医疗建筑电能质量分析与治理

除了灯具、插座、动力设备等建筑中的常见用电设备之外，医疗建筑中还存在大量的医技设备，这些设备大多属于非线性设备，本文选择部分医技用电设备对其电能质量发射特性进行研究。图1~图4显示了MRI、透析中心、ICU区和检验科电能质量的情况。

图1 ~ 图4显示，MRI、透析中心、ICU区和检验科的三相不平衡度表现均比较好，三相不平衡度均在国标要求的范围内。

在功率特性方面，图1 ~ 图4显示，MRI、透析中心、ICU区和检验科的功率因数分别为0.84、0.53、0.48和0.59，与供电部门要求的功率因数不低于0.9的要求相比，这4个区域用电设备的功率因数都不同程度偏低。

在谐波发射特性方面，图1 ~ 图4显示，这4个区域用电设备的电压总谐波畸变率在很低范围，而电流总谐波畸变率很高，说明这4个区域用电设备都属于电流型谐波源设备，这4个区域用电设备的5、7次谐波较高，在谐波治理时需注意选择相应的谐波治理装置。

可以看出，医疗用电设备的谐波发射量不容忽视，在医疗用电设备选型上，除了需要对医疗用电设备的功率因数作要求之外，建议对医疗用电设备的谐波发射特性也作要求，其谐波发射特性应满足GB 51204 - 2016《建筑电气工程电磁兼容技术规范》4.3节规定的谐波电流发射限值的要求；为了确保医疗用电设备的正常运行，建议对其谐波抗扰度也作要求，其谐波抗扰度应满足GB 51204 - 2016中4.4节规定的谐波抗扰度要求。

> > > >     功率特性分析

不同用电设备其工作特性不同，众多负荷在变电房低压母线段处聚合，使得低压母线处电能质量特性也呈现不同的特点，本项目6台变压器低压母线处功率特性详表2。

> > > >   治理建议

从表2可以看到，这6台变压器负载率的CP95值在19.27 % ~ 43.34 % 之间，尤其是1TM1变压器负载率最大值仅为36.04 %，最小值低至9.26 %，对比表1中6台变压器的设备装机容量是1 261 ~ 2 388 kW，说明项目用电设备需要系数和同时系数实际运行值比设计选值要低得多。所以，在以后医疗建筑进行负荷计算确定变压器容量时，可以适当降低需要系数和同时系数取值，使得医疗建筑变压器选型更加经济合理。

从表2还可以看到，这6台变压器的基波功率因数CP95值在0.904 ~ 0.966之间，这个功率因数已经满足大部分供电部门要求的系统功率因数不低于0.9的要求。本项目采用的是自动电容无功补偿装置，这可能导致系统无功补偿装置不会投入使用，这也与现场监测人员反映实际运行中电容无功补偿装置不投入是相符的，而项目无功补偿装置安装容量为相应变压器容量的27.5 % ~ 55 %，在日后类似项目中，建议优化无功补偿装置安装容量的选择。

在日电能消耗上，从表2看到，分别给两栋塔楼供电的2TM3和2TM4变压器的日用电量相差1倍，分别是4 845 kWh和10 686 kWh，这两台变压器所带负荷均是以塔楼病房区用电、空调末端设备、公共照明、客梯等为主，这提示运维单位需要排查能耗异常点，减少不必要的电能损耗。

> > > >   谐波集合效应原理

用电设备的电压、电流均为相量参数，谐波存在集合效应，变电房低压母线处的谐波总量并不是用电设备谐波发射量的代数和，通常会出现谐波衰弱现象。在无任何滤波装置工作的情况下，低压配电系统依靠自身减少非线性负荷注入系统负荷集合点上游侧谐波量的情况主要有：

a. 靠系统背景谐波的存在导致非线性负荷所产生的谐波发射量减小而呈现的谐波衰减效应。

b. 依靠系统负荷集合点下游侧的非线性负荷所产生谐波发射量在相位上的不同而呈现的谐波分散效应。

c. 非正弦电压作用在系统负荷集合点下游侧线性负荷上产生的谐波发射量对非线性负荷自身所产生谐波量的削弱效应。

> > > >   电压谐波特性分析

为研究医疗建筑的低压系统电压谐波特性，选择对6台变压器的电压谐波进行监测，变压器低压母线处电压总谐波畸变率情况如表3所示。

从表3数据来看，这6台变压器的低压母线处电压总谐波畸变率的CP95值在1.838 % ~ 3.365 % 之间，均符合GB 51204 - 2016中4.2.9条规定的380 V系统中电压总谐波畸变率5 % 限值以内。

> > > >   电流谐波特性分析

为研究系统的低压系统电流谐波特性，选择对这6台变压器的电流谐波进行监测，变压器低压母线处电流谐波有效值情况如表4所示 （表4过大，此处不便展示，略 ） 。变压器低压母线处电流总谐波畸变率CP95值情况如图5所示。

> > > >     谐波治理建议

从表3数据来看，变压器的低压母线处电压谐波含量符合国家标准要求，无需额外增加装置进行治理。

从表4数据来看，这6台变压器的低压母线处电流谐波有效值的CP95值有5台超过了标准范围，电流谐波超标情况不容忽视。根据GB 51204 - 2016中4.2.10条规定的380 V系统中谐波次数及谐波电流允许值，1TM1变压器的3次、9次谐波有效值的CP95值超标，1TM2变压器的7次谐波有效值的CP95值超标，2TM1变压器的3次谐波有效值的CP95值超标，2TM3变压器的3次、9次谐波有效值的CP95值超标，2TM4变压器的3次谐波有效值的CP95值超标。

从图5数据来看，由于各自所带用电负荷特性有差异，这6台变压器低压母线处电流总谐波畸变率CP95值的高峰和低谷并不遵循特定规律。除了1TM2变压器数值稍低外，其余5台变压器在夜间电流总谐波畸变率均在25 % ~ 50 %的较高水平。在白天工作时间，随着用电负荷加大，系统的电流总谐波畸变率有所下降。

结合表3、表4和图5来看，系统用电设备除了医疗用电设备外，其用电设备整体也呈现电流源型谐波特性。

谐波对配电网中的配用电设备危害很大，会增加配电设备和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益，并增加不必要的电能损耗。

谐波电流会增加变压器的铜耗，特别是3次及其倍数次谐波对绕组为三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使得绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，且该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器时，可形成3次谐波谐振，使得变压器附加损耗增加。谐波电压的存在会增加变压器的涡流损耗、磁滞损耗及绝缘的电场强度，而谐波电流的存在增加了铜损。本项目变压器选择为Dyn11接线变压器，从表4数据来看，本次主要超标的3次和9次谐波电流，3次和9次谐波电流在其三角绕组中形成环流，使绕组过热，这与现场监测人员反映变电房中变压器噪声大、温升偏高的现象相符；虽然变压器低压母线处都安装了有源滤波装置，但现场人员反映，有源滤波装置投切前后系统谐波参数曲线变化不明显，说明有源滤波装置未能正常工作，需要检查有源滤波装置选型和参数设置是否正确，检测谐波电流的CT安装位置是否正确，然后进一步整改有源滤波治理方案，确保检测谐波电流的CT安装在正确位置，能够检测谐波系统的谐波电流，然后有源滤波装置能够准确调整内部参数，有效消除谐波电流。

当配电系统存在谐波时，电容器投入后其端电压增大，使得通过电容器的电流增大得更多，电容器损耗功率将增加。电容器投入在电压存在畸变的电网中可能使电网的谐波加剧产生谐波扩大现象。此外，谐波的存在往往使电压变形呈尖顶波形，尖顶电压波易诱发局部放电，由于电压变化率大，局部放电强度大，会加速绝缘介质老化，缩短电容器的寿命，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。所以，电容补偿装置选型，需要注意根据变压器低压母线处谐波情况选择适当的耐压等级和电抗器。在LED照明、电脑、变频家电等单相设备大规模接入场所，系统以3次及其倍数次谐波电流为主，电容补偿柜串接的电抗器注意选用12 % ~ 14 % 型，电容电压等级注意选择不低于525 V。在变频风机、水泵、多联机大规模三相变频用电设备接入场所，此时以6 k ± 1（k = 0，1，2，3，……）次谐波电流为主，电容补偿柜串接的电抗器注意选用6 % ~ 7 % 型，电容电压等级注意选择不低于480 V。