会员风采

                  【作  者】上海市黄浦区卫生健康国资管理中心  姚辰  沈伟东

                  【摘  要】论述谐波产生的原因，分析对电力系统和用电设备的危害，阐述合理减低风险措施。

                  【关键词】医疗设备；检测方法；谐波危害；典型案例；治理措施

  医院供电系统中的电压谐波问题。首先电压谐波对医院各类精密医疗设备、供电系统稳定性等方面造成的危害。接着分析医院电压谐波的主要来源，包括非线性医疗设备、照明设备等。通过实际案例测量与数据分析，探讨了谐波的特性与分布规律。最后提出了一系列针对医院电压谐波的治理措施，以保障医院供电的可靠性和医疗设备的正常运行。

一、引言

随着医疗技术的飞速发展，医院内大量先进的医疗设备被广泛应用。这些设备中很多属于非线性负载，在运行过程中会产生电压谐波。电压谐波的存在不仅会影响医疗设备的性能和寿命，还可能对医院的供电系统造成潜在威胁，甚至影响医疗安全。因此，研究医院电压谐波问题并采取有效的治理措施具有重要的现实意义。

二、电压谐波对医院的危害

（一）对医疗设备的影响

1. 干扰设备正常运行：许多医疗设备如核磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）等对电源质量要求极高。电压谐波会在设备电路中产生额外的电流和电压波动，干扰设备的信号处理和控制电路，导致图像失真、数据不准确等问题，影响医生的诊断结果。

2. 缩短设备使用寿命：谐波电流会使设备的导体发热增加，加速绝缘材料的老化，降低设备的可靠性和使用寿命。例如，谐波会使变压器的铜损和铁损增加，导致变压器温度升高，长期运行会缩短变压器的使用寿命。

（二）对供电系统的影响

1. 增加线路损耗：谐波电流在输电线路中流动会产生额外的功率损耗，降低供电系统的效率。这不仅会增加医院的电费支出，还可能导致线路过热，存在安全隐患。

2. 影响保护装置的正常动作：电压谐波可能会使保护装置误动作或拒动作，破坏供电系统的稳定性和可靠性。例如，谐波会使过流保护装置的动作电流发生变化，导致在正常情况下误跳闸或在故障时不能及时动作。

三、医院电压谐波的来源

（一）非线性医疗设备

1. CT扫描仪：CT扫描仪是医院常用的影像诊断设备。它由X射线管、探测器、数据采集系统等多个部分组成。其中，X射线管需要精确的高压电源来产生X射线，为了实现对X射线强度和能量的精确控制，其电源系统通常采用高频开关电源技术。高频开关电源中的开关器件（如MOSFET、IGBT等）在导通和截止过程中会使电流快速变化，导致电流波形失真，产生大量的高次谐波，因此CT扫描仪属于典型的非线性负载。

2. 核磁共振成像（MRI）设备：MRI设备利用强大的磁场和射频脉冲来生成人体内部的图像。其系统中的射频放大器、梯度放大器等关键部件需要使用大量的电子元件来实现信号的放大和处理。这些电子元件的工作特性使得电流在不同的工作状态下表现出非线性变化。例如，射频放大器在对射频信号进行放大时，由于晶体管等元件的非线性特性，会使输出电流与输入电压之间的关系不再是线性的，从而产生谐波，成为非线性负载。

3. 超声诊断仪：超声诊断仪通过向人体发射超声波并接收反射波来形成图像。它的电路系统包括超声发射电路、接收放大电路、信号处理电路等。这些电路中使用了大量的集成电路、晶体管等非线性元件，在信号的处理和放大过程中，会导致电流和电压的非线性变化。例如，在对微弱的超声回波信号进行放大时，放大器的非线性特性会使输出信号的电流波形发生畸变，产生谐波分量。

（二）照明设备

1. LED灯：LED灯是医院照明系统中广泛使用的灯具。它通过电子驱动电路将交流电转换为直流电来驱动LED发光。电子驱动电路中包含整流器、电容器等非线性元件，当交流电输入时，这些元件会使电流在电压的不同阶段呈现出不连续的变化，导致电流波形发生畸变，不再与电压波形保持线性关系。例如，在电压的某些区间内，电流可能会出现尖峰脉冲，从而使其成为非线性负载。

2. 荧光灯：荧光灯的工作原理是通过镇流器产生高压来激发灯管内的汞蒸气放电，进而使荧光粉发光。传统的电感式镇流器会产生一定的非线性，但现在医院中更多使用的是电子镇流器荧光灯。电子镇流器内部的电路结构较为复杂，包含整流、滤波、逆变等环节，其中的半导体元件会导致电流和电压之间的非线性特性。当交流电源输入电子镇流器时，电流波形会偏离正弦波，产生谐波成分。

（三）办公及信息设备

1. 计算机及服务器：医院的办公区域和信息中心配备了大量的计算机和服务器，用于医疗数据的管理、存储和处理。计算机和服务器的电源通常采用开关电源，开关电源在工作时会将交流电转换为直流电供设备使用。在这个转换过程中，开关管的高频开关动作会使电流在短时间内急剧变化，导致电流波形出现尖峰和脉冲，与输入电压的正弦波形不再成线性关系，从而产生谐波，成为非线性负载。

2. 打印机和复印机：打印机和复印机在医院的办公和医疗记录打印等方面起着重要作用。现代的打印机和复印机通常采用电子控制系统和高压电源来实现打印和复印功能。其内部的电子元件和电路在工作时会呈现出非线性特性。例如，激光打印机中的高压转印辊需要精确的电压控制，其电源电路中的非线性元件会使电流波形发生畸变，产生谐波，属于非线性负载。

四、医院电压谐波的测量方法、内容、数据分析、解析

（一）测量方法、测试内容

   采用专业的电能质量分析仪对医院不同区域的电压和电流进行测量。测量点应选择在变压器低压侧、重要医疗设备的电源输入端等关键位置。测量时间应涵盖医院的不同运行时段（用电高峰时间段），以全面了解谐波的变化情况。

电能质量分析仪

变压器低压侧

电能质量分析仪

主要测试方式、内容（电压偏差测试、频率偏差测试、三相电压不平衡度测试、谐波测试等）

（二）数据分析

对测量得到的数据进行分析，计算谐波含量、谐波畸变率等指标（如图示）。通过绘制谐波频谱图，直观地展示谐波的频率分布和幅值大小。分析不同时段、不同设备运行情况下谐波的变化规律，找出谐波产生的主要原因和影响因素。

（三）实际案例分析

针对黄浦区卫健委所属的26家医院实测情况，有8家医院测试出电压总谐波畸变率超过了国家标准规定的 5%。这8家医院其中有1家医院的电压总谐波畸变率超过 8%（如下图）。这些医院的实测值为不稳定数值，取决于医院在何时用电量达到高峰及低谷，特别是大型影像诊断设备（主要源头）何时使用次数频繁，都直接影响电压总谐波畸变率，所以实测值的幅度有上下变动可能。

这家医院其他数值都是正常（如下图）：

五、医院电压谐波的治理措施

针对医院电压谐波治理，需结合医疗设备高敏感性和供电安全要求，制定以下‌分层治理措施及建议性要求‌，以保障电能质量符合国标（GB/T 14549、GB 51039）。国内滤波器大概分三类：有源滤波器、无源滤波器以及混合性滤波器。这三种的设备的生产公司价格都不一，先看看三者的优缺点（如下图）：

 如图显示，针对安装滤波器虽能起到减少谐波的可能，但是造价高，维护困难，特别是有缘滤波器，在本地区域的维护单位极少，最有效实际办法就是：1、购入谐波电流发射限值需满足 ‌IEC 61000-3-12‌ 标准设备仪器。2、配电系统改造,将传统电容柜更换为‌混合动态补偿装置（APF+SVG）；3、中性线加固，手术室、ICU、影像科配电干线‌中性线截面 ≥ 相线截面的200%‌（应对3次谐波电流）等。

六、结论

医院电压谐波问题是一个不容忽视的重要问题，它对医院的医疗设备和供电系统都有着严重的危害。通过对医院电压谐波的来源、危害进行分析，并结合实际案例进行测量和研究，可以采取一系列有效的治理措施来降低谐波含量，提高医院供电的可靠性和电能质量。在实际应用中，应根据医院的具体情况，综合考虑各种治理措施的优缺点，选择最合适的治理方案，以保障医院的正常运行和医疗安全。