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摘 要： 随着社会生产力的发展，科学技术的进步，越来越多的非线性用电设备被大量的在医院内使用，这就给低压供电网带来了大量的谐波污染。本文简单总结了医院内常见谐波源、谐波的危害、谐波治理的标准及措施。
关键词： 谐波源 谐波危害 谐波治理的标准及措施
中图分类号： TU2 文献标识码： A
1 引言
随着大量的非线性负荷在医院中的使用，谐波污染问题越来越严重，其造成的电压波动直接影响着精密医疗设备的正常使用。因此，必须引起我们电气设计人员的高度关注，尤其是医院的电气设计。因为医院是治病防治、保障人民健康的卫生事业单位，直接关乎人民的生命安全。
2医院内主要的谐波源
常见的谐波源主要有 ：（1）换流设备 ；（2）电弧炉 ；（3）铁心设备 ；（4）照明设备 ；（5）生活日用电器等非线性设备。
对于医院场所可以将谐波源分为以下几类 ：
1）变频设备 ：由于节能需求，大量的变频调速电梯、变频风机等变频调速设备在医院中大量使用。医院的变频设备一般为6 脉波整流设备，所以会产生大量5、7 次的谐波电流及少量的其他次数的谐波电流。
2）照明设备 ：为了节能，目前医院使用大量的带电子整流器荧光灯具，部分科室如放射科、眼科、高级病房等部分房间采用调光灯具，此类灯具的采用会使系统中产生大量的3 次谐波电流，注入电网。
3）DSA、MRI 等大型医疗设备 ：随着医院现代化程度越来越高，从国外引进了大量的医疗设备用于提高医院的诊断和治疗水平，这些大型医疗设备一般都含有开关电源、晶闸管等谐波源，因此会产生大量的3、5、7 次等谐波电流。
4）UPS 和计算机设备 ：为了保证供电的可靠性，现在医院的计算机网络系统都配备了UPS 设备，在末端计算机设备也配备了大量的开关电源，这些UPS 和开关电源均为谐波源，会产生大量的5、7 次等谐波。5）变压器 ：属于铁心设备，在电力电子装置普及以前，变压器是主要的谐波源。目前变压器谐波已退居很次要的位置，各种电力电子装置成为主要的谐波源。
3谐波的危害
3.1 对电缆的影响
由于趋肤效应，当频率较高的谐波电流流过导体时，导体的有效截面积小于导体的实际截面积。所谓的趋肤效应是指交流电流流过导体时，向导体的表面集中的一种物理现象。电流的频率越高，电流越向导体表面集中。而截面积小，会有更大的电阻，也就意味着将产生更大的热量。当频率较高的谐波电流流过导体时，导体呈现的电阻比基波电流要大，因此同样幅度的谐波电流将比基波电流产生更大的热量。
因为我们在进行线路设计时，导体的截面积是按照基波频率设计的。而当这些导体中流过谐波电流时，呈现更大的电流密度，导致更大的电阻损耗，从而导致导体过热。导体过热会导致电缆早期老化、甚至诱发火灾。
3.2 对变压器的影响
谐波电流流过变压器时，会增加变压器的线圈绕组的电阻损耗( 称为铜损) 和铁心的损耗( 称为铁损)，从而引起变压器过热，使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏。
3.3 对并联电容器的影响
（1）无功补偿装置中的保险丝烧断 ：这是流过补偿装置的电流过大导致的。
（2）无功补偿装置中的电容炸裂 ：这是流过补偿电容的电流过大，导致电容过热引起的。
谐波电流造成这些危害的根本原因是谐波电容无功补偿装置与变压器构成的回路中发生了LC 并联谐振。LC 并联谐振会导致电流放大，烧毁无功补偿装。
3.4 3 次谐波的特殊危害
因为医院有大量的3 次谐波负荷，如带电子镇流器的荧光灯等设备，因此在处理谐波问题时，3 次谐波电流需要引起特别的关注。3 次谐波电流之所以危害很大，是因为3 次谐波电流在中性线上叠加，会导致中性线电流过大，造成火灾隐患。而中性线上是没有保护装置的，中性线上一旦出现过大的电流，只能任其过热。
4谐波的治理措施
解决谐波污染问题，目前主要有2 种途径 ：
1）对谐波源本身进行改造，使其不产生谐波也不消耗无功。在产品设计时就考虑减少和抑制谐波措施，就是所谓的“防病”的方法。对于医院设备来说，电视、计算机等其他电子办公设备，这些小的谐波源，目前采用在整流二极管和滤波电容之间插入一个电流整形器或叫功率因数校正器，使设备的谐波电流减少，目前在产品设计时考虑此方法有效抑制了谐波电流。
2）在电力系统或负载侧加装滤波装置，抑制谐波和补偿无功功率，这就是所谓的治病的方法。此种途径目前常采用以下几种方法 ：
（1）无 源 电 力 滤 波 器(Passive Power Filter,PPF) ：在电力系统中，PPF 一直是传统的谐波治理和无功补偿的主要手段。无源滤波器由LC 等被动元件组成，又称LC 滤波器，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。其突出优点就是结构简单、运行可靠性高、运行费用低。
（2）有 源 电 力 滤 波 器（Active Power Filter，APF）：APF 是一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置，其工作原理是从补偿对象（谐波源）中检测出需要补偿的分量，如无功电流或谐波电流分量。由APF 产生一个与补偿分量极性相反及大小相等方向的补偿分量，以使补偿分量和APF 产生的补偿分量相互抵消，从而使电网电流只含基波分量，重新成正弦电流。
（3）无源滤波器和有源滤波器相比较各有优缺点 ：无源滤波器的优点就是结构简单、运行可靠性高、运行费用低。缺点是 ：首先是它的补偿特性受电网及负载影响较大 ；其次是在滤波器与供电网之间会发生串、并联谐振的可能，而放大谐波电流 ；不能对谐波和无功实现动态补偿等。
有源滤波器的优点是 ：它的補偿特性受电网及负载影响较小 ；不会与电网发生串并联谐振现象，可靠性高 ；可实现动态补偿等。缺点是结构复杂，造价太高 ；单独使用时，可以用在小容量的非线性负荷，而不能用于大容量的场所。
以上介绍了抑制谐波的一些主要方法及其原理和优缺点，而对于医院电气设计，我们要结合医院的负载特点及其医院的整体投资情况，来选择合适的方式来消除谐波。
医院配电系统谐波源负载主要特点 ：谐波电流频谱范围主要为3、5、7 次谐波 ；医院内电子设备、医技设备很多，这些设备对谐波很敏感 ；医院内谐波源比较分散。
因此我们通常采用的方法是在变电所变压器出线端集中设置无源滤波器，用以集中消除5、7 谐波和补偿无功功率。随着国家综合经济实力的发展，医院建设投资的增加，我们也可以采用变电所变压器出线端设置无源滤波器，而在谐波源比较集中的场所设置有源滤波器，如在UPS 集中的信息中心等场所，或是完全采用有源滤波器，进一步提高电能质量。由于基于有源滤波器的上述优点，采用有源滤波器必然是一个趋势，在一些发达国家有源滤波器已经被广泛的采用。
5 结语
以上是笔者对医院里的谐波源、谐波对医院的影响以及消除谐波的办法进行的简单介绍和总结。如有不当之处，请同行批评指正。
参考文献
[1] 王兆安，杨军，刘进军，王跃. 谐波抑制和无功功率补偿[M].(2 版) 北京 ：机械工业出版社，2006.
[2] 肖湘宁. 电能质量分析与控制[M]. 北京 ：中国电力出版社,2010.
关键词： 谐波源 谐波危害 谐波治理的标准及措施
中图分类号： TU2 文献标识码： A
1 引言
随着大量的非线性负荷在医院中的使用，谐波污染问题越来越严重，其造成的电压波动直接影响着精密医疗设备的正常使用。因此，必须引起我们电气设计人员的高度关注，尤其是医院的电气设计。因为医院是治病防治、保障人民健康的卫生事业单位，直接关乎人民的生命安全。
2医院内主要的谐波源
常见的谐波源主要有 ：（1）换流设备 ；（2）电弧炉 ；（3）铁心设备 ；（4）照明设备 ；（5）生活日用电器等非线性设备。
对于医院场所可以将谐波源分为以下几类 ：
1）变频设备 ：由于节能需求，大量的变频调速电梯、变频风机等变频调速设备在医院中大量使用。医院的变频设备一般为6 脉波整流设备，所以会产生大量5、7 次的谐波电流及少量的其他次数的谐波电流。
2）照明设备 ：为了节能，目前医院使用大量的带电子整流器荧光灯具，部分科室如放射科、眼科、高级病房等部分房间采用调光灯具，此类灯具的采用会使系统中产生大量的3 次谐波电流，注入电网。
3）DSA、MRI 等大型医疗设备 ：随着医院现代化程度越来越高，从国外引进了大量的医疗设备用于提高医院的诊断和治疗水平，这些大型医疗设备一般都含有开关电源、晶闸管等谐波源，因此会产生大量的3、5、7 次等谐波电流。
4）UPS 和计算机设备 ：为了保证供电的可靠性，现在医院的计算机网络系统都配备了UPS 设备，在末端计算机设备也配备了大量的开关电源，这些UPS 和开关电源均为谐波源，会产生大量的5、7 次等谐波。5）变压器 ：属于铁心设备，在电力电子装置普及以前，变压器是主要的谐波源。目前变压器谐波已退居很次要的位置，各种电力电子装置成为主要的谐波源。
3谐波的危害
3.1 对电缆的影响
由于趋肤效应，当频率较高的谐波电流流过导体时，导体的有效截面积小于导体的实际截面积。所谓的趋肤效应是指交流电流流过导体时，向导体的表面集中的一种物理现象。电流的频率越高，电流越向导体表面集中。而截面积小，会有更大的电阻，也就意味着将产生更大的热量。当频率较高的谐波电流流过导体时，导体呈现的电阻比基波电流要大，因此同样幅度的谐波电流将比基波电流产生更大的热量。
因为我们在进行线路设计时，导体的截面积是按照基波频率设计的。而当这些导体中流过谐波电流时，呈现更大的电流密度，导致更大的电阻损耗，从而导致导体过热。导体过热会导致电缆早期老化、甚至诱发火灾。
3.2 对变压器的影响
谐波电流流过变压器时，会增加变压器的线圈绕组的电阻损耗( 称为铜损) 和铁心的损耗( 称为铁损)，从而引起变压器过热，使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏。
3.3 对并联电容器的影响
（1）无功补偿装置中的保险丝烧断 ：这是流过补偿装置的电流过大导致的。
（2）无功补偿装置中的电容炸裂 ：这是流过补偿电容的电流过大，导致电容过热引起的。
谐波电流造成这些危害的根本原因是谐波电容无功补偿装置与变压器构成的回路中发生了LC 并联谐振。LC 并联谐振会导致电流放大，烧毁无功补偿装。
3.4 3 次谐波的特殊危害
因为医院有大量的3 次谐波负荷，如带电子镇流器的荧光灯等设备，因此在处理谐波问题时，3 次谐波电流需要引起特别的关注。3 次谐波电流之所以危害很大，是因为3 次谐波电流在中性线上叠加，会导致中性线电流过大，造成火灾隐患。而中性线上是没有保护装置的，中性线上一旦出现过大的电流，只能任其过热。
4谐波的治理措施
解决谐波污染问题，目前主要有2 种途径 ：
1）对谐波源本身进行改造，使其不产生谐波也不消耗无功。在产品设计时就考虑减少和抑制谐波措施，就是所谓的“防病”的方法。对于医院设备来说，电视、计算机等其他电子办公设备，这些小的谐波源，目前采用在整流二极管和滤波电容之间插入一个电流整形器或叫功率因数校正器，使设备的谐波电流减少，目前在产品设计时考虑此方法有效抑制了谐波电流。
2）在电力系统或负载侧加装滤波装置，抑制谐波和补偿无功功率，这就是所谓的治病的方法。此种途径目前常采用以下几种方法 ：
（1）无 源 电 力 滤 波 器(Passive Power Filter,PPF) ：在电力系统中，PPF 一直是传统的谐波治理和无功补偿的主要手段。无源滤波器由LC 等被动元件组成，又称LC 滤波器，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。其突出优点就是结构简单、运行可靠性高、运行费用低。
（2）有 源 电 力 滤 波 器（Active Power Filter，APF）：APF 是一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置，其工作原理是从补偿对象（谐波源）中检测出需要补偿的分量，如无功电流或谐波电流分量。由APF 产生一个与补偿分量极性相反及大小相等方向的补偿分量，以使补偿分量和APF 产生的补偿分量相互抵消，从而使电网电流只含基波分量，重新成正弦电流。
（3）无源滤波器和有源滤波器相比较各有优缺点 ：无源滤波器的优点就是结构简单、运行可靠性高、运行费用低。缺点是 ：首先是它的补偿特性受电网及负载影响较大 ；其次是在滤波器与供电网之间会发生串、并联谐振的可能，而放大谐波电流 ；不能对谐波和无功实现动态补偿等。
有源滤波器的优点是 ：它的補偿特性受电网及负载影响较小 ；不会与电网发生串并联谐振现象，可靠性高 ；可实现动态补偿等。缺点是结构复杂，造价太高 ；单独使用时，可以用在小容量的非线性负荷，而不能用于大容量的场所。
以上介绍了抑制谐波的一些主要方法及其原理和优缺点，而对于医院电气设计，我们要结合医院的负载特点及其医院的整体投资情况，来选择合适的方式来消除谐波。
医院配电系统谐波源负载主要特点 ：谐波电流频谱范围主要为3、5、7 次谐波 ；医院内电子设备、医技设备很多，这些设备对谐波很敏感 ；医院内谐波源比较分散。
因此我们通常采用的方法是在变电所变压器出线端集中设置无源滤波器，用以集中消除5、7 谐波和补偿无功功率。随着国家综合经济实力的发展，医院建设投资的增加，我们也可以采用变电所变压器出线端设置无源滤波器，而在谐波源比较集中的场所设置有源滤波器，如在UPS 集中的信息中心等场所，或是完全采用有源滤波器，进一步提高电能质量。由于基于有源滤波器的上述优点，采用有源滤波器必然是一个趋势，在一些发达国家有源滤波器已经被广泛的采用。
5 结语
以上是笔者对医院里的谐波源、谐波对医院的影响以及消除谐波的办法进行的简单介绍和总结。如有不当之处，请同行批评指正。
参考文献
[1] 王兆安，杨军，刘进军，王跃. 谐波抑制和无功功率补偿[M].(2 版) 北京 ：机械工业出版社，2006.
[2] 肖湘宁. 电能质量分析与控制[M]. 北京 ：中国电力出版社,2010.