医院电气系统设计.docx

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1、上一期为大家带来了通用电气设备中的安全性和可靠性这部分内容。这一期我们将为大家带来通用电气设备中的电能质量、能效、电气系统相关的重要问题等 内容。电能质量电力供应的可靠性是医院电气设备标准中唯一包含的电能质量标准。但是，在设计系统时还 应考虑其他电能质量标准，以避免医疗设备和其他设备发生故障。一个理想的电源表示供电连续，电压和频率始终处于容差范围内，并具有纯净的无噪声正弦 波形状。可以忍受多大的偏差取决于用电设备类型和要求。在可靠性段落中已经讨论过供电中断问题，本节涉及的电能质量问题主要包含以下几类: 谐波畸变电压变化闪变暂态过电压不平衡每个问题都有不同的原因。共用基础设施是主要原因之一。例如

2、，一个用户造成的暂态问题 可能会影响同一公共网络子系统上所有其他用户。其他问题，如用户自身设备产生的谐波, 可能传播或不传播到公共网络，因此不一定会影响到其他用户。谐波问题可以通过良好的设 计和成熟的滤波设备来解决。确保良好的电能质量需要良好的设计方案、有效的治理设备，与电网合作、定期监控和良好 维护。换言之，需要在对电能质量改进原则和实践方法有深刻的认知的基础上，系统全面地 去解决。原因X光机，MRI系统，CT扫描仪和线性加速器通常会产生波峰因数高且波前非常陡的电流，如 图2所示。这种电流特性会对设备造成电压暂降和其他电能质量扰动。其中基于X射线的医疗设备是电 气污染的主要来源。同样这类设备

3、又对电压变化非常敏感。几乎所有的电子医疗设备都对电能质量扰动敏感，免疫度低。但大多数设备对电能质量问题 的免疫度水平如何又不得而知。图2：血管造影过程中正弦电压和失真电流的示波器截图通常来说，医院中导致电能质量问题的原因主要有以下几点：谐波在医院中，谐波电流通常是由电子负载引起的。近年来，产生谐波的医疗设备种类和数量都 在急剧增加，所以设计师和规范制定者必须非常仔细地考虑谐波问题及其影响。与谐波电流 相关的主要问题之一是由于三次谐波导致的中性线过载。电压暂降和暂升电压暂降主要由大负荷和/或公共配电网其他分支的故障造成。电压的长期偏低则通常是电 网在高峰负荷时降低电压以减少负载的一种手段或由于配

4、电系统强度弱引起的。电压瞬变，浪涌电压瞬变和浪涌的产生原因包括设备切换、电网上的雷击以及医院现场或同一线路附近站点 上的无功负荷切换。闪变闪变是指短时电压变化，产生原因包括开关动作、短路和负载变化等。电压三相不平衡连接到三相的不平衡负载是导致不平衡的主要原因。在中、高压系统中，负载通常是平衡的。低压系统中，负载通常是单相的，如个人电脑或照明系统等，因此难以保证各相对称。在布 线过程中，负载均匀分布在三相回路中。但是，由于各个负载的工况不同，还是会发生瞬时 的波动，导致不平衡。系统故障也会导致不平衡，如系统系统的不对称短路故障和开路故障。这些故障导致一个或 多个相中的电压下降，也可能导致其他相的

5、过电压。按定义分类这种现象属于不平衡，通常 在电压扰动中讨论。电网的保护应在这种情况下隔离故障。长期低电压和过电压长期欠压或过压可能由负载变化、系统开关操作和电压调节引起。解决方案在购买、安装和维护医疗设备时，电能质量始终是一个值得关注的问题。保证良好的电能质 量需要医疗机构、设备供应商、设备制造商和电网公司的共同努力。尽管设备制造商目前正在推出带有输入电容滤波器的新型器件，以解决电能质量问题，但这 是不够的，必须采用系统化的方法。解决电能质量问题需要深刻了解以下几个方面问题：（1）供电质量；（2）设备免疫度；（3） 二者的兼容性。现在有各种各样的电能质量解决方案。通过采用适当特定的系统特性和

6、/或电能质量调节装 置，可以避免大部分电能质量问题。采取何种治理措施取决于具体情况、设备的抗扰度水平 和电能质量扰动水平。配电方案提高电能质量的一个简单而有效方法是分开敏感负载与干扰负载。根据干扰和免疫水平，可 以在终端电路到整个配电网的各个层级中进行划分。不间断供电系统（UPS）UPS系统现在通常用作关键负载的备用电源，而备用电源的切换时间必须非常短或为零。单 相静态UPS系统的额定容量从200 VA到50 kVA，三相容量可从10 kVA到约4000 kVA。除 在停电的情况下使用外，UPS也用于改善电能质量。UPS设备的效率很高，根据使用转换器 的数量和电池的类型，能量损耗从3%到10%

7、不等。在1999年出版的标准IEC 62040-3中给出了 UPS系统的基本分类，并由CENELEC采纳为标 准EN-50091-3 1。该标准将UPS分为三类，表示输出电压和频率与输入参数之间的关系： 一 . _ VFD （输出电压和频率取决于主电源） 一 一 一VI （输出电压与主电源无关） VFI （输出电压和频率与主电源无关）动态电压恢复器（DVR）在重载或深度电压暂降的地方，可使用动态电压恢复器（DVR）。该器件串联耦合到供电回 路中，补偿缺失的电压。如果电压下降到70%，则DVR会产生缺失的30%。DVR可在短时 间内支撑负载电压，一般使用高负载电池、超级电容器或其他形式的能量存储

8、器，如高速飞 轮。DVR不能用于校正长期欠压或过压的情况。无源滤波器无源滤波器用于为谐波电流提供低阻抗通路，使其流入滤波器。滤波器可以根据需要，设计 为滤除单一谐波或宽带频谱。简单的串联带阻滤波器方案可应用在供电相线或中性线上。串联滤波器旨在阻止谐波电流， 而不是为它们提供通路。串联滤波器会在负载侧产生一个很大的谐波电压降。由于会造成电 源电压严重畸变，不再符合设备设计标准。有些设备对这种畸变不敏感，但有的设备非常敏 感。串联滤波器在某些情况下可能会有用，但应谨慎应用，因此不被推荐为通用解决方案。有源谐波调节器（AHC）有源谐波调节器（AHC）的概念简单，用电力电子器件补偿非线性负载产生的谐波

9、电流，从 而保证电源电流为基波电流。负载电流大小由电流互感器测量，其输出信号通过DSP分析以 确定谐波分量。电流发生器使用这些信息来产生负载所需的谐波电流。由于AHC依赖于电流互感器的测量结果，它可以快速适应负载谐波的变化。谐波分析和补偿 电流生成过程是由软件完成的，因此实现简单。AHC有多种不同的电路拓扑，设计时需考虑元件的容量。大型变压器，电动机和电缆谐波对变压器的影响分为两种情况。第一种情况是涡流损耗一通常接近负载损耗的10%按谐波次数的平方增长。一个为IT 设备供电的变压器,满载时其损耗将是为线性负载供电的两倍。这将使变压器运行温度更高， 缩短使用寿命。幸运的是，几乎没有变压器满载运行

10、，但必须考虑这个影响。第二个情况涉及三次谐波。在三角形绕组变压器中，三次谐波在绕组中形成环流，不会 传播到电网中。这意味着三角形接线的变压器可用来阻断三次谐波。但是，在对变压器进行 定容时，必须考虑到环流。请注意，使用曲折变压器可以获得相同的效果。还要注意，所有 非三次及其整数倍谐波都可流过变压器。对于电动机，与变压器一样，谐波电压畸变会增加涡流损耗。定子产生的谐波磁场和转子产 生的感应高频电流会使得附加损耗增加。在存在谐波电压畸变时，应降低电机的容量，以考 虑额外损耗。当存在谐波电流时，设计人员考虑集肤效应后，会降低电缆容量。交流电流往往在导体的外 表面上流动（集肤效应），这种现象在高频时更

11、为明显。由于集肤效应在工频影响非常小， 通常忽略不计。然而，在频率大于350Hz，即七次谐波及以上，集肤效应将变得明显，导致 对导体进行定容时必须考虑额外损耗的影响。多个电缆芯线或层压母线可以用来解决这个问 题。还要注意，母线的支架系统必须设计成能避免谐波频率处的机械共振。屏蔽屏蔽是在干扰噪声源和敏感电路使用金属和/或铁磁材料实现电磁干扰隔离，用于保护数据 或电力电缆和各种电子电路。屏蔽可以是环绕源和接收电路的金属板、外壳或包装。静态转换开关（SSTS）快速静态转换开关可用于连接和断开不间断电源（UPS）,以确保了敏感负荷的不间断运行。 快速静态转换开关可以在6ms内切换到UPS,而一般接触器

12、需要几十甚至几百ms。与接触器不同，静态转换开关另一个优点是不会产生开关过压，因此被推荐应用在对过电压 敏感的环境中，如带感性负载的电路。静止无功补偿器（SVC）快速的电力电子装置，如静态无功补偿器，可用于抑制不平衡SVC可以快速改变补偿阻抗， 实现每相负载的阻抗变化，也能够补偿无功功率。但SVC价格昂贵，因此通常在仅在其他解 决方案都不合适的大负载（如电弧炉）。SVC可以抑制周期冲击性负载（如点焊机）对系统的影响，实现在线提升功率因数。稳压器 大部分电压暂降都具有残余电压，意味着能量仍然可用，只是对于负载而言电压太低。因此， 可以不需要储能机构，而直接应用稳压器。稳压器通过降低电压（和增加电

13、流）保证在电压 暂降期间仍然有可用的能量来产生全电压。这些设备通常被归类为自动稳压器。自动稳压器的主要类型有:机电式 .铁氧体谐振或恒压变压器（CVT） 一电子式步进调节器.可饱和电抗器（Transductor） 电子稳压器（EVS）能量效率一旦电气系统的安全性，可靠性和电能质量得到保证，关注重点可以转移到能效上。降低能 源消耗可能是减缓住院费用持续上升的关键举措。作为用能管理计划的一部分，节能策略可以协助医院实现主动能源管理。用能管理信息可以 帮助医院重点关注在病患上，而不是节能上。这些信息还提供预测性的维护指标，帮助医院 减少设备停机时间。配电网络电网中电气设备能效基本原理是导体中的能量损

14、失与其横截面成反比。这个规则适用于电 缆、电动机和变压器的绕组。电缆的最小横截面积由标准IEC 60364规定。但是，这些标准仅考虑安全方面，而非能效。 在大多数情况下，增大横截面是值得投资的。可以从总成本（TCO）最优的角度选取导体截 面。最优计算可以从全生命周期的负荷曲线、未来电价和折现率进行计算。变压器是电气系统的另一部分，也可以显著节约投资。与其他电气设备相比，变压器的能效 似乎相对较高（通常为98%至99%以上），它们连续运行，使用寿命长（通常为20至30 年）。因此，小幅度提高效率可以使得变压器在整个生命周期内节省大量的能源。在绝大多 数情况下，高效的变压器具有很好的生命周期成本。

15、投资回报期通常少于两年。除了财务效 益之外，节能还可带来显着的环境效益。灯光由于医院照明需要24小时的运作，照明又对患者和工作人员产生影响，因此医院的照明需 求变得非常复杂。照明占医院能源消费总量的10-15%和用电量的40-50%，这为节能提供 了大量的机会。具有成本效益的照明技术为实现高节能和降低医院运营维护成本提供了机会，例如： 高效荧光灯或LED灯代替白炽灯 采用照明控制要维持出口标志达到相同的照度（以流明为单位），LED灯的能耗不到荧光灯（140kWh）的 三分之一（44kWh），比白炽灯（350kWh）低七倍。通常情况下，医院替换灯具等措施的投 资回收期很短（一年或几年）。用于照明

16、控制的低科技和高科技解决方案都是有效的。许多医院已经开展了提高照明意识的 宣传活动，培训员工在不用房间时关灯。除此之外，高效照明系统通过确保仅在必要时使用 电力照明，大大减少能源使用量。以下措施可以节省能量，而不会影响病人护理或设施功能:将日光控制设施安装在病房和有大窗户的公共场所采用可实现连续调光的集成控制（100至5%的灯泡功率） 在频繁闲置的空间安装占用传感器，例如洗手间，楼梯间，服务区和机械设备间 一使用包括调光和步进功能的传感器来利用日光结合外置运动传感器，节省能源，并可以提高安全性其他与照明有关技术对提高医院的能效表现在： 一 一 一一 .在病房和检查室采用多种照明方式一一利用环境

17、照明和特定需求照明。病 房在检查期间打开灯光，但其余时间不用。无灯光时，病人可休息，同时降低能 耗。 . , 去除不必要的灯泡种类（具有相同照明目的）来简化灯泡库存。 一 _最大化使用亚光或散射浅色材料以利用日光照明。 . _ 一一. . 一 .一 一 ，. 一一在所有未来的设计中应用照明控制策略。使用标准化技术，持续使用控制 措施（例如调光，传感器，日光），并确保整个医院的外观和感觉一致。电气系统相关的重要问题IEC标准中没有包括有关电力系统良好运行的其他一些重要问题：病人的生活质量。IEC标准足以确保电气安全和生命支持功能的可靠性。但 是，病人不仅仅需要这些。医院内病人的生活质量可以通过以下方式加以提高：尽量减少不必要的重复检查。这使得电力可用性规定比IEC标准更严格。提供清楚的信息，以及如何处理电力中断的指示。 适当的护士和医生培训。缺乏电气知识可能会导致手术电子设备使用不当， 影响电气安全性和可用性。通过对此开展定期的培训项目可避免出现这样的问 题。