医院项目中的谐波测量与治理

2015-03-22华东建筑设计研究院总院上海200002

现代建筑电气 2015年10期

关键词：测试点相电流畸变

姚丹(华东建筑设计研究院总院, 上海 200002)

医院项目中的谐波测量与治理

姚丹
(华东建筑设计研究院总院, 上海 200002)

对整流、高频电源类型设备的数学模型进行阐述。对某医院项目中一些设备负载运行时产生的谐波进行测量,分析谐波数据,并给出谐波治理方案。应用案例对大型医院项目中的谐波问题具有参考意义。

电能质量; 谐波测量; 数据分析; 医院谐波治理

0 引言

1993年国家技术监督局制定颁布了GB/T 14549—1993 《电能质量公用电网谐波》标准,规定了公用电网谐波电压(相电压)限值,限制了用电户谐波污染的排放。

1995年国家通过了《电力法》,规定:用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序(第三十二条),在电能质量治理上必须遵循“谁污染、谁治理”的原则。

1998年,电力工业部颁发了《电网电能质量技术监督管理规定》(电综(1998) 211号文),该文规定了国家电力公司是负责全国电网电能质量技术监督管理部门,以各级电力调动部门为中心,逐步加强对电能质量指标的全面运行监测。

2001年,国家电力公司下发了《关于进一步提高用户电压质量管理的指导意见》,规定供电部门应对配电区的电压质量进行 24 h轮测,发现电能污染超过“标准”的用户应采取措施,加装抑制谐波及功率因数补偿设备,必要时依据《电力法》规定,运用法律手段治理电能污染。

1 整流、高频电源类型设备的数学模型

整流、高频电源类负载都含有六脉波整流部分,其输入侧产生谐波机理为：六脉整流波形按傅立叶级数分解,将产生以6n±1次为主的特征谐波,各次谐波电流的含有率约为1/n。众多现场测量数据也反映了这一特性,主要以5、7次谐波为主,其谐波电流含量很高,谐波电流值很大。其中，高次谐波将干扰输入供电系统,使输入侧因电流的非正弦而使电网电压畸变,对系统的其他用电设备造成供电质量影响。高频电源类型设备数字模型如图1所示。

图1 高频电源类型设备数字模型

为计算出上述模型的谐波含量,电路中的电感、电容以及等效有功的大小必须已知,但上述数据只能知道等效有功的大小,所以将模型等效为阻感负载的三相桥式整流电路进行计算。

忽略换相过程和电流脉动,阻感负载的三相桥式整流电路如图2所示。同样,交流侧电抗为0,直流电感Ld为无穷大。设电源为如下三相平衡电源:

图2 阻感负载的三相桥式整流电流

(1)

(2)

(3)

其中,Em、E分别为电源电压的幅值和有效值。电流为正负半周各120°的方波,三相电流波形相同,且依次相差120°,其有效值I与直流电流Id的关系:

(4)

同样,可将电流波形分解为傅立叶级数。以A相电流为例,将电流负、正两半波的中点作为时间零点,则

(5)

其中,k为1,2,3,…,若以A相电压过零点为时间零点,α为控制角,则有

(6)

可见,无论时间原点的位置取在哪里,因波形未变,所以基波和各次谐波的幅值也不变,只是如果时间原点左移了α,则基波初相减少了α,各次谐波分量的初相角减少了nα。

由上式可得,电流基波和各次谐波有效值分别为

(7)

(8)

由此可得以下结论:电流中仅含6k1次谐波,各次谐波有效值与谐波次数成反比,且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。频谱图如图3所示。

图3 频谱图

以上仅是通过简化的方法,对理想情况下的谐波含量进行了分析,实际情况下整流设备的工作过程较为复杂,谐波含量会有一些变化。

根据理论分析可以判断,以整流类和变频类设备为主要用电设备的用电系统,谐波含量超过国家标准。

2 某医院的项目实际测量

某医院主要测量点有配电房1 250 kVA变压器的低压出线侧、X射线进线侧和CT室进线侧,分别记为测试点1、测试点2和测试点3。系统配电示意图如图4所示。

测试点1图表数据分析如图5所示。通过图5可知:

图4 系统配电示意图和测量点

(1) 系统电压波形良好,呈现出严格的正弦波形,总畸变率小于1%,对照GB/T 14549—1993,该值没有越限,谐波电压无需治理。

(2) 电流波形已经完全偏离正弦波,畸变非常严重。A、B、C三相的电流最大畸变率分别约为14%、18%和16%。

(3) 主要谐波为3、5、7、9、11次等奇次谐波,治理时针对这些谐波进行;同时,设备正常运行的过程中,母线系统电流中含有少量高次谐波,包括39、41、43、45、47、49次谐波,为电力设备的稳定运行埋下隐患。

图5 测试点1图表数据分析

测试点2的三相电流及电流畸变率如图6～图8所示。

由图6～图8可知：

图6 测试点2的A相电流及电流畸变率

图7 测试点2的B相电流及电流畸变率

(1) 电压波动很小,相电压有效值基本稳定在230 V左右,畸变率很小,故无需治理。

(2) 电流波形上出现大量尖峰,畸变比较严重。A、B、C三相的电流最大畸变率瞬时分别达到400%、80%和80%,如不及时治理,将会产生严重后果。

(3) 主要谐波为5、7、9次等奇次谐波。

图8 测试点2的C相电流及电流畸变率

(4) 三相电流稍微有点不平衡,A相电流比B、C相的小些。三相负载不平衡是造成中性线电流和电压增高的原因,应及时采取措施进行治理。

测试点3数据图表数据如图9～图11所示。

图9 测试点3的A相电流及电流畸变率

图10 测试点3的B相电流及电流畸变率

由图9～图11可知：

(1) 电压有效值基本不变,近似为一条直线。相电压有效值基本稳定在230 V左右,畸变率很小,符合国家标准。

图11 测试点3的C相电流及电流畸变率

(2) 电流有效值在某几个时间点上变化非常明显,波动范围比较大。电流畸变率曲线波动很明显,谐波比较严重。A、B、C的三相最大电流畸变率瞬时分别达到80%、80%和70%,应及时消除谐波。

(3) 主要谐波为3、5、7、9次等奇次谐波。

3 治理方案及效益

根据以上的检测数据和分析,测试点1的电流畸变率约为15%,测试点2和测试点3的电流畸变率非常大,甚至某相瞬时畸变率达到400%,电能质量非常差。测试点1是变压器出线侧,即是总负载的进线侧,而测试点2和测试点3则是在各个分负载侧。

在综合医院的设计系统中,门诊楼的大型医疗设备仪器比较多,比如核磁共振、X光、CT等等均会产生大量电磁辐射、谐波。设计时对电磁辐射较严重场所采用专用屏蔽措施,使其对外界的放射或辐射强度限制在允许范围内。对这些大型设备采用专线供电,按低电阻馈电线路要求进行设计,并在末端增加滤波装置,可有效地减少谐波。

谐波治理时可选择两种方案:① 在总负载侧进行集中补偿;② 在每个负载侧进行就地补偿。

4 结语

医院工程项目中一些设备负载运行时产生大量谐波,会导致一些医疗设备运行异常,所以需滤除电力系统中的谐波,才能保证良好的电能质量,使各种医疗设备正常工作的同时,减少电磁辐射对人体的影响,减少谐波注入对大电网的影响,创造绿色清洁的供电系统。

[1] 卢迪平.非线性负荷谐波特性的分析与评估[D].北京:华北电力大学,2008.

[2] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社,2004.

[3] GB/T 14549—1993 电能质量公用电网谐波[S].

Harmonic Measurement and Control in Hospital Project

YAO Dan

(East China Architectural Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200002， China)

This paper expounded the mathematical model of rectifier and high frequency power devices.A lot of harmonics are generated when some equipments operate in hospitals project.The actual measurements of harmonic were carried out and the data of harmonic were analyzed.The solution plan of harmonic was given.It can provide references for the harmonic problems in large hospital project.

power quality; harmonic measurement; data analysis; hospital harmonic control