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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
ANAPF有源滤波器模块化安装优势 安科瑞鲍静君
摘 要：本文介绍了ANAPF有源滤波器模块化设计的特点，并结合实际应用介绍了抽屉式APF模块在柜体内的安装指引，以及壁挂式APF模块挂墙安装的方式，体现了模块化设计在安装、售后维护、扩容等方面的优势，同时为用户节约了成本。
关键词：有源滤波器 抽屉式 壁挂式 模块化特点 安装优势
引 言：ANAPF有源滤波器是一种常用的用于谐波治理的产品，目前市场上大部分都是柜体式的产品，柜体式设计方案存在生产效率低，安装及售后服务不方便、无法扩容、成本高等缺陷，有时严重影响客户交期，为此 模块式设计方案可以解决上述问题。
1.ANAPF有源滤波器的工作原理
ANAPF有源电力滤波器(以下简称APF)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。
（上图为ANAPF有源电力滤波器原理图）
2.APF模块的介绍
APF模块化设计根据安装方式分为两种：抽屉式模块和壁挂式模块
2.1抽屉式模块：
2.2壁挂式模块：
单个模块较大容量达100A，可单独安装使用，壁挂式模块适用于负荷容量较小或场地紧凑的场合，可直接挂在墙上，也可根据实际容量、柜体尺寸要求，采用合适的模块数量挂在柜体中，通过并机满足客户谐波容量需求。抽屉式也可采用多个100A模块并联安装在柜体中形成大电流补偿装置，根据实际补偿容量需求增减柜体内模块数量，较于壁挂式模块安装更方便、适用于大负荷容量的场合。
3.APF模块化设计特点
3.1模块化设计、积木扩展式并联结构，安装便利、方便扩容、可作为零部件单独使用。
模块化有源滤波器为积木扩展式并联结构，主电路中的每个电气元件都小型化和标准化，整个拓扑封装在一个模块内，APF模块与柜体采用钣金固定，用户扩容时把APF装进预留空间的APF柜体内，插上光纤即可
3.2维护便捷，支撑在线维护
任何一个电气元件损坏只会影响当前模块运行，APF柜内其他模块正常运行，不会导致整套APF瘫痪。维护时只需把故障APF模块从柜体中移出，更换上新的APF模块即可。
3.3可靠性高、温度均匀
逆变单元中的IGBT、LCL滤波器中的滤波电感和阻尼都微型化、功率小，发热元件平均分配到每个滤波模块中，热量均匀，电气元件不易发生因为温度过高而失效，同时每个模块中都配有散热风机。
3.4控制器线路板与APF模块及APF模块之间采用光纤传输数据
控制器与功率单元之间采用光纤连接，整个数据传输都为光信号，不会受到电磁干扰。在信号衰弱方面，光纤传输衰减远远小于传统排线传输
3.5实时跟随、动态补偿
采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测技术，实时监测谐波电流，通过瞬时电流跟踪控制，实现谐波电流动态补偿，自动跟踪电网谐波变化，具有高度可控性和快速响应性。
3.6补偿方式灵活
一机多能，不仅能治理谐波，而且能补偿无功、提高功率因数。既可对单个谐波源独立补偿，也可对多个谐波源集中补偿。
4.APF模块化安装的介绍
APF有源滤波器电流规格分别为：50A、100A、150A、200A、250A、300A. 按单个模块较大容量50A。例：100A为2个模块组成，依次类推300A为6个模块组成。
4.1标准APF柜体结构示意（柜体可根据客户要求定制）
柜体型材：C型材
柜体尺寸：宽*深*高800*1000*2200 防护等级：IP30
柜体颜色:RAL7035
标准眉头（图示：A）:高60mm，红底白字，前后眉头，眉头**部与柜**齐平
图示B和F分别为母线区前后门，有封板式和柜门式两种，图示为柜门式，高度有180、200、220可供选择，也可根据客户要求定制。
C为柜底挡板区，高度有100、120两种尺寸，也可根据客户要求定制。
D为母线区，高度有200、250两种尺寸，也可根据客户要求定制。
E为地排区，标准高度为150㎜，其他高度会影响柜体备货和模块安装数量。
图示柜体前后门为标准前后门，小门宽度200㎜，大门宽度600㎜。柜子前后门上需多开散热孔，便于通风散热。
4.2 抽屉式模块在柜内的安装
目前常规的APF柜内空间有限，抽屉式模块较多安装6个，组合容量为300A的有源滤波器。但是，我们正在向更多模块数，更大容量化的方向进行研究与发展。
4.2.1抽屉式模块外形及安装孔尺寸
模块实物正视
模块实物背视
模块安装孔尺寸
4.2.2抽屉式模块安装说明
6个模块，容量为300A的APF模块安装示意图
● 柜内模块支撑支架由上往下左右两边支撑支架序号分别是1、2、3、4、5.支架置于柜内侧横梁上，每个支架上有对应序号数量的小孔，仅仅作为支架的区别用，不做安装使用。柜内4个模块及以下模块固定位置从支撑支架3开始安装，即APF1模块置于支架3上，APF2模块置于支架4上，若4个模块，以此类推，APF4模块置于柜内底支撑梁上。5个模块时APF1模块在支撑支架2上。如下图（一）所示。
● 每个APF模块根据上述安装固定位置要求，放置于柜内相应位置，模块前面板上的安装孔刚好对应柜内安装支架上的安装孔，然后用M6的螺钉紧固，如下图：
图（一）
● 每个模块配一个微型断路器（现以天水213品牌微型断路器为例），起保护、分合作用，便于以后检修。微断的安装位置与板载模块位置相对应，置于柜左侧小门里的35㎜的导轨上。
4.2.3抽屉式模块接线说明
APF板载模块原理图
4.2.3.1一次电缆接线
图（二） 图（三） 图（四）
如图（二）、(三)所示，模块上A、B、C、N四相线分别接于微型断路器下桩头上，然后A、B、C、N四相线从微型断路器上桩头分别接在柜内A、B、C、N四根汇流排上，客户进线分别引至这四根汇流排上，见图（四）。完成一次电缆连接。
4.2.3.2光纤连接
如图（五）两图所示：APF1模块上R1不接、T1接于APF2模块上R1，APF2模块上T1接于APF3模块上R1，依此类推，柜内最后一个模块上的T1不接。
图（五）
4.2.3.3互感器信号线缆连接
图（六）外接互感器原理图
如图（六）所示，CT1~CT3为外接互感器，APF1模块上Ia*、Ib*、Ic*引至柜内1、2、3片试验端子上，分别对应接外接互感器A、B、C相S1,APF1模块上Ia、Ib、Ic分别接APF2模块上Ia*、Ib*、Ic*，APF2模块上Ia、Ib、Ic分别接APF3模块上Ia*、Ib*、Ic*，以此类推，柜内较下端一个模块上的Ia、Ib、Ic环绕一起分别接至4、5、6片试验端子上，分别对应外接互感器A、B、C相S2端，如图（七）所示。
图（七）端子
4.3 壁挂式模块挂墙安装的说明
4.3.1壁挂式模块实物外形
壁挂式模块实物正视
4.3.2壁挂式模块安装说明
我司提供安装支架，如图（八）（九）所示，安装支架用M10的膨胀螺栓固定在墙上，模块后侧挂墙安装孔对应安装在安装支架上。便于接线及模块散热要求。
4.3.3壁挂式模块接线说明
例100A的有源滤波器，可以用两个容量50A模块并排安装。
4.3.3.1一次电缆接线
图（十一）
用16㎜2线缆分别从两模块上端A、B、C、N引至4级塑壳断路器桩头上或3较加N排。
4.3.3.2光纤接线
如上图（十一）所示，APF1模块上R1不接、T1接于APF2模块上R1，APF2模块T1不接。
4.3.3.3互感器信号线缆接线
如图所示，CT1~CT3为外接互感器，APF1模块上Ia*、Ib*、Ic*分别对应接外接互感器A、B、C相S1,APF2模块上Ia、Ib、Ic环绕一起分别对应外接互感器A、B、C相S2端。
4.3.4 例：APF100A壁挂式模块的安装示意图
5.APF容量计算方法
谐波是由非线性设备产生的，而每种设备的实际工作状态都不同。因此实际谐波电流需采用专门设备进行测量，考虑到设备的技术及经济性，设计谐波治理装置的额定谐波补偿电流应略大于系统谐波电流。由于谐波电流本身的测量与计算比较复杂，况且在设计时往往很难采集到足够的电气设备使用中的谐波数据，可以根据下列公式估算谐波电流进行选型。
5.1 根据负载额定电流和行业类型选型
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。
常见谐波负载的谐波含量
6.结束语：
模块化设计有源滤波器结构轻巧、安装方便，为用户节约了投资成本，缩短了生产工期；制造趋于标准化，减少生产环节的规格变化，更适宜大批量、标准化生产，产品品质更有**。多模块并联有源滤波器补偿方式比较灵活，采用不同数量补偿模块并联后，可以用于不同容量及要求的谐波抑制场合，因此在解决各种不同的工业及商业应用场合方面具有可靠性和更高的灵活性。为低压配电网的谐波治理工程提供了的补偿装置，具有良好的应用价值和应用前景。
【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