医院配电系统问题分析及末端治理技术应用探讨

关键字：电压波动 谐波干扰 零线过流 三相不平衡 末端治理

引言

随着越来越多变频设备和节能装置的使用，各种电能质量成为当今社会不可忽视的问题，尤其是医院配电系统中大量的高精密仪器的应用，不仅对配电系统中的用电质量有着更高的要求，同时自身使用过程中也相应产生了一定用电问题，为保证医院配电系统和医用设备的平稳可靠运行，本文将针对医院配电系统的特点和几种主要电能质量问题进行深入分析，并通过探讨配电系统中末端治理技术的应用，最终实现对医院配电系统各种用电质量问题的治理。

1.医院配电系统特点及主要问题分析：

上海市公共卫生临床中心应急医学中心项目 A#医疗综合楼主要包含门急诊、手术室、净化医学、实验室、信息机房及病房等功能。本医院配电系统覆盖各种复杂的用电设备，比如各类大型成像设备、治疗类设备、变频设备、电梯、空调等，医院配电系统具有精密仪器敏感、医疗设备密集、供电可靠性要求高等特点。医疗设备大多对电能质量敏感，微小的电压波动或谐波干扰都可能导致设备误动作或测量误差。此外，医院24 小时不间断运营的特性要求配电系统必须具备高度的可靠性。

医院配电系统目前面临的普遍电能质量问题包括：电压波动、谐波干扰、零线过流和三相不平衡。电压波动，主要由于大型设备的启停造成的波动影响精密的医疗设备；谐波污染，主要由于非线性负荷如变频器、开关电源等造成设备发热、误报误警；零线过流，主要由于各种节能灯具、电子设备、消防器材等造成的过载引发火灾、设备烧毁，浪费电能；三相不平衡会导致线损增加，降低变压器寿命。

1.1 电压波动带来的风险

本项目电压波动主要原因有各类大型影像设备（MRI、CT 机）、电梯、新风空调系统、大功率净化消毒装置等在启动时产生的电压冲击；由于雷击、大风等自然灾害导致的线路故障以及电网切换操作等因素引起的短时电压波动；非线性负载（变频器、开关电源等）的快速切换和功率变化，都会引起电压波动。

电压波动对医院的危害表现的十分直接，比如电压波动对精密医疗设备造成的危害有设备毁坏、敏感设备失效、设备硬件损坏、测量不准确等，例如：MRI 设备敏感，电压波动导致 MRI 磁失保护，电压跌落3 个周期以上会导致紧急泄磁。医疗过程中电压波动导致手术中断、生命保障设备停止、系统数据丢失。持续电压波动（即使电压未到宕机点），导致设备中电子元器件持续处于非理想电压下，加速电子元器件老化劣化，缩短其寿命，频繁的故障诊断维修也会加大医院的运维维护成本。

1.2 谐波干扰问题

医院的配电系统面临的谐波干扰问题，主要来源于两大类设备：一类是高精度医疗设备，如磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）机、X光机、血液分析仪等；另一类是节能型基础设施设备，包括LED 照明系统、变频空调、电梯驱动系统以及各类开关电源设备。这些非线性负载在工作过程中产生大量奇次谐波，如 3 次、9 次、15 次……等，在三相五线制系统中，3 次整数倍数次谐波电流没有在中性线上得到抵消，而是直接相加，因此，造成了零线电流的严重过载，甚至远大于相线。

谐波对医院配电电路的危害主要体现在 3 个方面：第一，谐波导致波形畸变，影响医疗设备精度，心电图机（ECG）、脑电仪（EEG）等一系列的生物电信号检查设备受到谐波影响后，容易产生波形畸变，影响检查结果；第二，谐波电流导致变压器以及线路产生损耗，使设备发热，加速设备绝缘老化，缩短寿命。

1.3 零线过流风险

零线过流是医院配电常见安全问题。传统三相五线制配电系统中，当三相负载平衡时零线电流为零，然而医院实际运行中由于单相负载不平衡、医疗设备启停随机性大、非线性负载比重大等因素，很难保证三相负载平衡，零线电流过载。本项目较多采用节能照明灯具灯（LED 灯）、线灯带以及电子设备开关电源，由于电子设备 3 次谐波电流叠加在零线上，零线电流是相线电流的1.5 倍甚至2 倍以上。

零线过流危险主要表现在三个方面：一是零线电流增大使零线发热量剧增，零线长时间过流运行，将会增加火灾风险；二是烧坏医疗器具，零线过流会导致医疗设备控制面板烧坏；三是零线产生热量消耗增加，导致无功用电量耗损增加。

1.4 三相不平衡问题

三相负荷不平衡算是比较普遍性的配电质量问题，这种现象在医院配电网中是比较常见的：医疗设备集中供电、不平衡三相，医院中大型设备、大型影像设备等集中在一地供电；医疗设备工作时间的不确定性，手术间设备（监护仪、输液泵等）可能随时接入启动；建筑空间不确定性，医院建筑建筑复杂功能空间复杂、负荷具有时空不确定性的不平衡。其中，冬季、夏季空调负荷集中、量大是导致不平衡三相的一个主要因素。

三相不平衡主要以下几种负面影响，一是增加线路损耗，线路总损耗随着三相不平衡的加大而增加。二是减少变压器利用率，甚至使变压器单相过载，降低变压器使用寿命。三是电压质量的降低，负载重则相电压下降，轻则相电压上升，严重影响医疗设备的正常运行；四是造成零线电流增大，进一步造成零线过流问题。通过负荷控制的方法不能改善这一问题，用不平衡治理设备通过不平衡治理补偿来解决三相不平衡问题。

2.末端治理技术应用效果

末端用电防护治理系统（简称末端治理）是一项针对末端电气回路进行综合治理、保护和检测的综合性技术，末端治理具有强大数据分析功能和实时跟踪调控的功能，可快速补偿末端供电系统中的电压波动，并通过有源滤波器对谐波干扰进行实时遏制，还可以控制末端的电流分布避免三相不平衡及零线过流等问题，大大降低了末端用电设备产生的问题对配电系统级其他用电设备带来的危害。

2.1 解决末端电气配电问题

配电系统末端回路接入设备繁杂、线路错综复杂，易出现电压波动、谐波干扰、三相不平衡等影响末端设备正常运行的缺陷，甚至发生电气火灾事故。末端治理具有实时跟踪功能，实时跟踪、监测末端电气管路运行状态，快速响应电压突升突降、电压波动等异常工况，在极短时间内隔离、恢复故障，避免电气事故发生与扩大，有效保障供电系统运行稳定；并且，还具备高精度传感器、智能控制器，实现末端电流分布精准控制功能，实现对各类用电设备的有效保护，减少电气故障发生，保障供电系统安全运行。

结论

医院配电系统的安全稳定运行对医院的医疗质量和患者的安全有着重要的意义。本文通过对医院配电系统出现的电压波动、谐波干扰、零线过流、三相不平衡等主要问题的分析，我们已经了解到配电系统存在的问题是医院配电系统客观存在的现象，特别是医院配电系统中大量各种高端的现代化设备的引入，以及各种节能设备的普及使得这一问题更加突出。本文分析配电系统末端治理技术的应用，对配电系统末端实时监控，瞬间调节，有效的抑制或是消除了上述问题，极大提升了供电质量和供电的稳定性能。相信配电系统末端治理将成为未来医院等供电质量要求高的现代医院的配电系统中必备的配套设备，医院、大型数据机房等对用电质量有较高要求的项目在选择配电系统时可以优先考虑选择安装末端治理。