抗混叠滤波器滤波器

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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，医院中大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次谐波为最多）严重污染电网，引起谐波超标、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，容易造成误诊。

2.2谐波对治疗护理仪器的危害

    治疗用电子仪器有很多，受谐波危害较大的是手术治疗仪器。手术治疗是指用激光、高频电磁波、放射线、微波、超声等单独的或配合传统手术的治疗。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治疗时，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。这种方法的投资最大，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，故不优先考虑此方法。

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极低的通道，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、响应迅速、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，而医疗行业最显着也是最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保障，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，即保障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，只需要将柜体放至指定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，从而保障人身和设备安全。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

ANHPD谐波保护器在医院行业的应用 安科瑞鲍静君

摘要：随着科学技术进步发展，越来越多的电力电子装置等非线性负载应用于企业当中，在带来节能与能量变换积极一面的同时，也产生了谐波等电能质量问题。特别是医疗行业，对电能质量要求很高，其引进的高端医疗设备 (如CT机、核磁共振、直线加速器等)，科室和病房都采用中央空调。这些设备的应用提升了医疗服务水平，对于行业发展都具有重要意义。同时这些、高灵敏度、大电 流、大功率的设备会产生大量的谐波，而这些“谐波源”会对所用电设备以及其他设备(如彩超、化验室高精设备等)的运行和使用寿命造成严重影响。因此本文将对谐波保护器进行分析，并在此基础上研究谐波保护器的作用，进而探索谐波保护器的应用效果。

关键词：医院；高次谐波；谐波保护器

社会经济和科技的发展推动着控制技术、通信技术、计算机技术 的不断进步，在智能建筑中开始广泛应用变频空调、监控系统、消防系 统数字办公设备、通信设备、计算机等。与此同时这些设备和装置的应用也产生了相应的副产品谐波，而这严重的威胁了智能建筑系统和用户，使得相应设备的安全正常运行受到影响。为了满足社会生活发展需要一种能够对各种频率和各种能量的谐波干扰进行吸收并自动消除用电设备产生的随机电涌、脉冲尖峰、高频噪声、高次谐波的装置——谐波保护器应运而生。当前在智能建筑电力环境中谐波保护器被广泛应用， 为用电设备的有效运行提供了重要保障。

一、谐波保护器基本原理

    谐波保护器是一种用于滤除高次谐波、保护精密仪器设备的新型保护装置，采用超微晶合金材料与创新的特别电路。它主要由电压箝位、低通滤波器以及吸收器组成，不但可以抑制和吸收用户用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰，而且能随时跟踪电压波形，瞬时滤除电源中的尖峰、浪涌、杂波，矫正因谐波影响而产生的高次谐波，从源头消除谐波污染，为用电设备提供保护功能。

    谐波保护器的基本原理如图1所示（以三相为例）：以电压箝位实时监测电压的变化，使用低通滤波器滤除高次谐波，再运用吸收器吸收高次谐波的滤波设备。

图1 谐波保护器原理

二、谐波保护器的功能

    ，自动保护用电设备。在电路中并联谐波保护器能够实现具有破坏性的尖峰瞬变、浪涌、高频噪声、高次谐。它的有效消除，进而促进用电设备的安全稳定运行和提升用电设备的使用寿命。

    二，净化电源。谐波保护器的抑制和消除谐波能力显着，在并联谐波保护器的电路中99％因各种谐波引起的电压、电流的畸变都可以得到消除，同时谐波引发的计算机屏幕频闪、负载变化、短路、开关引起的灯管频闪都可 以得到避免。

    三，保护功率因数补偿设备。实际当中并联振回路会在高次谐波频率和杂散的电网电感及功率因数补偿设备的谐波频率的相互的作用下产生，电压和电流波形会在谐振电路引起的谐波放大作用下加剧畸变，进而刚氏设备使用寿命。此外谐波保护器能够对谐波污染进行净 化，为功率因数补偿设备的使用寿命提供保证。

    四，防止保护装置的无跳闸。断路器会因谐波电流的音响而发生断路器误跳闸，或者拒跳闸，而在电路中并联谐波保护器能够有效消除谐波电流，进而有效避免断路器发生误跳闸或者拒跳闸问题引。

   谐波保护电器有从源头上消除谐波污染的作用，进而为用电设备的正常运行提供保障。在电力设备电路中并联谐波保护器，不仅能够对电力系统中的电流状态进行连续监测，还能够对电路中的高次谐波进行吸收和阻隔，进而避免其他设备受到设备本身产生的谐波的干扰。

 三、谐波保护器在医疗场所的应用 

    医疗场所医疗设备和仪器经常会受到高次谐波的干扰而发生故障，进而引发信息丢失、图像模糊、数据差错等影响正常工作的问题，更有甚者会使硬件和软件同时发生损坏进而影响仪器正常工作。所以应当利用谐波保护器对这些医疗设备和仪器进行保护，进而保障仪器设备的安全运转。

   谐波保护器是现代医疗结构医疗设备、安全运行的重要保障， 技术人员只需将其接入到电路中，设备中产生的高次谐波就会被其吸收，医疗器械的破坏和误操作随之降低，进而为医务人员和病人的安全提供保障。同时谐波保护器本身并不耗电，设备在谐波保护器器的作用下使用寿命会被有效严惩，同时设备维修和维护成本也能得到降低。

   大型医疗设备使用是很频繁的，瞬间电流变化达几百安培，中央空调的运行使得医院内电网内产生的谐波都很大，而高精医疗设备少值几万元，多值几百万元。因而谐波保护器在医院使用非常必要。

安科瑞ANHPD系列谐波保护器为医疗行业供电系统出力，避免其高次谐波干扰，已运行项目有：大连友谊医院、遵义人民院、浦口中医院、田阳县中医院、昆山三人民医院等，以下为我司ANHPD对于高次谐波的治理效果展示，对于高次谐波抑制有非常显着的效果。

（1）50Hz工频电源迭加2KHz干扰信号

谐波保护器接入前                  谐波保护器接入后 

（2）50Hz工频电源迭加10KHz干扰信号

谐波保护器接入前                   谐波保护器接入后

（3）50Hz工频电源迭加100KHz干扰信号

谐波保护器接入前                   谐波保护器接入后

（4）50Hz工频电源迭加1MKHz干扰信号

谐波保护器接入前                   谐波保护器接入后

四、安科瑞谐波保护器介绍

4.1主要技术参数

 表3-1 ANHPD技术参数

4.2功能特点

    ?采用超微晶体的特殊电路；

    ?吸收3KHz~30MHz频率各种能量的谐波干扰，消除高次谐波、高频噪声、脉冲尖峰、浪涌等干扰，矫正电压、电流波形；

    ?减少了用电设备的故障率和机器误操作，克服了由于高频谐波污染引起的干扰，保障了设备的安全运行；

    ?设备本身几乎不耗电，具有超高的经济性；

    ?结构设计合理，接线简单，安装方便。

五、结语 

    高精尖是未来用电设备发展的必然趋势，相应的怎样避免受这些设备产生的谐波的干扰成为科技人员面对的重要课题。谐波保护器对于当前的高科技、高灵敏度设备产生的谐波具有有效地吸收和阻隔作用。因此在未来一段时间内在建筑电气系统中运用谐波保护器将会是必然的趋势，相关人员应当从谐波保护器的作用原理和电气设备实际情况出发，科学合理的运用谐波保护器保护用电设备。

【参考文献】

【1】王小云，试论现代建筑电气设计中的谐波抑制【J】商业文化月刊，2011（7）：179

【2】郑国兴，谐波保护器及其在智能建筑中的应用【J】电器与能效管理技术，2007（20）：55-58

【3】徐朝阳，二甲以上医院中谐波保护器的应用【J】科技风，2015（17）：250-25