医院用无功补偿装置设计

医院用无功补偿装置设计

祁文超

哈尔滨剑桥学院 150060

1 医院供电系统现状

从全国范围来看，医院供电系统与工业供电系统基本沿用同一个设计思路，很多医院在供电设计之初，没有根据医疗行业的具体特点形成差异性的设计理念，造成了很多供电系统不能满足医院设备的需求，甚至造成设备损坏和停电事故的发生^[1]。

随着我国经济的快速发展，越来越多的精密医疗设备进入到越来越多的普通医院，这些医疗设备对供电质量要求很高，既要保证供电系统幅值变化满足设备要求，也对供电波形正弦度提出了很高的限制，与此同时，随着医院负荷的逐年增加，功率因数呈现逐年下降的趋势，很多医院面临功率因数过低而被罚款的局面^[2]。在这种现实问题迫在眉睫需要解决的情况下，越来越多的医院寻求解决之道，以满足医疗设备对供电的需求，避免出现设备损坏和罚款的现象出现。本文基于这种需求，针对医院负荷的特点。提出对医院供电系统进行无功补偿设计方案，并且在无功补偿的同时，对高次谐波进行抑制，以提高医院的供电质量。

2 医院负荷特点分析

目前，医院供电系统普遍采用一次系统10kV进线，使用多台节能型变压器并列运行，降压至0.38kV的供电方案，医疗负荷和照明共用母线。医院的负荷主要有医疗设备负荷、照明负荷、中央空调负荷、通风设备负荷以及垂直电梯和办公电脑负荷，这些典型的负荷中，绝大部分都是单相负荷，并且，主要负荷呈现电感性质并具有非线性的特点，这导致整个医院的供电系统功率因数很低，同时，谐波含量较高，造成电能损耗和线路、设备资源利用率低的问题^[3]。为了能够针对性的治理医院普遍存在的功率因数低和谐波含量高的现实问题，下面对医院负荷中的主要谐波源和感性负荷进行分析。

2.1造成功率因数低的负荷

功率因数低的根源在于负荷的电感性特性，对医院的负荷进行分析可知，医院功率因数低的根本原因在于以下负荷：

（1）空调压缩机。空调在医院广泛只用，且功率很高，这是造成医院功率因数低的主要原因。

（2）通风系统。医院需要良好的换气系统，风机众多，这部分感性负荷也拉低了功率因数。

（3）电梯。医院的电梯利用率高，并且，随着医院规模的不断扩大，为了满足人员的上下楼需求。电梯数量也越来越多，成为越来越影响功率因数的负荷。

2.2 医院的谐波源

负载是谐波产生的根源，对医院的负载进行分析，可以看出，医院的谐波源主要来自以下设备：

（1）精密医疗设备。随着精密医疗设备大面积使用，供电系统谐波含量大幅提高。主要原因是其自带的供电电源截波产生大量谐波，谐波多数为5次和7次谐波^[4]。

（2）照明负荷。医院照明负荷通常选用LED形式，这种照明负荷具有亮度高、节约电能、使用寿命长的优点，但是，大量的照明负荷也是3次谐波的主要来源。

（3）中央空调。为了保证医院的环境舒适，医院倾向采用中央空调，而中央空调温度的调整依赖变频器，从目前情况看，变频器多数采用6脉冲整流，使得其产生大量的5次和7次谐波。

（4）办公设备。医院电脑数量众多，电脑的供电是基于开关电源技术，此外，为了保证重要数据的存储以及电脑连续供电可靠性的要求，一般医院电脑配置不间断电源系统，这些都会产生5次和7次谐波。

3 无功补偿方案

医院的负荷特殊性使得在进行无功补偿时要同时考虑谐波的治理问题，因此，无功补偿通常与谐波治理合二为一，通常情况下，医院在进行无功补偿的时候，通常出于成本考虑使用接触器-电容器补偿方案，该补偿方案的特点是造价低，设备简单，但是，存在补偿精度不够，甚至出现过补偿的问题，不能根据负载的实时变化进行精确的电容电流补偿，同时，接触器投切电容存在的过电压和涌流的现实问题，会导致接触器触电烧毁和电容器爆炸的不良后果^[5]。

尤为关键的是，医院在进行无功补偿的时候，并没有考虑同时进行谐波综合治理。这使得谐波大量进入补偿电容器，造成电容器过电流，造成绝缘击穿、短路、爆炸等问题，这直接影响精密医疗设备的供电可靠性。基于以上考虑，下面对几种常用的无功补偿方案进行分析比较：

（1）串联电抗器补偿

该方案主要的目的不是进行无功补偿，而是抑制谐波。串联电抗器在谐波含量高的电网中，很难对指定次数的谐波含量降低产生作用，该方案对于保护电容器起到一定的效果^[6]。

（2）电容-电抗补偿

采用并联电容器之路串联小电抗的无源补偿方案广泛应用于工业场所，具有造价低廉且具有谐波抑制的优点，通常，可根据供电系统中谐波的次数进行小电抗的匹配，根据相应的国家标准，采用5%，11%，14%的电抗器可有效抑制3次、5次和7次谐波。这种无功补偿方案能够在进行无功补偿提高功率因数的前提下实现指定次数的谐波滤除，具有很好的效果。

（3）有源无功补偿

功率因数低的根本原因在于电压和电流的相位差，也是感性负载的根本特性。如果使用有源方案，相当于直接改变两者的相位差，理论上，能够把两者的相位差变为零，功率因数提高到1，同时，能够消除绝大部分高次谐波，而不仅仅是消除指定的高次谐波。具有补偿效果好，滤波精度高的优点，但也存在价格过高，维护较难的现实问题。

还有其他的基于以上方案的混合式无功补偿方案，但不具普遍性。从以上的主流方案可以看出，医院在进行功率因数提高的治理过程中，必须考虑同时进行谐波治理，以保证供电质量。通过以上分析可知，高精度和快速性的有源无功补偿方案适合于负荷快速变化的冲击性特点负荷使用，而医院没有这类负荷，因此，不宜为追求高标准而提高无功补偿造价，造成不必要的投资浪费。

综合以上的分析，针对医院负荷的具体情况，宜采用电容-电抗无功补偿方案，医院的谐波具有含量一般不超过国家标准，谐波次数以3次为主，小电感的补偿度可根据不同医院的谐波次数做个性化选择。

4 结语

医院的供电系统安全可靠性直接影响医疗设备等重要负荷的工作，而其负荷具有特殊性，与工业场合存在很大的差异，不能直接套用工业场合的无功补偿方案，应该在进行功率因数提高的同时考虑供电系统谐波的治理，同时，考虑无功补偿性价比，兼顾工程投资，不盲目追求高参数而选用不切合负荷实际的有源补偿方案，才能保证医院重要设备的安全可靠供电。

参考文献：

[1]刘云,彭远,寇建秋.基于灵活解析小波的蓄电池谐波抑制和无功补偿研究[J].电力电容器与无功补偿,2019,40(05):85-89.

[2]李永郁.动态谐波抑制及无功补偿组合在医疗设备配电中的应用[J].中国设备工程,2019(12):121-122.

[3]熊小俊.低压无功补偿与谐波抑制产品应用探讨[J].智能建筑电气技术,2019,13(02):85-88.

[4]林怀德. 有源配电网潮流仿真与无功电压优化策略[D].华南理工大学,2018.

[5]纪文革. 大型医院配电网规划与设计研究[D].郑州大学,2017.

[6]杨健,陈建明,李清华.一种改进SVG医用电力无功补偿装置[J].电力电容器与无功补偿,2017,38(04):130-134.

基金项目：2020年黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（医院用无功补偿装置设计（项目编号：202013303026）阶段性研究成果）