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有源滤波装置在医疗机构中的重要性及应用 安科瑞鲍静君
摘要：现今科技发展日新月异，医疗水平不断提高，同时也伴随着各种大型医疗设备的引入，这些医疗设施中产生大量谐波，给医疗设备的电气安全和设备的正常工作带来严重危害，有源滤波装置成为解决这一问题的关键装置。
关键词：有源滤波装置 谐波 治理 医疗机构
0.引言
本文从分析医院中哪些设备是谐波源，分析其危害，提出治理措施，并以实际案例来分析有源滤波装置如何选型。
1.医院供配电系统谐波源
1.1医疗设备
在医疗设备中有大量的电力电子元器件，这些设备在工作时会产生大量谐波，造成污染。比较常见的设备有MRI（核磁共振仪）、CT机、X线机、DSA(心血管造影机）等。其中，MRI工作时会生成射频脉冲和交变磁场来产生核磁共振，而射频脉冲和交变磁场都会带来谐波污染；X光机中高压整流器的整流桥工作时将产生较大谐波，而且X光机为瞬时性负荷，工作时电压可达几十千伏，变压器的原边将增加60~70kw的瞬时负荷，也会增加电网谐波。
1.2电器设备
医院中的通风设备如空调、风机等，以及照明设备如荧光灯都会产生大量谐波。为了节约能源，医院*都采用变频风机及空调。变频器是一种非常重要的谐波源，其总谐波电流畸变率THD-i达到33%以上，会产生大量5、7次谐波电流污染电网。医院内部的照明设备中，有大量的荧光灯具，也会产生大量的谐波电流。当多个荧光灯接成三相四线负载时，中线会流过很大的三次谐波电流。
1.3通信设备
目前医院均为计算机网络化管理，这就表示计算机数量、视频监控和音频设备数量很多，而这些都是典型的谐波源。此外，计算机网络管理系统中有存储数据的服务器，必须配有UPS等备用电源。UPS先将市电整流成直流电，一部分储存在电池中，另一部分通过逆变器转换成稳压交流电向负载供电；当市电终端供应时，改由电池向逆变器供电以继续工作，保证负载的正常运作。而我们知道，整流和逆变会采用到IGBT和PWM技术，所以UPS在工作时会产生大量3、5、7次谐波电流。
2.谐波对医疗设备的危害
从上面的描述中我们可以发现，医院的配电系统中有很多谐波源，会产生大量谐波（以3、5、7次谐波为较多）严重污染电网，引起谐波**标、中性线谐波过载等电能质量问题。这些问题都会影响医疗设备的使用。
2.1谐波对影像采集类设备的危害
由于受到谐波的影响，医疗工作人员经常会遇到设备故障。这些故障轻则发生数据差错、图像模糊、信息丢失等问题，重则损坏电路板元器件造成医疗设备无法继续正常工作；特别是一些成像设备，受到谐波影响时内部的电子元件可能会记录波动并改变输出，将导致波形图像重叠变形或模糊不清，*造成误诊。
2.2谐波对**护理仪器的危害
**用电子仪器有很多，受谐波危害较大的是手术治疗仪器。手术**是指用激光、高频电磁波、放射线、微波、超声等单独的或配合传统手术的**。相关设备受到谐波干扰，输出信号中将含有杂波或直接放大谐波信号，对患者造成强烈的电刺激，在对某些重要部位进行**时，存在重大安全隐患。而护理仪器比如呼吸机、起搏器、心电监护仪等都与被监护人的生命息息相关，有些仪器的信号本身就非常微弱，当受到谐波干扰时可能导致采集信息错误甚至无法工作，给患者和医院造成重大损失。
3.谐波的治理措施
根据谐波的产生原因，其治理措施大致可分为以下三种：减少系统阻抗、限制谐波源、安装滤波装置。
3.1减少系统阻抗
要达到减少系统阻抗的目的，就要减少非线性用电设备与电源间的电气距离，换句话说就是提高供电电压等级。比如某钢厂的主要设备是电弧炉，原先用35KV供电，由两个110KV的变电所分别架设一回35KV专线供电，在35KV的母线上测得谐波分量较高；后改用一个距离只有4公里的220KV变电所架设5回35KV专线供电，母线上谐波情况明显好转，此外该厂还使用了较大容量的同步发电机，使这些非线性负荷的电气距离大大下降，使该厂产生的谐波量减少。这种方法的投资较大，需要和电网发展规划协调，适用于大型工业项目，而且医院要求不间断连续供电，一般由两个或以上变电所供电，故不**考虑此方法。
3.2限制谐波源
此法需要改变谐波源的配置，限制大量产生谐波的工作方式，集中使用具有谐波互补性的装置使设备谐波互相抵消；增加变流装置的相数，使特征谐波次数提高，从而大大地降低谐波电流的有效值。这种方法需要重新布置设备线路，协调安排仪器的使用配合，具有较高的局限性。医院可以根据自身情况稍作调整，可以在一定程度上减少谐波量。
3.3安装滤波装置
目前常用的交流滤波装置有：无源滤波装置、有源滤波装置（APF）两种。无源滤波装置又称LC滤波装置，是利用LC谐振原理，人为地造成一条串联谐振支路，为准备滤除的特定次数谐波提供阻抗较低的通道，使之不注入电网。无源滤波装置结构简单，吸收谐波效果较明显，但于固有频率的谐波，而且补偿特性售电网阻抗的影响很大（在特定频率下，电网阻抗和LC滤波装置之间可能会发生并联谐振或串联谐振）。有源滤波装置（APF）是一种新型电力电子装置，用于动态抑制谐波、补偿无功。它能够实时的采集并分析负载的电流信号，分离各次谐波和无功，通过控制器控制变流器输出与谐波及无功电流等幅、反向的补偿电流，抵消负载中谐波电流，从而达到谐波治理的目的。有源滤波装置具有实时跟踪、响应*、补偿（可同时补偿无功和2~31次谐波）等显着的优点。
4 ANAPF有源滤波装置在医疗机构中的具体应用
随着人们生活水平的不断提高以及人口老龄化加速到来，医疗服务需求正在稳步增加，医疗服务产业即将进入快速增长期，而医疗行业较显着也是较重要的代表就是医院。由于医院特殊的社会价值和重要性，其电能质量问题的解决刻不容缓。
4.1 ANAPF的选型
谐波治理的好处，首先就是病患和医护人员的人身安全的到**，即通过治理谐波减少或消除其对配电系统的不良影响，保证变压器和医疗仪器的正常运行；其次直接体现经济效益，即**低压电容补偿系统的正常运行，发挥其应有的作用，降低电网中谐波含量，并且提高功率因数，减少无功损耗，延长设备使用寿命。
某市高新区人民医院配电系统，主要负载为电子医疗精密设备、照明及变频通风设备、计算机及UPS等，其主要负载谐波电流畸变率大致可参考下表。
通过现场人员了解到，此次需要治理谐波的负载集中在4台变压器下，这4台变压器容量分别为：两台1600KVA，具体参数如图1所示。
图1 苏州高新区人民医院3#变压器
两台2000KVA，具体参数如图2所示。
图2 苏州高新区人民医院5#变压器
根据变压器容量及具体设备使用情况，我们可以发现系统中多数为非线性设备，产生了大量谐波，对无功柜和其他用电设备均会产生影响。为了避免这种危害，考虑到治理效果和成本，并结合客户治理需求，根据公式（1）估算，我们此次的方案定为用两台200A的有源滤波装置和两台250A的有源滤波装置分别对4台变压器二次侧进行集中补偿。其中两台1600KVA的变压器采用200A的APF配套3000/5的采样电流互感器，两台2000KVA的变压器采用250A的APF配套4000/5的采样电流互感器。
4.2 ANAPF的安装方式
本项目柜体采用的是模块化组合式安装，如图1所示，该方式在此项目中有以下几个优点：
（1）可根据负载使用变化随时增、减APF设备的容量；
（2）每个模块单独安装散热单元，并可在柜体上加装散热风扇，散热效果良好；
（3）多个模块之间虽有通讯连接，但各台的故障并不会相互影响其它模块继续工作；
（4）后期维护方便，可实现故障模块单独维修、更换；维护期间ANAPF有源滤波装置可持续工作。
图1 模块化组合式安装示意图
本项目中的安装方案为负载侧集中补偿，安装方便，只需要将柜体放至*位置并接入主电路接线以及电流互感器接线即可调试使用，接线原理图如图3所示。
图3 主回路接线及互感器接线原理图
其中主电路接线一端接于主母排并线点，另一端接于ANAPF的柜后进线汇流铜排A/B/C/N上；电流互感器套在ANAPF并网点和需要补偿的负载之间进行采样，然后将信号接至柜内互感器接线端子上。
5.结语
从本文中我们可以了解到谐波对医疗行业的危害是很大的，大量的谐波会影响精密仪器的性能和使用，严重时可能危及人身安全；还会增加线路功率损耗和导体发热量，降低设备使用效率和寿命，故治理谐波的重要性不言而喻。通过安装有源滤波装置，能够很好地达到治理谐波的目的，从而**人身和设备安全。从短期来看，治理谐波需要一定的前期资金投入；但从长久发展来看，ANAPF有源滤波装置后期维护方便，可实时投切使用，它治理谐波所带来的经济效益和净化电网的社会效益也是很明显的。
【参考资料】
【1】安科瑞电能质量监测与治理选型手册。2015.08版
【2】安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版
板载式ANAPF有源滤波器产品介绍 安科瑞鲍静君
1 引言
近年来，电力电子技术不断地创新、发展，电力电子技术已被广泛应用于人们的生活、学习、工作中，常用的充电装置、计算机、UPS等都是电力电子技术发展的产物。这些设备的发明和使用给社会带来较大的便利，但随着这些设备的大量应用，电能质量问题也十分**。谐波作为目前危害电能质量的首要因素，受到了供用电双方的高度重视。社会上已经有许多电能质量解决方案，并已经形成一个规模庞大的产业，安科瑞电气就是其中的良好者。
2 谐波的产生和治理
谐波是什么？谐波通俗的来说就是指电流中所含有的频率为基波整数倍的电量，我们常说的N次谐波，它们的频率就是基波的N倍；从广义上来说，任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这也就是为什么有时会有“间谐波”（非整数倍工频频率）的说法。
2.1 谐波的产生
在只含线性元件（电阻等）的线路中，流过的电流与施加的电压成正比，电流波形为正弦波。而谐波产生的根本原因就是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成正比关系造成的波形畸变。当电力系统向含有非线性元器件的设备供电时，这些设备不光变换、吸收系统的电能，还会把部分基波转换成谐波，倒送入系统，污染电网。生活中常有的照明灯光、电视画面明暗闪烁等情况，都和谐波有关。
2.2 谐波的危害
在输配电网络中，谐波会降低变压器容量、减小线缆载流能力，严重时会造成突然电力中断，造成重大社会经济损失；在生产企业中，谐波会干扰通讯信号，还会引起元器件误动作，降低设备稳定性导致残次品率增加，还会加速设备老化缩短使用寿命，严重时可能损坏设备甚至引起火灾。
2.3 产生谐波的设备
产生谐波的设备一般是非线性设备，主要分为以下几类：
（1） 具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如变压器、电抗器等；
（2） 以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；
（3） 以电力电子元件为基础的设备，如开关电源、变流装置、调压装置等。
一些常见的产生谐波的负载及其谐波量可参见表1。
表1常见谐波负载的谐波含量
2.4 谐波治理方案
目前谐波治理的措施主要有3种：受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高他们的抗谐波干扰能力；主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生或减少谐波；被动治理，即外加滤波装置阻止谐波注入电网。被动治理是目前采用较广泛的谐波治理方案。
外加的滤波装置有两种，分别是无源滤波装置和有源滤波装置，他们各有优缺点。无源滤波装置结构简单，安装方便，初期投入小，但是只能滤除固定次数的谐波且易与电网发生谐振；有源滤波装置结构复杂，造价较高，但是补偿效果好，后期维护方便，维护成本低。所以安装有源滤波装置是目前被广泛应用的谐波治理方式。
3 板载式有源滤波装置产品介绍
ANAPF板载式有源滤波装置是我公司研发的电能补偿装置的一种，采用现代电力电子技术，基于高速全数字控制方式的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理**设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。与传统无源滤波器（相当于给谐波电流提供了接近于0的较低阻抗通道，以免谐波电流注入系统）相对比，有源滤波装置通过IGBT逆变模块实现了各次谐波的动态滤除。
3.1 ANAPF板载式有源滤波装置工作原理
ANAPF板载式有源滤波装置可以通过外部电流互感器，实时检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取并计算出负载电流的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中抵消对应谐波电流，达到滤波目的。工作原理图及补偿示意如图1所示。
图1 ANAPF工作原理及对应波形示意
3.2 ANAPF板载式有源滤波装置结构介绍及优势分析
ANAPF板载式有源滤波装置相较于公司前期的立柜式产品来说，体积更小、重量更轻、方便安装、更美观，这对产品的结构安排和内部集成度有了更高的要求。我司生产的ANAPF有源滤波装置分为两种安装方式 ，其主要参数如下：
壁挂式板载模块外观如图2所示：
抽屉式板载模块外观如图3所示：
其中壁挂式结构适用于负荷容量较小或场地紧凑的场合，一般推荐为单台独立运行时使用；抽屉式结构多采用多模块并联安装在抽屉柜体中的安装方式，可根据实际补偿容量需求增减柜体内模块数量，适用于大负荷容量的场合。目前我司常规产品较大为6个模块组合，并且正在向更多模块数，更大容量化方面研究与发展。其抽屉柜安装效果图如图4所示。
该方式相对于传统整柜式有以下几项优点：
（1）每个模块容量为50A（可在适当范围内浮动），相同的柜体格局下有更多容量选择，并可根据客户实际需求增加模块数量至6个以上（需加宽柜体尺寸，效果可参照图5）；
（2）可根据负载使用变化随时增、减APF设备的容量（加、减模块数量即可，并对人机界面作相应参数设置）；
（3）每个模块单独安装散热单元，并可在柜体上加装散热风扇，散热效果良好，故障率低；
（4）多个模块之间虽有通讯连接，但各台的故障并不会相互影响其它模块继续工作（补偿容量会相应减小）；
（5）后期维护方便，可实现故障模块单独维修、更换；维护期间ANAPF有源滤波装置可持续工作。
（6）结构精巧，设计灵活，可作为零部件（模块）单独购买，嵌入三方柜体；柜型外观、尺寸的改变基本不影响内部安装和整体使用效果。
（7）生产*，即使是非常规要求产品亦能保证及时投入使用，确保客户经济利益。
图4 模块化组合式安装示意图 图5 两列模块组装效果示意图
3.3 ANAPF板载式有源滤波装置的补偿效果
下面是某负载的产品应用效果图，其谐波含量在26%左右，通过电能质量分析仪PW3198的分析可以帮助我们很直观的看到补偿效果。
补偿前网侧谐波畸变率 补偿前网侧谐波畸变率
补偿后谐波电流含量仅为4%，低于国标对0.38KV电网的要求5%，以C相为例，对应的各次谐波含量清单如下：
补偿前C相各次谐波含量 补偿后C相各次谐波含量
从波形来看效果可以更直观的看到补偿效果：补偿前电流波形为M形，补偿后已变为正弦波，效果良好。
补偿前电压电流波形 补偿前电压电流波形
3.4 ANAPF板载式有源滤波装置的型号选择
该产品为并联型有源电力滤波器，其命名方式为：
其中谐波补偿电流的大小可安排售前工程师协助测量或根据变压器容量和行业类型自行估算后选择，计算方法见公式（1）。
4 结束语
ANAPF板载式有源滤波装置在原有立柜、抽屉、壁挂式产品基础上，进一步缩小了体积并减轻重量；由于其采用了高集成化模块设计，后期维护变得更加轻松、便利，而且治理效果也更显着。其不仅能治理谐波，也能补偿无功：有效地治理谐波，可改善电能质量使设备误动作率大大降低，从而提高电气设备利用率和产品合格率，既保证了电网安全运行，又能降低用户的电力损耗；而有效地补偿无功，使功率因数高达0.98以上，则避免了用户因功率因数不足而被罚款，也为用户带来了可观的经济收益。由此可见，选用ANAPF板载式产品，对电网设施和用户设备都有较大的益处，可以说是实现了供用电双方的共赢。
【参考资料】
安科瑞电能质量监测与治理选型手册。2015.08版
安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版