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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
安科瑞有源电力滤波器在通信行业中的应用 安科瑞鲍静君
摘要：随着通信行业的迅猛发展，大量使用UPS、开关电源及变频设备等非线性负载，在使用过程中会产生大量的谐波电流，给配电系统带来严重的污染，不仅会影响配电系统安全运行，还会引起其他设备的不稳定，为此，安科瑞有源电力滤波器为通信行业电能治理，为电力系统保驾**。
1、通信行业谐波源分析
（1）UPS不间断电源
目前移动通信机房大量使用的UPS多为三相全控桥6脉冲可控硅整流方式，单套容量大，其谐波电流畸变率大都在25%~35%之间，主要谐波为5、7、11、13次谐波。
（2）开关电源
开关电源是移动通信机房应用较多的设备，其特点是单元容量比较小，输入端采用整流电路，致使电流波形产生畸变，其谐波电流畸变率大都在30%~60%之间，不同品牌的开关电源谐波含量差别比较大。
（3）计算机设备
电路中的开关器件及感性负载工作于高频开关状态而产生脉冲，计算机设备产生谐波以3次、5次和7次为主。
2、通信行业的电能质量问题及危害
移动通信设备对电能质量要求较高，移动通信机房作为移动公司的核心区域，必须保证配电系统和用电设备安全可靠运行，一旦发生电气事故造成停电或设备故障造成停机，造成的经济损失和社会负面影响很难估量。
非线性设备在使用过程中会产生大量的谐波，导致电压、电流波形发生畸变，严重影响机房供电安全,诸如电缆发热、备用柴油发电机组无法正常投切、IT设备寿命降低、控制设备工作异常、保护开关误动作、无功补偿装置不能正常投切等。
3. 通信行业谐波治理解决方案
针对于以上通信行业谐波污染情况，经测试及分析，建议加装有源电力滤波器，经过实际应用效果证实其性能，避免由谐波给数据机房带来的严重影响，保证供电系统稳定性、安全性。
3.1 ANAPF有源电力滤波器在数据机房的应用
3.1.1 项目背景
常熟智慧城市是一个市民卡信息中心，其中包括大型数据机房，对电能质量要求非常高；为了提高供电可靠度，采用大量的UPS作为设备电源，机房内还包含空调设备、照明设备等。此类电力电子设备皆属于非线性负载，在使用过程中会产生大量谐波并注入系统中，主要以5次、7次为主；如果不进行谐波治理，对电网造成严重的污染，也影响机房中其他敏感设备，比如导致通信数据错误，甚至瘫痪、中断，降低了配电系统的安全性、可靠性。
3.1.2治理方案
根据以往测量经验进行谐波分析与估算，谐波主要由UPS和一些非线性直流电源产生，供电系统由2台800kVA变压器及其一台800kW发电机组成，采用集中治理方案，在每台变压器下加装300A有源电力滤波器，型号为 ANAPF300-380/BGL，来自动跟踪补偿负载产生的谐波电流，保证整个系统安全可靠运行。
3.1.3治理效果
图3-1治理前电流波形和各次谐波柱状图
图3-2治理后电流波形和各次谐波柱状图
由上图可以看出，治理前，N线电流较大，3次、5次、7次等谐波频次含量较大；治理后，N线电流明显降低、各次谐波电流得到有效抑制，提高了供电系统的稳定性，消除了谐波对通信系统影响的危害，收到了良好的运行效果。
3.1.4安装现场
3.2安科瑞有源电力滤波器介绍
3.2.1 基本原理
ANAPF系列有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。其原理为：ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。
图3-3 ANAPF有源电力滤波器原理图
3.2.2主要技术参数
3.2.3 产品特点
● DSP+FPGA全数字控制方式，具有较快的响应时间，的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；
● 一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或*特定次谐波进行补偿；
● 具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；
● 模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容，可满足不同工况的需求；
● 受电网阻抗的影响不大，没有与电网阻抗发生谐振隐患；
● 输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；
● 拥有自主**技术。
4、结论
本文分析了通信行业中谐波存在源、谐波特性以及危害，介绍了ANAPF低压有源滤波器的特点以及技术参数，并通过某城市数据机房的应用案例，对比分析了有源滤波器投入前后的谐波治理，可以满足通信行业需求，为其电力系统保驾**，提升电能质量，改善用电环境，提高设备的使用寿命和性能。
