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    醫院配電系統電能質量問題解決方案

    2017-06-05   

    中國電源產業網

    導語:由于這幾年醫療衛生行業發展迅速,大量的新設備、新技術不斷加入到醫院日常工作中來,對醫院供配電系統帶來了巨大的壓力。如諧波、末端電壓不穩定、中性線電流過大等,其中尤以電力諧波狀況最為嚴重;由于用電的不均勻性,中性線電流過大問題日益突出,對配電系統的可靠性及安全性造成潛在隱患。

    一、醫院配電系統電能質量問題現狀

    由于這幾年醫療衛生行業發展迅速,大量的新設備、新技術不斷加入到醫院日常工作中來,對醫院供配電系統帶來了巨大的壓力。如諧波、末端電壓不穩定、中性線電流過大等,其中尤以電力諧波狀況最為嚴重;由于用電的不均勻性,中性線電流過大問題日益突出,對配電系統的可靠性及安全性造成潛在隱患。

    醫院作為特殊的服務行業,其供配電系統必須保證可靠性和持續性,供電安全可靠對其極為重要,大量的醫療設備如呼吸機、手術室照明、心電圖機、輸液泵、嬰兒保溫箱、血液分析儀、核磁共振儀、加速器等醫技及檢測設備,一旦出現斷電,后果極為嚴重。醫院配電系統一般采取10/0.4KV主變壓器(兩路供電,互為備用)、主要負載為電子精密設備、照明、通風設備(變頻)、計算機、UPS等,負荷類型單相、三相負荷均有,主要是以單相負荷為主。

    二、醫院配電系統中的電能質量問題

    a.諧波電流

    大量諧波的存在會使用電設備的附加損耗增加,使設備過熱,降低設備的效率和利用率;影響繼電和自動裝置工作的可靠性;使測量和計量儀器的指示和計量不準確,對設備檢測結果產生影響,進而導致檢測結果的偏差和錯誤,最終影響到對病患的檢測和排查、判斷;諧波會導致繼電保護誤動作;諧波使變壓器局部嚴重過熱,使電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短,以至于損壞。

    高頻諧波進入服務器通信系統后,產生大量的電磁干擾,造成服務器錯誤幀增多(主要表現為Ghosts幻像干擾、FCS幀校驗錯誤、Jabber超長幀的大量出現)、非法數據包激增并占用網絡流量、干擾比特流阻塞網絡通道,直接的后果就是服務器數據傳輸速度嚴重降低,數據錯誤大量出現,給信息化管理系統造成威脅。

    電力電容器因放大諧波導致自身過載,進而引起頻繁跳閘,無法投入運行;電力電容器與諧波產生諧振時,會造成瞬態過電壓,可能導致保護裝置直接跳閘,造成大面積停電;由于放大諧波電流過大,可直接造成電容器爆炸。

    b.中性線電流

    當零線電流過大時,通常會出現零線過熱、跳閘、變壓器因過熱而引發火災等現象。配變在三相負載不平衡工況下運行,將產生零序電流,該電流將隨三相負載不平衡的程度而變化,不平衡度越大,則零序電流也越大。運行中的配變若存在零序電流,則其鐵芯中將產生零序磁通。這迫使零序磁通只能以油箱壁及鋼構件作為通道通過,而鋼構件的導磁率較低,零序電流通過鋼構件時,即要產生磁滯和渦流損耗,從而使配變的鋼構件局部溫度升高發熱。配變的繞組絕緣因過熱而加快老化,導致設備壽命降低。同時,零序電流的存也會增加配變的損耗。

    三、治理方法介紹

    3.1 諧波治理技術介紹

    目前主要的諧波治理方法有兩種:無源濾波器與有源濾波器,以下分別介紹。

    ⊙無源濾波技術

    采用電力濾波裝置就近吸收諧波源所產生的諧波電流,是抑制諧波污染的有效措施。通常采用由電力電容器、電抗器和電阻器適當組合而成的無源濾波裝置進行濾波。其工作原理如下圖所示:

    image.png

    圖3.1 無源濾波器工作原理圖

    無源濾波器由電容電抗和電阻組成,根據電容電阻固有的阻抗特性,對某一特定頻率的諧波呈低阻抗,為負載諧波電流提供較低的阻抗通道,與電網阻抗形成分流的關系,使大部分該頻率的諧波流入濾波器,而不流入電網。

    無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點,因此無源濾波器仍然是目前廣泛采用的抑制諧波及無功補償的手段。不過,由于無源濾波器是通過在系統中為諧波提供一條并聯的低阻通路,以起到濾波作用,其濾波特性由系統和濾波器的阻抗比所決定,因而存在以下缺點:

    1

    濾波器一旦制成,性能參數難以變動,濾波特性受系統參數的影響較大。當系統參數改變,則濾波裝置有可能失效甚至會引起諧振。因此當電網諧波阻抗降低時,濾波效果將隨之降低;當電網參數不變而諧波電流增加時,可能使濾波器過載。另一方面即使電網參數和諧波電流都不變,但由于溫度變化,濾波器部件老化和其它因素都會影響濾波器性能而降低效率。此外濾波器的電抗電容值通常也會有容差即偏離其標準值±10%而增加了失諧度,也會降低濾波效率;

    2

    只能消除特定的幾次諧波,而對某些次諧波會產生放大作用。當電網短路容量大(即電源阻抗小)時,則要求濾波器阻抗還要更小,即要求濾波器是精確調諧(銳調諧),但由于部件性能的容差和變動使濾波器的設計有很大的困難;

    3

    諧波電流增大時,濾波器負擔隨之加重,可能造成濾波器過載;

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     有效材料消耗多,體積大。

    無源電力濾波器組成簡單,成本也較低。但由于無源電力濾波器容受系統阻抗影響,很難達到預期要求。而且由于無源元件本身的特性,會與電網阻抗一起作用引起諧振,諧振將引起某次諧波放大數倍,這對于供電系統來說是非常危險的。電網阻抗一般較為穩定,但難免會波動,這樣不但會影響濾波效果,而且可能引起諧振。另一方面,由于濾波支路表現出電容特性(對于濾波支路,容抗遠遠大于感抗),所以在電壓作用下,會產生超前的無功電流,這樣就存在一個問題,在使用無源電力濾波器同時還會進行無功補償,如果系統原有的無功含量不大(小于電容可以提供的無功),那么就會出現無功功率過補,功率因數可能因此下降,而且會提升電網電壓,這對某些設備也是不安全的。

    ⊙有源濾波技術

    由于無源濾波器具有以上缺點,隨著電力電子技術的不斷發展,人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器。與無源濾波器相比,有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應性,不僅能補償各次諧波,還可抑制閃變、補償無功,有一機多能的特點。

    有源電力濾波器由分為兩種:并聯型有源電力濾波器及串聯型電力濾波器,并聯型電力濾波器主要解決諧波電流問題;串聯型電力濾波器主要解決諧波電壓問題。它們的原理基本相同,并聯型有源濾波器檢測負載電流,通過相應算法計算出其諧波電流,然后發出與負載諧波電流大小相等、方向相反的電流,與負載諧波電流相互抵消,以達到減小電網側諧波電流的目的。

    有源電力濾波器的特點

    • 實現了動態補償,可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功進行補償,對補償對象的變化有極快的響應;

    • 可同時對諧波和無功進行補償,且補償無功的大小可做到連續調節;

    • 補償無功時不需貯能元件;補償諧波時所需貯能元件容量也不大;

    • 即使補償對象電流過大,電力有源濾波器也不會發生過載,并能正常發揮補償作用;

    • 受電網阻抗的影響不大,不容易和電網阻抗發生諧振;

    • 能跟蹤電網頻率的變化,故補償性能不受電網頻率變化的影響;

    • 既可對一個諧波和無功源單獨補償,也可對多個諧波和無功源集中補償。

    四、 APF 諧波治理方式

    醫院配電系統中的諧波治理主要分為兩種:

    ? 配電系統集中補償。

    ? 對關鍵污染源就地補償;

    一般推薦使用集中補償,集中補償方式有以下優點:

    ① 相比就地補償,設備利用率高,補償容量小,性價比高;

    ② 設備安裝的空間需求??;

     ★醫院主要用電設備:

    通過測試數據分析:加速器、X光機等設備產生的THDi大約在50%左右;CT、核磁共振、DSA(數字減影血管造影儀)等在30%左右;電子醫療檢測設備、手術室等在15%左右;變頻通風設備在30%左右。照明(熒光燈具)、計算機及UPS運行時會產生大量的諧波電流;由于醫院的單相負荷較多,由于零序諧波(如3次諧波)的存在,導致中性線電流過大。

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    4.1 集中補償

    集中補償方式是指在配電變壓器下集中安裝濾波器,阻止諧波電流流入上級電網,污染擴散。

    這種補償方式能夠保護上級電網,保證了變壓器運行在安全的電能環境。由于諧波具有矢量疊加性,所以在變壓器底進行集中治理時,各支路的諧波會在此矢量疊加,補償容量比就地補償容量減小。

    4.2 關鍵污染源的就地補償

    醫院配電系統中的諧波污染源主要是各種通風及水泵系統變頻器及數據機房UPS等,就地補償方式就是在這些負載與醫院配電系統接入點前,安裝有源電力濾波器進行濾波。

    這種補償方式能夠將諧波源產生的污染盡量控制在源頭位置,與此同時也產生了一些問題:

    ① 其所需設備的臺數增多,即容量變大。

    ② 安裝設備時需求的空間大。

    五、應用案例

    (1)有源電力濾波器應用案例

    通過測試,某醫院配電系統諧波含量大,影響到醫院信息化辦公平臺的運行速度和效率及數據傳輸安全。

    ?治理方案:

    根據上述情況,某公司使用有源電力濾波器進行了就地補償,治理效果對比如下:

    ?治理效果:

    image.png

    由投入濾波器前后電網電流波形可已清楚的看出,電網電流諧波絕大部分被濾除掉,波形已經接近正弦波。由投入濾波器前后,負載電流與電網電流數值可以看出,畸變率由38.4%降低為3.2%;3次諧波電流由85A降低為2.3A;5次諧波電流由48.1A降低為3A;7次諧波電流由26.0A降低為2.6A可見,濾波器投入后起到了很好的消除諧波的效果,提高了該醫院電網的電能質量,信息化辦公平臺的運行安全得到保證。

    (2) 中線安防控制器應用案例

    針對某醫院配電箱中(性)線電流過大進行了治理,中線安防控制器安裝后分別記錄安裝設備負載側(治理前數據)與電網側的電流(治理后數據)數據,由此分析治理效果。

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    配電系統圖:

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       圖3 配電系統圖

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       負載側(治理前數據):

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    表1 治理前數據

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       電網側(治理后數據):

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    表1 治理后數據

    數據分析

    從數據記錄中可以看到,在負載側,其中(性)線電流相比較相線電流非常大,是A相電流的2~3倍,最大時候中(性)線電流為79.2A,此時的A相電流為21A,是A相電流的3.77倍。在裝置工作后的網側,其中性線電流只有1~2A左右,與此同時系統中三相不平衡問題也得到了解決,各相電流均在50A左右。數據說明了該裝置對于中(性)線電流的消除效果明顯,消除了中(性)線長期過載運行所存在的火災隱患,為醫療配電系統的安全運行提供了有利的保障。

    隨著醫療配電系統的非線性負荷及精密設備的不斷增加,電能質量問題日益突出,極大的危機配電系統安全運行,對精密醫療設備的可靠運行帶來危險隱患,醫療行業對配電穩定性、安全性及潔凈性要求更為嚴格,采用有源型設備如有源電力濾波器、有源型電能質量綜合裝置、中線安防控制器、電能質量調節器等新型電力電子裝置來解決目前配電系統存在的電能質量問題,其治理效果明顯,設備穩定性高,提高醫院配電系統的供電可靠性及穩定性,同時為綠色供電系統提供保障。

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