电能质量在线监测与治理系统

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1　谐波的危害
　　由于该医院大量非线性负载设备 (变频空调、电梯、X光机、CT机、核磁共振机、节能灯、EPS整流设备)的使用，导致医院供电系统的谐波污染普遍比较严重。谐波污染会对用电设备和供电系统造成严重危害和隐患，主要有：
干扰电子设备的正常工作；
影响核磁共振等设备的工作性能,造成噪声干扰和图像紊乱；
引起电气自动装置误动作，导致停电事故；
使精密化验设备振动和噪声加大，使用寿命缩短；
导致供电系统功率损耗增加，引起电网谐振，加速绝缘老化，系统功率因数降低，增加系统隐患。

2　国家标准对电能质量的规定
　　国家标准对谐波的要求也有详细的规定。《JGJ16-2008民用建筑电气设计规范》22.3.2 “省级及以上政府办公建筑，银行总行、分行及金融机构的办公大楼，三级甲等医院的医技楼，大型计算机中心等建筑物，宜在敏感医疗设备、重要计算机网络设备等专用配电干线上设置有源滤波装置；”，并且对谐波的参数进行了规定：“22.3.1公共电网的电能质量应符合下列规定：”
 

3　解决方案
　　医院的谐波源比较多，而且分布比较分散，不同设备产生的谐波畸变不同，谐波次数也不同，谐波电流和谐波电压分量也比较大，所以要对医院的谐波进行有效的治理需要对供电一次、二次系统进行合理的设计。
3.1　一次系统合理设计
　　首先必须对一次系统进行合理的设计，比如选用D,yn11接线的K系数变压器、谐波源设备采用专变专线供电、改善三相负载平衡等。
3.2 　谐波测量和谐波治理
　　对系统谐波进行实时有效的监测，谐波的测量和分析是对谐波进行二次治理的前提条件。
变压器低压侧开关均配置谐波监测分析仪表，实时监测供电系统电流电压谐波畸变数据，并可以设置谐波畸变越限报警，可配置APF有源滤波装置进行集中补偿；
对医技楼等谐波源比较多的供电回路谐波畸变率进行重点监控并且配置APF有源电力滤波装置进行局部或就地补偿；
对2类场所比如手术室和ICU病房用电回路进行谐波监控，若谐波超标配置小容量APF有源电力滤波装置进行就地治理，确保用电安全。

4　 APF有源电力滤波装置原理
　　APF有源电力滤波装置能动态滤除供电系统中的非线性负载产生的谐波电流，降低电压谐波畸变率，有效消除谐波对变压器、电容器和精密设备的影响。APF有源滤波装置的原理如图3-1所示：

　　APF有源电力滤波装置以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入供电系统，从而实现谐波滤除和无功补偿。

5　补偿方式
　　在医院供电系统中，APF有源电力滤波装置可以采用三种滤波补偿方式。
5.1 　变压器出线侧进行集中补偿
　　当非线性负荷数量较多，分布比较分散，而且谐波畸变率不太高的情况下，可以在变压器低压配电母线侧集中装设APF有源电力滤波装置进行集中补偿，比如节能灯较多的照明负载变压器。这种补偿方式可以有效的改善变压器的运行性能，提高系统整体的电能质量。

5.2　 特定支路局部补偿
　　当非线性设备集中在某些特定支路时，可以在支路上装设APF有源滤波装置进行局部补偿。

5.3 　特定设备就地补偿
　　单台容量较大的稳定运行的非线性医疗设备、频谱特征明显，自然功率因数又较低的非线性负载，以及谐波源产生的谐波比较集中于连续三种或以下(如3次、5次、7次)的谐波治理，可以对谐波源进行就地补偿，比如核磁共振成像、X光机，ECT、中央空调等，这种方式能达到非常好的补偿和节能效果，不会对支路和整个系统造成影响。

　　在设计谐波治理方案的时候，可以根据配电网络的谐波监测数据，灵活采取以上三种谐波治理方式，能对医院的谐波污染进行较好的治理，消除供电系统隐患，使谐波污染对医院整个系统和设备的影响降到最小，避免影响重要医疗设备的正常运行，保证2类场所供电安全。

6　 谐波治理设备选型计算
6.1 　有源滤波设备选型计算
　　有源滤波器选型时按照安装所处的位置和需要补偿的对象，可以进行需要补偿电流的估算和计算。计算时候主要是根据客户负载类型进行分类，由该类型负载的典型数据和用户负荷电流计算值来进行计算。
各行业由于使用设备不同，谐波负载也存在差异，根据经验值，各行业电流谐波畸变率推荐值如下表：

　　所需补偿电流估算的本质就是要计算出负载运行时的实际谐波电流是多少。

6.1.1　集中补偿容量计算
　　集中补偿方式需要补偿的谐波电流可由变压器容量来估算，需要考虑变压器的负载率，具体可以根据下面的公式来进行估算：

　　K1为负荷率：即负荷占变压器额定容量的比例，通常取0.6~0.8，这里取0.6；
K2为谐波系数，集中补偿场合适用于整体谐波污染不高但比较分散的场合，取12%；
ST为变压器额定容量，单位kVA；
US为低压系统电压，一般取0.4。
根据上式计算，一台容量为2000kVA的变压器，出线侧谐波电流ITHD=206A，可以选择谐波补偿容量为200A的有源电力滤波柜进行补偿。

6.1.2支路局部补偿容量计算
　　对于谐波源负载比较集中的特定支路进行局部补偿，计算公式可以根据集中补偿的计算公式进行计算，比如医技楼一路容量250kVA的支路，大部分设备为医技设备，电流谐波畸变率按照20%选择，负载率0.8，ITHD=56A，可以选择一台75A的有源电力滤波柜进行局部补偿。
6.1.3 特定设备就地补偿容量计算
　　单台大容量谐波源设备进行就地补偿能取得最好的补偿效果，各种典型谐波源设备谐波含量如下表：

根据经验，补偿容量可以按照ITHD=SL*K2计算。中SL为设备负载，单位kW，K2为谐波系数，取值见上表。上式只涉及数字的计算，不计算单位。

6.2　 APF有源电力滤波装置补偿效果

　　上图是工程实测的数据波形，在使用APF有源电力滤波装置之前，回路的谐波污染比较严重，波形严重失真，三相电流也严重不平衡。在使用APF装置对谐波源设备进行就地补偿之后，测得的波形数据得到较好的补偿。