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淺談醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波分析與治理技術(shù)方案
任運(yùn)業(yè)
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:文章從諧波治理的危害、治理意義、諧波源組成、諧波治理等方面進(jìn)行了論述。目的在于通過綜合整治電網(wǎng)的諧波,有效地改善醫(yī)院配電系統(tǒng)的安全、可靠、節(jié)能。
關(guān)鍵詞:醫(yī)院;配電系統(tǒng);諧波治理
0引言
配電系統(tǒng)中存在的諧波成分,會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的電能品質(zhì)下降,從而導(dǎo)致電力供應(yīng)的可靠性下降。在醫(yī)院里,會對各種高精度高的醫(yī)療器械儀器產(chǎn)生很大的影響,如發(fā)生攝像系統(tǒng)圖像的干擾,監(jiān)視器出現(xiàn)的花屏、醫(yī)療器械設(shè)備的動作不靈敏、傳感器元件的故障等,從而影響到這些精度高醫(yī)療器械設(shè)備的正常工作。因此,本文就諧波對醫(yī)院配電系統(tǒng)的影響和危害進(jìn)行了分析和討論。提出了一種具有針對性的控制技術(shù)措施,以達(dá)到降低配電系統(tǒng)諧波成分的目的,從而有效地改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量。
1配電系統(tǒng)諧波治理意義
1.1控制高次諧波分量
采用無功補(bǔ)償、濾波器等諧波補(bǔ)償后,能夠有效的補(bǔ)償配電系統(tǒng)的諧波、減小諧波等成分,保證配電系統(tǒng)指標(biāo)達(dá)到國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求,從而為醫(yī)院的配電系統(tǒng)和電力設(shè)備,醫(yī)療器械設(shè)備的安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、 、穩(wěn)定地運(yùn)行提供了重要的技術(shù)裝置保證。
1.2提供電能功率因素
采用自動消諧濾波器,能有效地降低電網(wǎng)的電壓、電流諧波;此外,采用消諧濾波器,可減少或消除諧波諧振,從而使醫(yī)療器械設(shè)備得到高質(zhì)量、 率、經(jīng)濟(jì)的電力資源,減少因諧波引起的不必要的電力資源損耗。通過多年的實際工作,我們知道,經(jīng)過對自動調(diào)頻過濾柜等設(shè)備的技術(shù)改造,可以使醫(yī)院配電系統(tǒng)的功率因數(shù),在很長一段時間內(nèi)保持在0.97以上。通過這種方式,既能為醫(yī)技樓的醫(yī)療診斷設(shè)備提供一個較好的使用條件,又能有效的提高醫(yī)療診斷設(shè)備的綜合使用效率,達(dá)到5%——30%的節(jié)能效果。
1.3改善供電電能品質(zhì)
采用自動消諧式過濾器等電網(wǎng)凈化設(shè)備,對提高醫(yī)院配電系統(tǒng)的電力品質(zhì)具有重要意義。通過過濾配電系統(tǒng)的諧波,對電網(wǎng)的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償,避免了電力系統(tǒng)中的串并聯(lián)共振現(xiàn)象,保證醫(yī)療衛(wèi)生工作的安全、穩(wěn)定、有效的開展。
2電力諧波的危害
普通電力系統(tǒng)的電壓應(yīng)為一個特定的頻率,并具有一定的幅度。諧波的產(chǎn)生,會對電力系統(tǒng)的供電系統(tǒng)有影響,并對電力系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生一定的影響。諧波的危害表現(xiàn)在以下幾個方面。
2.1影響繼電保護(hù)和自動裝置的工作可靠性
在電磁繼電器中,由于電力諧波的存在,往往會導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置設(shè)備的誤動作、不能正常工作,從而影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
2.2對動力設(shè)備的影響
諧波對電動機(jī)產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為:電動機(jī)的工作效率下降、使用壽命縮短(受影響設(shè)備有供暖、供水、中央空調(diào)、電梯等)。此外,3次諧波在導(dǎo)線上流動時,導(dǎo)線長期過熱,造成絕緣老化后引起著火。
3醫(yī)療行業(yè)諧波治理需求分析
醫(yī)療器械設(shè)備的發(fā)展,是醫(yī)院的一個重要標(biāo)志,也是醫(yī)院先進(jìn)技術(shù)的一個重要標(biāo)志。現(xiàn)代醫(yī)院不斷引進(jìn)先進(jìn)的電子醫(yī)療體系,不斷的改善醫(yī)療質(zhì)量。諧波干擾是當(dāng)前醫(yī)院建設(shè)中亟待解決的問題。醫(yī)院的建設(shè),管理,電氣工程項目的設(shè)計,在今后的發(fā)展中都要加以重視。
由于電力電子設(shè)備自身的功率和效率的提高,使得電網(wǎng)中的諧波干擾和反串現(xiàn)象越來越突出。諧波不但會使電網(wǎng)的供電質(zhì)量下降,而且會對醫(yī)療器械設(shè)備、用電裝置設(shè)備造成故障,造成誤動作、擊穿電容器、對小型設(shè)備儀器的電源模塊造成干擾。因此,電網(wǎng)的諧波問題是一個不可忽略的問題。
4醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波源分析
4.1醫(yī)院配電系統(tǒng)負(fù)荷主要特征
醫(yī)院作為一種特殊的服務(wù)場所,其醫(yī)療器械設(shè)備的種類、數(shù)量、人員的流動性、供電可靠性、節(jié)能經(jīng)濟(jì)性等都有很大的影響。如果出現(xiàn)停電、供電不足等問題,對患者的經(jīng)濟(jì)、社會造成 大的影響甚至?xí)斐墒中g(shù)等無法正常進(jìn)行,造成嚴(yán)重的后果。在醫(yī)院配電系統(tǒng)中,一般采用10/0.4千伏主變壓器(兩路電源),其主要的非線性負(fù)荷有:醫(yī)療器械設(shè)備、節(jié)能照明設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備、計算機(jī)、 UPS應(yīng)急電源系統(tǒng)等,這些電力負(fù)荷大多為單相非線性負(fù)荷,所產(chǎn)生的諧波成分會被注入到配電系統(tǒng),從而污染電力網(wǎng)絡(luò)。
4.2醫(yī)院配電系統(tǒng)中的主要諧波源
通過對醫(yī)院配電系統(tǒng)的大量測試和分析,得出結(jié)論:通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備,是醫(yī)院配電系統(tǒng)中的諧波源。如醫(yī)院照明系統(tǒng)中,使用大量的節(jié)能型熒光燈,這些熒光燈在運(yùn)行時,會產(chǎn)生大量的諧波,對配電網(wǎng)造成一定的污染。采用三相四線供電的多盞節(jié)能燈,在三相四線負(fù)荷運(yùn)行的情況下,三相三次諧波對醫(yī)院配電系統(tǒng)造成嚴(yán)重的污染。醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備中有大量的電力電子元器件,這些醫(yī)療設(shè)備在工作時會產(chǎn)生較大的諧波,造成電網(wǎng)污染。比較常見的設(shè)備有MRI(核磁共振)、CT機(jī)、X線機(jī)等。其中,MRI工作時會生成射頻脈沖和交變磁場來產(chǎn)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(jī)中高壓整流器的整流橋工作時將產(chǎn)生較大諧波,而且X光機(jī)為瞬時性負(fù)荷,工作時電壓可達(dá)百千伏,變壓器的負(fù)載將增加60~70kw的瞬時負(fù)荷,也會增加電網(wǎng)諧波。
5醫(yī)院配電系統(tǒng)諧波綜合治理方案
醫(yī)院配電網(wǎng)的諧波治理的總體目標(biāo)是:電網(wǎng)的總諧波 THDI (3%,電源功率因數(shù)cosφ)0.95。
5.1采用串聯(lián)電抗器
該裝置以串聯(lián)電抗器為核心,對諧振進(jìn)行控制,并對電容進(jìn)行保護(hù),以達(dá)到安全補(bǔ)償。但是,這種諧波治理方法,在諧波處理方面,卻是束手無策,而且諧波治理的效果也不是很好,所以,在醫(yī)院配電系統(tǒng)的諧波治理中,很難取得較好的效果。
5.2采用無源調(diào)諧式濾波器進(jìn)行濾波補(bǔ)償
在實際應(yīng)用中,一般采用無源調(diào)諧式濾波器,其阻抗率可分為5.67%、7%和14%三大類。其中,具有5.67%電抗系數(shù)的調(diào)諧電容器,具有210Hz的單調(diào)諧振頻率,它的主要作用是能吸收50%以上電力裝置的5次諧波;具有7%電抗系數(shù)的調(diào)諧電容器,具有189 Hz的單調(diào)諧振頻率,其主要作用是吸收電力裝置20%以上的5次諧波和少量7次諧波;而具有14%電抗系數(shù)的調(diào)諧電容,其單調(diào)諧振頻率為133 Hz,其主要作用是對3次諧波的控制。該方法利用無源調(diào)諧式濾波器對電網(wǎng)的電容無功進(jìn)行補(bǔ)償,取得了很好的濾波效果。這種方法更經(jīng)濟(jì)、更具性價比,但僅適用于低諧波的情況。
5.3采用有源濾波器
有源濾波器用于電網(wǎng)的諧波濾波及無功補(bǔ)償,能滿足電網(wǎng)的諧波治理和無功補(bǔ)償需求,但是,無功補(bǔ)償?shù)臒o功功率消耗了有源濾波器的容量,而且其費(fèi)用也比電容高,因而很少用于實際工程中。
5.4混合濾波補(bǔ)償方案
在醫(yī)院配電系統(tǒng)中,將有源濾波器+無源調(diào)諧式濾波器、無功補(bǔ)償?shù)姆椒ńY(jié)合起來,既能保證無功的安全,又能完quan消除電網(wǎng)的諧波成分,節(jié)約能源,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
5.5采用無功補(bǔ)償方案
通過對靜態(tài)無功補(bǔ)償(SvC)、靜態(tài)無功產(chǎn)生(SvG)進(jìn)行補(bǔ)償,并與在線無功補(bǔ)償系統(tǒng)相結(jié)合,能夠根據(jù)醫(yī)院配電系統(tǒng)的具體狀況,動態(tài)的進(jìn)行補(bǔ)償,從而吸收高次諧波,降低電壓閃點,從而有效地改善電網(wǎng)的供電可靠性和供電品質(zhì)。
5.6諧波治理設(shè)備的選擇
對于已投入使用的醫(yī)院,可以根據(jù)實際情況來確定過濾裝置的容量。對正在建設(shè)的醫(yī)院大樓,根據(jù)以下方法計算出諧波電流,選擇合適的濾波裝置。
a.現(xiàn)場補(bǔ)償:根據(jù)用電設(shè)備的工作電流乘以諧波失真率,可以得到有效的諧波電流,并選用三線濾波電路。
b.在不使用現(xiàn)場補(bǔ)償?shù)那闆r下,僅使用集中的方式,將醫(yī)療器械設(shè)備與其它電器設(shè)備相結(jié)合,可使失真率增加至20%。
由于有源濾波器的輸出電壓隨系統(tǒng)的諧波而發(fā)生動態(tài)變化,不存在過補(bǔ)償問題;此外,該濾波器還具有過載保護(hù)的特性,而無需考慮過負(fù)載問題。
6安科瑞醫(yī)院EMS能效管理系統(tǒng)
6.1平臺拓?fù)鋱D
6.2醫(yī)院電力監(jiān)控解決方案
電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對變壓器、柴油發(fā)電機(jī)、斷路器以及其它重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、測量、記錄、報警等功能,并與保護(hù)設(shè)備和遠(yuǎn)方控制及其他設(shè)備通信,實時掌握供電系統(tǒng)運(yùn)行狀況和可能存在的隱患,快速排除故障,提高醫(yī)院供電可靠性。
電力監(jiān)控系統(tǒng)主要針對開閉所和10/0.4kV變電所,對高壓回路配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控,對0.4kV出線配置多功能計量儀表,用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況。同時對醫(yī)院重要設(shè)備如柴油發(fā)電機(jī)、無功補(bǔ)償裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。
電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置
應(yīng)用場合 | 名稱 | 系列型號 | 圖片 | 功能 |
系統(tǒng)后臺 | 電力監(jiān)控軟件 | Acrel-2000/Z | 數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)字通信、遠(yuǎn)程操作與程序拉制、權(quán)限管理、車件記錄與告營、故障分析、各類報表 | |
通訊層 | 智能網(wǎng)關(guān) | Anet系列 | 8個RS485串口2kV隔離,2個以太網(wǎng)接口,支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協(xié)議設(shè)備的接入,支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協(xié)議、支持多不同數(shù)據(jù)服務(wù)要求,支持?jǐn)帱c續(xù)傳,裝置電源:220VAC/DC。 | |
35KV、10KV | 微機(jī)保護(hù)裝置 | AM6-x | 相間電流速斷保護(hù),相間限shi電流速斷保護(hù)(可帶低壓閉鎖),相間過電流保護(hù)(可帶低壓閉鎖),兩段式零序過流保護(hù),反時限相間過流保護(hù)(可帶低壓閉鎖),零序反時限過流保護(hù),過負(fù)荷保護(hù),控制回路異常告警。 | |
35KV\10KV進(jìn)線側(cè) | 電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置 | APView500 | 相電壓電流+零序電壓零序電流,電壓電流不平衡度,有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波,諧波(電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子)、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波,波形實時顯示及故障波形查看,PQDIF格式文件存儲,內(nèi)存32G,16D0+22D1,通訊2RS485+1RS232+1GPS,3以太網(wǎng)接口(+1維護(hù)網(wǎng)口)+1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù),支持61850協(xié)議。 | |
35KV/10KV測量 | 多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表 | APM-520 | 具有三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ)、電能統(tǒng)計、電能質(zhì) 量分析(包括諧波、間諧波、閃變)、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功 能及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能,主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、AO模 塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊,可以靈活實現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控 | |
35KV\10KV帶電顯示裝置 | 智能操控裝置 | ASD500 | 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠(yuǎn)方/就地、分合閘、儲能旋鈕預(yù)分預(yù)合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應(yīng)、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4~20mA輸出; | |
35KV\10KV弧光保護(hù) | 弧光保護(hù)裝置 | ARB5-x | 主控單元,可接20路弧光信號或4個擴(kuò)展單元,配置弧光保護(hù)(8組)、失靈保護(hù)(4組)、TA斷線監(jiān)測(4組)、11個跳閘出口; 擴(kuò)展單元,多可以插接6塊擴(kuò)展插件,每個擴(kuò)展插件可以采集5路弧光信號: 弧光探頭,可安裝于中壓開關(guān)柜的母線室、斷路器室或電纜室,也可于低壓柜。弧光探頭的檢測范圍為180°,半徑0.5m的扇形區(qū)域; | |
35KV\10KV配電柜 | 無線測溫 | ATE400(PT柜選用ATE200) | 監(jiān)測母線、線纜接頭、斷路器觸臂、觸頭溫度,可通過無線傳輸至ASD320就地顯示,也可以上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。電源分為內(nèi)置電池式和感應(yīng)取電式,固定方式有螺栓固定,表帶式捆綁,測溫范圍-50℃-125℃,精度±1℃ | |
0.4KV進(jìn)線 | 多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表 | APM-520(96外型) | 具有三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ)、電能統(tǒng)計、電能質(zhì) 量分析(包括諧波、間諧波、閃變)、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功 能及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能,主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、AO模 塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊,可以靈活實現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控 | |
電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置 | APView500 | 相電壓電流+零序電壓零序電流,電壓電流不平衡度,有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波,諧波(電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子)、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波,波形實時顯示及故障波形查看,PQDIF格式文件存儲,內(nèi)存32G,16D0+22D1,通訊2RS485+1RS232+1GPS,3以太網(wǎng)接口(+1維護(hù)網(wǎng)口)+1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù),支持61850協(xié)議。 | ||
測溫監(jiān)控裝置 | ARTM-Pn-E | 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器;U、I、P、Q等全電參量測量;2路告警輸出;1路RS485通訊; | ||
無線測溫傳感器 | ATE400 | 監(jiān)測母線、線纜接頭、斷路器觸臂、觸頭溫度,可通過無線傳輸至ASD320就地顯示,也可以上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。電源分為內(nèi)置電池式和感應(yīng)取電式,固定方式有螺栓固定,表帶式捆綁,測溫范圍-50℃-125℃,精度±1℃ | ||
0.4KV濾波柜 | 有源諧波治理系統(tǒng) | AnSin-xxx | 有源電力濾波器井聯(lián)在含諧波負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中,能夠?qū)討B(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實時的跟蹤和補(bǔ)償, | |
0.4KV補(bǔ)償柜 | 有源無功補(bǔ)償系統(tǒng) | AnCos-xxx | 低壓無功功率補(bǔ)償裝置并聯(lián)在整個供電系統(tǒng)中,能根據(jù)電網(wǎng)中負(fù)載功率因數(shù)的變化通過控制器控制電力電容器投切進(jìn)行補(bǔ)償,無功功率補(bǔ)償裝置采用散件組成方案,主要以電容電抗、投切開關(guān)、控制器等組成。 補(bǔ)償方式:線性補(bǔ)償,全響應(yīng)時間<5ms,瞬時響應(yīng)時間≤100us;補(bǔ)償效果:≥0.99,可補(bǔ)償容性無功和感性無功,濾除5、7、9、11、13次以內(nèi)的諧波;自身損耗:≤百分之2,效率:>百分之98;監(jiān)控以及顯示具備遠(yuǎn)程通訊接口,可以通過PC機(jī)實時監(jiān)控;具有人性化的人機(jī)交互界面,可通過該界面看到系統(tǒng)和本體的實時電能質(zhì)量信息,操作簡單,可以遠(yuǎn)控,也可以本控;標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計,縮短交付周期,同時提高了使用的可靠性和可維護(hù)性。 | |
0.4KV饋線 | 多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表 | APM-510(72外型) | 具有三相(I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ)、電能統(tǒng)計、電能質(zhì) 量分析(包括諧波、間諧波、閃變)、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功 能及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能,主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、AO模 塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊,可以靈活實現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控 | |
電氣火災(zāi)監(jiān)測模塊 | ARCM200系列 | 三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cos中),視在電能、四象限電能計量,單回路剩余電流監(jiān)測,4路溫度監(jiān)測,2路繼電器輸出,4路開關(guān)量輸入,事件記錄,內(nèi)置時鐘,點陣式LCD顯示,2路獨(dú)立RS485/Modbus通訊 | ||
測溫監(jiān)控裝置 | ARTM-Pn-E | 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器;U、I、P、Q等全電參量測量;2路告警輸出;1路RS485通訊; | ||
無線測溫傳感器 | ATE400 | 合金片固定,CT感應(yīng)取電,啟動電流大于5安培,測溫范圍-50-125C,測量精度±1℃;無線傳輸距離空曠150米; | ||
低壓回路 | 電流互感器 | AKH-0.66系列 | 測量型互感器,采集交流電流信號 |
7結(jié)束語
在醫(yī)院配電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、施工、運(yùn)行維護(hù)中, 加強(qiáng)對電網(wǎng)的諧波處理,并采取適當(dāng)?shù)闹C波處理措施,以達(dá)到減少電網(wǎng)損耗的目的,保證醫(yī)院配電系統(tǒng)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)、 的運(yùn)行和發(fā)展。
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[4]安科瑞用戶變電站變配電監(jiān)控解決方案2021.10
作者簡介:
任運(yùn)業(yè),男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。