医院电气设备谐波治理分析

陈 义 清

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

随着各种电气设备在医院诊疗中的使用越来越广泛,谐波源越来越多,造成线路及电源处的谐波污染也越来越大。某医院变电所有电源进线柜3个,现场的配电系统存在以下问题:出现配电线路损耗增大、发热、缩短绝缘寿命;出现电容器等设备烧毁现象;出现部分医疗设备(如核磁共振、CT)数据失真、损坏,瞬时掉电等现象[1]。经初步判断,系统中电力侧谐波和用户侧谐波的含量都比较大,需要做一个全面的谐波检测[2]。

1 谐波的检测、分析及建议治理方案

电能质量分析仪如图1所示。

谐波检测位置如图2所示,椭圆处表示为测试示意位置。

对各电源进线柜点进行测量,并对测得的数据进行分析。各电源进线柜测量数据如表1所示。

表1 各电源进线柜测量数据

1#变压器电源进线柜监测得到数据如图3所示。

对测试数据进行分析可以得出以下结论:测量时系统电流为698 A,三相电流相对平衡;负载在无电容柜运行时功率因数为0.88;电流波形畸变非常明显,出现马鞍形,畸变严重;总电流畸变率在测试过程中最高达14.1%;3、5、7、9次谐波都非常高,谐波相对基波比例分别为11.0%、 6.6%、 0.4%、 4.8%。

此阶段谐波电流大小可根据公式Ih=I1×THD%,电流、畸变率以测量时计,谐波电流为98 A,考虑到谐波治理的必要性及负载的变化等因素,根据经验可知,治理容量需要相对放大余量进行,建议本段母线的可选治理容量为100 A。

同理,4#进线柜谐波电流为117 A,建议本段母线的可选治理容量为125 A;5#变压器电源进线柜谐波电流为36 A,建议本段母线的可选治理容量为75 A。

产生的问题因谐波引起,因此提出了针对电流谐波治理的建议方案:1#变压器电源进线柜,安装100 A谐波保护柜;4#变压器电源进线柜,安装125 A谐波保护柜;5#变压器电源进线柜,安装75 A谐波保护柜。谐波保护柜安装点如图4所示。

2 谐波的分析及危害成因

2.1 谐波的产生

谐波产生的原因为非线性负载工作时,由于非线性负载输入端的整流电路阻抗不是一个定值,其阻抗随着外加电压的变化发生变化,导致整流器从电网吸取的电流不是正弦波电流[3]。

三相整流器也会产生谐波电流,但是这时对应每个波峰,不是一个脉冲电流,而是两个脉冲电流。无论单相整流器还是三相整流器,其电流波形都发生畸变,不再是正弦波电流,因此包含谐波成分。

2.2 谐波的国家标准

(1) 根据GB 50052—2009《供配电系统设计规范》第5条“电压选择和电能质量”中对电能质量和谐波保护提出要求。第5.0.12 中规定:配电系统中的谐波电压和在公共连接点注入的谐波电流允许限值必须符合现行国家标准GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》的规定[4]。

(2) GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》,对交流额定频率为50 Hz,标称电压110 kV及以下的公用电网谐波的允许值已给出明确限制要求。标准要求采用电能质量治理,如谐波保护器、有源滤波器等。

(3) GB 51348—2019《民用电气设计标准》也对精密生产企业的谐波要求提出明确的要求。

在380 V低压配电系统中,很多情况下变压器的容量小于10 MVA。因此,根据国家规定的谐波换算公式中有在变压器的容量不同于表中的基准短路容量时,可按下式修正表中的谐波电流允许值:

(1)

式中:SK1——变压器容量;

SK2——基准短路容量;

Ihp——第h次谐波电流允许值;

Ih——变压器容量为SK1时第h次谐波电流允许值。

2.3 谐波的危害

谐波的危害如表2所示。

表2 谐波的危害

3 谐波治理效益分析

在加装谐波保护柜后将会带来以下效益[5-6]:

(1) 保障电动机等设备用电环境,降低由于谐波电流和电压对变频器驱动的电动机所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起之额外温升;提高电动机效率,减少转矩影响。

(2) 直接降低系统中电流畸变率,减少电网中的谐波含量,保证谐波含量符合国家标准。

(3) 降低谐波在企业电网中设备产生附加谐波损耗,降低电网线损。在三相四线制系统中,零线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波电流,造成零线过热,严重时造成电缆火灾,经过谐波治理后消除此隐患。降低谐波产生额外的集肤效应,消除谐波引起的用电设备发热、使绝缘老化、降低设备的使用寿命、甚至关键部件的频繁损坏的问题。

(4) 消除谐波使电网与补偿电容器之间发生谐振,避免谐波电流放大几倍甚至数十倍、造成过电流、引起电容器和与之相连设备损坏的问题。

(5) 消除谐波对附近系统的信号传输产生干扰。谐波对附近系统的信号传输产生干扰,轻者引入噪声,重者导致信号丢失,使系统无法正常工作。计算机、数据传送和自动控制系统数据丢失,经常会造成自动化产品线上废品率的增加。

(6) 消除电力系统继电保护误起动,误动作跳闸,拒动和损坏,及经常出现电机保护仪损坏和误动作的问题。

(7) 降低电网谐波污染而导致的输电线路、变压器和电机损耗增加,从而节约能源。

(8) 消除谐波引起的变压器、旋转电机等铁芯磁感应环流的增加,减小电气设备发热的损耗,降低功耗及绝缘老化,延长设备寿命,防止烧毁旋转电机。

(9) 消除因谐波影响而使电能表等计量装置误差增大,不能正确计量电能的现象。

4 结 语

结合实际工程案例,对现代医院中出现的谐波及造成的危害性,提出一种谐波解决方案。虽需要投入一定的资金,但从数据安全、用电安全、绿色节能、设备保护等方面带来的经济效益还是十分明显的。