醫(yī)院電氣設(shè)備諧波治理分析

陳 義 清

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

0 引 言

隨著各種電氣設(shè)備在醫(yī)院診療中的使用越來越廣泛,諧波源越來越多,造成線路及電源處的諧波污染也越來越大。某醫(yī)院變電所有電源進(jìn)線柜3個(gè),現(xiàn)場的配電系統(tǒng)存在以下問題:出現(xiàn)配電線路損耗增大、發(fā)熱、縮短絕緣壽命;出現(xiàn)電容器等設(shè)備燒毀現(xiàn)象;出現(xiàn)部分醫(yī)療設(shè)備(如核磁共振、CT)數(shù)據(jù)失真、損壞,瞬時(shí)掉電等現(xiàn)象[1]。經(jīng)初步判斷,系統(tǒng)中電力側(cè)諧波和用戶側(cè)諧波的含量都比較大,需要做一個(gè)全面的諧波檢測[2]。

1 諧波的檢測、分析及建議治理方案

電能質(zhì)量分析儀如圖1所示。

諧波檢測位置如圖2所示,橢圓處表示為測試示意位置。

對各電源進(jìn)線柜點(diǎn)進(jìn)行測量,并對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各電源進(jìn)線柜測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各電源進(jìn)線柜測量數(shù)據(jù)

1#變壓器電源進(jìn)線柜監(jiān)測得到數(shù)據(jù)如圖3所示。

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論:測量時(shí)系統(tǒng)電流為698 A,三相電流相對平衡;負(fù)載在無電容柜運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)為0.88;電流波形畸變非常明顯,出現(xiàn)馬鞍形,畸變嚴(yán)重;總電流畸變率在測試過程中最高達(dá)14.1%;3、5、7、9次諧波都非常高,諧波相對基波比例分別為11.0%、 6.6%、 0.4%、 4.8%。

此階段諧波電流大小可根據(jù)公式Ih=I1×THD%,電流、畸變率以測量時(shí)計(jì),諧波電流為98 A,考慮到諧波治理的必要性及負(fù)載的變化等因素,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知,治理容量需要相對放大余量進(jìn)行,建議本段母線的可選治理容量為100 A。

同理,4#進(jìn)線柜諧波電流為117 A,建議本段母線的可選治理容量為125 A;5#變壓器電源進(jìn)線柜諧波電流為36 A,建議本段母線的可選治理容量為75 A。

產(chǎn)生的問題因諧波引起,因此提出了針對電流諧波治理的建議方案:1#變壓器電源進(jìn)線柜,安裝100 A諧波保護(hù)柜;4#變壓器電源進(jìn)線柜,安裝125 A諧波保護(hù)柜;5#變壓器電源進(jìn)線柜,安裝75 A諧波保護(hù)柜。諧波保護(hù)柜安裝點(diǎn)如圖4所示。

2 諧波的分析及危害成因

2.1 諧波的產(chǎn)生

諧波產(chǎn)生的原因?yàn)榉蔷€性負(fù)載工作時(shí),由于非線性負(fù)載輸入端的整流電路阻抗不是一個(gè)定值,其阻抗隨著外加電壓的變化發(fā)生變化,導(dǎo)致整流器從電網(wǎng)吸取的電流不是正弦波電流[3]。

三相整流器也會產(chǎn)生諧波電流,但是這時(shí)對應(yīng)每個(gè)波峰,不是一個(gè)脈沖電流,而是兩個(gè)脈沖電流。無論單相整流器還是三相整流器,其電流波形都發(fā)生畸變,不再是正弦波電流,因此包含諧波成分。

2.2 諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)

(1) 根據(jù)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5條“電壓選擇和電能質(zhì)量”中對電能質(zhì)量和諧波保護(hù)提出要求。第5.0.12 中規(guī)定:配電系統(tǒng)中的諧波電壓和在公共連接點(diǎn)注入的諧波電流允許限值必須符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定[4]。

(2) GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》,對交流額定頻率為50 Hz,標(biāo)稱電壓110 kV及以下的公用電網(wǎng)諧波的允許值已給出明確限制要求。標(biāo)準(zhǔn)要求采用電能質(zhì)量治理,如諧波保護(hù)器、有源濾波器等。

(3) GB 51348—2019《民用電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》也對精密生產(chǎn)企業(yè)的諧波要求提出明確的要求。

在380 V低壓配電系統(tǒng)中,很多情況下變壓器的容量小于10 MVA。因此,根據(jù)國家規(guī)定的諧波換算公式中有在變壓器的容量不同于表中的基準(zhǔn)短路容量時(shí),可按下式修正表中的諧波電流允許值:

(1)

式中:SK1——變壓器容量;

SK2——基準(zhǔn)短路容量;

Ihp——第h次諧波電流允許值;

Ih——變壓器容量為SK1時(shí)第h次諧波電流允許值。

2.3 諧波的危害

諧波的危害如表2所示。

表2 諧波的危害

3 諧波治理效益分析

在加裝諧波保護(hù)柜后將會帶來以下效益[5-6]:

(1) 保障電動(dòng)機(jī)等設(shè)備用電環(huán)境,降低由于諧波電流和電壓對變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)所造成的主要效應(yīng)為在諧波頻率下鐵損和銅損的增加所引起之額外溫升;提高電動(dòng)機(jī)效率,減少轉(zhuǎn)矩影響。

(2) 直接降低系統(tǒng)中電流畸變率,減少電網(wǎng)中的諧波含量,保證諧波含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 降低諧波在企業(yè)電網(wǎng)中設(shè)備產(chǎn)生附加諧波損耗,降低電網(wǎng)線損。在三相四線制系統(tǒng)中,零線會由于流過大量的3次及其倍數(shù)次諧波電流,造成零線過熱,嚴(yán)重時(shí)造成電纜火災(zāi),經(jīng)過諧波治理后消除此隱患。降低諧波產(chǎn)生額外的集膚效應(yīng),消除諧波引起的用電設(shè)備發(fā)熱、使絕緣老化、降低設(shè)備的使用壽命、甚至關(guān)鍵部件的頻繁損壞的問題。

(4) 消除諧波使電網(wǎng)與補(bǔ)償電容器之間發(fā)生諧振,避免諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍、造成過電流、引起電容器和與之相連設(shè)備損壞的問題。

(5) 消除諧波對附近系統(tǒng)的信號傳輸產(chǎn)生干擾。諧波對附近系統(tǒng)的信號傳輸產(chǎn)生干擾,輕者引入噪聲,重者導(dǎo)致信號丟失,使系統(tǒng)無法正常工作。計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)傳送和自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失,經(jīng)常會造成自動(dòng)化產(chǎn)品線上廢品率的增加。

(6) 消除電力系統(tǒng)繼電保護(hù)誤起動(dòng),誤動(dòng)作跳閘,拒動(dòng)和損壞,及經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)保護(hù)儀損壞和誤動(dòng)作的問題。

(7) 降低電網(wǎng)諧波污染而導(dǎo)致的輸電線路、變壓器和電機(jī)損耗增加,從而節(jié)約能源。

(8) 消除諧波引起的變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等鐵芯磁感應(yīng)環(huán)流的增加,減小電氣設(shè)備發(fā)熱的損耗,降低功耗及絕緣老化,延長設(shè)備壽命,防止燒毀旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

(9) 消除因諧波影響而使電能表等計(jì)量裝置誤差增大,不能正確計(jì)量電能的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

結(jié)合實(shí)際工程案例,對現(xiàn)代醫(yī)院中出現(xiàn)的諧波及造成的危害性,提出一種諧波解決方案。雖需要投入一定的資金,但從數(shù)據(jù)安全、用電安全、綠色節(jié)能、設(shè)備保護(hù)等方面帶來的經(jīng)濟(jì)效益還是十分明顯的。