30。％。
核磁共振儀是醫(yī)學上的(MRI)根據(jù)“核磁共振"原理，氫核核是利用磁場和射頻脈沖在人體組織中移動的。(H+)當章動產(chǎn)生射頻信號時，通過計算機處理和分析釋放的電磁波來繪制人體內(nèi)部精確的立體圖像。產(chǎn)生核磁共振所需的交變磁場和無線電射頻脈沖都會造成諧波污染，正常工作時MRI的諧波畸變率為20。％左右。
直線加速器是指用微波電磁場加速電子的直線加速器，廣泛應用于醫(yī)院腫瘤放射治療領域。脈沖高壓由脈沖調(diào)制器供應，脈沖調(diào)制器一般采用軟管脈沖調(diào)制器。充電變壓器和脈沖形成電容器通過DC高壓電源諧振充電。當電壓穩(wěn)定性要求較高時，調(diào)制器還需要使用脈沖電壓穩(wěn)定裝置。系統(tǒng)所需的高頻電源、DC高壓電源的產(chǎn)生、脈沖調(diào)制器和脈沖電壓穩(wěn)定裝置都會造成諧波污染，電流總諧波畸變率可達40。％～50％。
x光機是典型的瞬時負荷，工作時電壓可以達到幾十甚至幾百千伏，變壓器的原始邊緣會增加6O170kW的瞬時負荷。x光機的主要部件是光球管和高壓整流器。由于高壓整流器的整流橋在工作時會產(chǎn)生較大的諧波，加上x光機的瞬時工作特性，其諧波畸變率可達30kW％一50％。
2.2信息通信設備
為了儲存大量信息，方便辦公，大型醫(yī)院基本建立了醫(yī)院信息系統(tǒng)。它具有強大的功能，通常包括醫(yī)療信息系統(tǒng)、臨床信息系統(tǒng)、視頻教學和遠程醫(yī)療系統(tǒng)J。該系統(tǒng)包括數(shù)千臺計算機和數(shù)不清的網(wǎng)絡連接設備。它們將產(chǎn)生諧波電流，就像醫(yī)院的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)一樣。
UPS(UninterruptiblePowerSystem)首先將市電整流轉(zhuǎn)換為DC，一路給電池充電，另一路給逆變器供電，將DC轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、純50Hz交流電，向負載供電。當市電異?；蚬╇娭袛鄷r，逆變器將由電池提供能量繼續(xù)工作，以確保用電設備的供電不間斷。EPS(EmergencyPowerSystem)市電正常時，由市電輸出供電，同時給電池充電。當市電停電或電壓過低時，電池通過逆變器向負載供電。EPS和UPS都采用了IGBT技術(shù)和PWM技術(shù)，在進行整流和逆變時會帶來諧波污染，是不可忽視的諧波源。對于大功率UPS，如果整流裝置是三相全控橋6脈沖整流器，總諧波畸變率接近30。％40％。
2.3電器設備
電梯、空調(diào)、變頻泵、照明設備等。醫(yī)院會產(chǎn)生畸變諧波。如果使用大量熒光燈，會造成較大的諧波電流，其中三次諧波最高。當多個熒光燈連接成三相四線負載時，三次諧波電流會在中線流過。大多數(shù)醫(yī)院使用變頻空調(diào)和風扇，而變頻器是典型的諧波源，會產(chǎn)生大量的五七次諧波污染電網(wǎng)。
如表1所示，醫(yī)院配電系統(tǒng)的主要諧波源、諧波次數(shù)和畸變率?？梢钥闯?，醫(yī)院典型設備產(chǎn)生的諧波主要是3次、5次、7次。正是這些設備在運行過程中產(chǎn)生了諧波，影響了醫(yī)院的電能質(zhì)量，影響了設備的正常使用。
表1醫(yī)院配電系統(tǒng)主要諧波源和諧波畸變
3配電網(wǎng)絡諧波對醫(yī)療設備的危害
3.1對影像設備的影響
當醫(yī)療影像設備如磁共振成像、螺旋CT掃描儀、彩色多普勒超聲、心腦電圖機和X線機受到諧波干擾時，嵌入式電子元件可能會記錄噪聲并改變數(shù)據(jù)輸出，使顯像管顯示圖像變形失真，成像模糊，影響醫(yī)療診斷結(jié)果。
3.2對監(jiān)護設備的影響
與人體直接接觸的常見多功能呼吸機、起搏器、心電監(jiān)護儀等監(jiān)護設備信號非常微弱。當它們受到微小諧波的干擾時，會影響儀器的正常工作，也可能造成微電擊。如果諧波污染導致呼吸機工作失敗，心臟起搏器工作失敗，直接危及患者的生命安全。
3.3對理療儀器的影響
醫(yī)療系統(tǒng)的理療儀器主要分為微波、音頻、短波等。受諧波影響的特點是不同的。音頻理療儀器受諧波干擾，輸出信號中會含有雜波，對患者造成電刺激。治療喉嚨、頭部等重要部位時，會產(chǎn)生強烈的刺激感，存在嚴重的安全隱患。受諧波影響，短波儀器更加敏感，儀器會接收和放大輸出系統(tǒng)中的諧波，造成局部不適[。
3.4對醫(yī)院計算機的影響
醫(yī)院的計算機系統(tǒng)必須整天穩(wěn)定運行，醫(yī)療設備配置的計算機也要求設備運行時能夠正常工作。諧波可以通過電磁感應和靜電感應來干擾計算機網(wǎng)絡，影響系統(tǒng)的正常運行。諧波干擾還可以使單個計算機程序錯誤、崩潰或無故重啟。當共模干擾中的峰值干擾范圍達到2~50V，時間持續(xù)數(shù)微秒時，可能會導致計算機邏輯錯誤和信息丟失，造成嚴重后果。
4治理醫(yī)療配電網(wǎng)諧波的主要措施
諧波治理對諧波產(chǎn)生的特點主要有：受端治理、主動治理和被動治理。
4.1受端治理措施
為了減少諧波對系統(tǒng)和其他電氣設備的影響，盡可能保持負荷的三相平衡，選擇合理的供電方式，將諧波源從較大容量的供電點或較高電壓的電網(wǎng)供電。同步電機采用星形連接；變壓器一側(cè)連接成三角形。將產(chǎn)生更多諧波的醫(yī)療診斷設備與其他設備分開，選擇優(yōu)質(zhì)Dyn11型專用變壓器為這些醫(yī)療設備供電；將電容器組的一些支路改為濾波器，或限制電容器組的投入容量，以減少電容器對諧波的放大；提高設備性能，提高設備抗諧波干擾能力。
4.2主動治理措施
改變諧波源的配置，限制大量產(chǎn)生諧波的工作模式，集中在諧波互補裝置上；增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)；在整流器之前安裝串聯(lián)電抗器，以抑制其平滑的諧波電流；PWM技術(shù)用于由自關斷器組成的變流器，使變流器產(chǎn)生的諧波頻率更高，幅度更??；矩陣變頻器、四象限變流器等高功率因數(shù)變流器的設計或使用；為了消除頻率較低的諧波，使用多重化技術(shù)來疊加多個波，但這種裝置復雜且昂貴。
4.3被動治理措施
被動處理的主要方法是添加一個濾波裝置，以防止諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的諧波流入負載。常用的有無源、有源濾波器和混合有源濾波器。
無源濾波器(PassivePowerFilter,PPF)它是由電容器、電感和電阻等無源元件組成的諧振電路。傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法是將無源濾波器與需要補償?shù)姆蔷€性負載并聯(lián)。濾波器對某些諧波頻率諧振形成低阻通路，使相應的諧波電流流入無源支路，避免流入電網(wǎng)。無功功率在過濾諧波的同時得到適當?shù)难a償。
有源濾波器(ActivePowerFilter,APF)主要由諧波和無功電流檢測電路、跟蹤控制電路和補償主電路組成。檢測電路的主要功能是實時將諧波電流分量和基波無功電流分量從負載電流中分離出來，反過來作為補償電流的指令信號。根據(jù)檢測電路產(chǎn)生的指令信號，跟蹤控制電路計算驅(qū)動信號，并用于補償主電路的所有開關設備，從而產(chǎn)生有效的補償電流，從而達到消除諧波和無功補償?shù)哪康?/p>
混合式有源濾波器(HybridActivePowerFilter,HAPF)有源濾波器和無源濾波器通過串聯(lián)或并聯(lián)整合在一起。首先用無源濾波器過濾電流大、含量高的諧波，然后用有源濾波器過濾，從而降低有源濾波器的容量。它結(jié)合了無源濾波器的低成本和有源濾波器的優(yōu)異性能，具有PPF和APF的優(yōu)點，是一種有前途的過濾和無功補償方法。
5醫(yī)院有源諧波治理系統(tǒng)解決方案
它們都是諧波源，如x光機、CT機等。，會產(chǎn)生大量的諧波。諧波降低了電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率，使電氣設備過熱，產(chǎn)生振動和噪音，降低了絕緣老化，縮短了使用壽命，甚至出現(xiàn)故障或燒毀。諧波可能會導致電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，放大諧波含量，燒毀電容器和其他設備。諧波還會導致繼電保護和自動設備誤操作，導致電能計量混亂。可能會干擾醫(yī)院的精密檢測設備。
該方案配置了AnSinI有源濾波器，以消除配電系統(tǒng)諧波對醫(yī)院設備的影響，濾除電網(wǎng)2~31次諧波干擾。
采用PWM變流技術(shù)，AnSinI系列有源電力濾波裝置通過并聯(lián)連接電網(wǎng)，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，從變流器中產(chǎn)生與當前諧波分量和無功分量相對應的反向分量，實時注入電力系統(tǒng)，實現(xiàn)諧波治理和無功補償。
有源諧波管理系統(tǒng)硬件配置方案
7結(jié)束語
現(xiàn)代醫(yī)療設備廣泛采用電力電子變流和控制器件，使醫(yī)院非線性醫(yī)療設備負荷的種類和數(shù)量迅速增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統(tǒng)和醫(yī)療設備帶來巨大危害。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、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟損失相當巨大。對醫(yī)院供配電系統(tǒng)諧波進行研究，對改善供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義。
參考文獻：
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