Datengesteuerte Bewertung der Stromqualität in einem elektrischen System eines Krankenhauses
| Einrichtung | Krankenhaus der Universität Lampung, Indonesien – großes Universitätskrankenhaus |
| Messpunkt | Hauptverteilerfeld (MDP) – vier Datensätze, elektrische Messungen mit hoher Abtastrate |
| Angewandte Standards | IEEE 1159 (Definitionen) · IEC 61000-4-30 (Messmethoden) · IEEE 519 (Compliance-Grenzwerte) |
| Spannung & Frequenz | KONFORM – stabil, innerhalb der nominalen Grenzen, wie sie von der Versorgungsversorgung erwartet werden |
| Aktueller TDD | NICHT KONFORM – IEEE übertroffen 519 Grenzen um ein Vielfaches |
| Spannungsungleichgewichtsverhältnis | NICHT KONFORM — die zulässigen Grenzwerte für längere Zeiträume überschritten, als die Norm zulässt |
| Leistungsfaktor | ZÜCKEN – weist auf Blindleistungsverluste und eine verringerte Verteilungseffizienz hin |
| Grundursache | Unkontrollierte nichtlineare Lasten (SMPS, UPS, VFD, bildgebende Ausrüstung) zur internen Verteilung |
| Schlüsselfund | Die Versorgung war sauber – alle PQ-Probleme hatten ihren Ursprung im krankenhauseigenen Verteilungssystem |
01 Kontext und Hintergrund
Diese Fallstudie präsentiert die Ergebnisse einer umfangreichen, Multiparameter-Bewertung der Stromqualität, durchgeführt am Universitätskrankenhaus Lampung in Indonesien – einem großen Lehrkrankenhaus, das sowohl klinische als auch akademische Dienstleistungen anbietet. Die Studie von Nama, Despa, Tugiyono, und Adlige (2025) stellt eine der ersten strengen dar, datengesteuerte PQ-Auswertungen in einer großen indonesischen Gesundheitseinrichtung, Damit wird eine Lücke in der regionalen Literatur geschlossen, in der sich die meisten früheren PQ-Studien nur mit einem einzelnen Parameter und nicht mit dem gesamten Spektrum an Störungen befassten.[1]
Moderne Krankenhäuser gehören zu den anspruchsvollsten Energiequalitätsumgebungen in jedem Sektor. Gleichzeitig ist der Lastmix stark nichtlinear – Schaltnetzteile (SMPS) in Computern und Monitoren, Variable Frequency Drives (VFD) in HVAC-Systemen, USV-Systeme, diagnostische Bildgebungsgeräte, einschließlich CT- und MRT-Scanner – und hochempfindlich, mit Patientenüberwachung, lebenserhaltend, und Diagnoseinstrumente, die anfällig für Wellenformverzerrungen sind, Spannungsunsymmetrie, und Stromunterbrechungen.[1]
Die anspruchsvollsten nichtlinearen Belastungen – diagnostische Bildgebung, USV-Systeme, Elektronische Vorschaltgeräte – sind dieselben Geräte, die die harmonische Verzerrung erzeugen, die die empfindlichen klinischen Instrumente bedroht, die an dasselbe Verteilungssystem angeschlossen sind. Das Krankenhaus ist gleichzeitig die bedeutendste Quelle interner PQ-Störungen und zugleich das am stärksten gefährdete Opfer.
Der besondere Wert der Studie liegt darin, dass sie durchgängig international anerkannte Standards anwendet: IEEE 1159 für Definitionen, IEC 61000-4-30 für Messmethoden, und IEEE 519 zur Compliance-Bewertung. Dadurch sind die Ergebnisse direkt mit PQ-Studien in anderen Gerichtsbarkeiten vergleichbar und für die nordamerikanische und europäische Ingenieurspraxis relevant, nicht nur auf den indonesischen Kontext.
02 Messmethodik
Messpunkt und Instrumentierung
Die Messungen wurden am Hauptverteilerfeld durchgeführt (MDP) — der primäre Versorgungspunkt innerhalb des Krankenhauses, hinter dem Versorgungseingang und vor den einzelnen Verbraucherabzweigen. Vier Datensätze wurden mit elektrischen Messgeräten mit hoher Abtastrate erfasst. Dieser Messpunkt erfasst das Gesamtverhalten aller Krankenhauslasten vom Hauptversorgungspunkt aus gesehen, Dies ist der repräsentativste Standort für die Beurteilung der gesamten internen PQ-Umgebung.[1]
Gemessene Parameter
Die folgenden Netzqualitätsparameter wurden systematisch aus den aufgezeichneten Wellenformdaten berechnet:
- Dreiphasige Spannung und Strom — RMS-Größen und Wellenformen für alle drei Phasen
- Frequenz — Abweichung vom Nennwert 50 Hz
- Leistungsfaktor — Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung, mit führender/nacheilender Klassifizierung
- Spannungsungleichgewichtsverhältnis (SCHNEE) – Verhältnis der Spannungskomponenten mit negativer zu positiver Sequenz gemäß IEC-Definition für symmetrische Komponenten
- Totale harmonische Verzerrung der Spannung (THD-V) und Strom (THD-I)
- Total Demand Distortion (TDD) – das IEEE 519 Compliance-Metrik für aktuelle Verzerrung, bezogen auf den Spitzenbedarfslaststrom
THD-I ist das Verhältnis des Oberschwingungsstroms zum momentanen Grundschwingungsstrom – er kann unter leichten Lastbedingungen, wenn die Grundschwingung klein ist, extrem hoch erscheinen. TDD normalisiert den Oberschwingungsstrom auf den Spitzenlaststrom des Systems (IchDie), giving a stable metric that reflects the actual burden on the network regardless of load level. IEEE 519 specifies TDD limits, not THD-I limits, precisely because TDD is the quantity that determines the voltage distortion seen by all customers on the same supply.[2]
Operational pattern observed
The dataset revealed a strong positive correlation between electrical load and building operational schedule. Peak current loads consistently occurred on weekdays between 06:30 und 17:30 (Monday to Friday), with a marked decrease on weekends. This pattern is important for PQ assessment: Klirrfaktor, Spannungsunsymmetrie, and power factor all vary with load composition, and a single snapshot measurement would not capture the full range of conditions the distribution system experiences.[1]
03 Wichtigste Erkenntnisse
Summary of compliance assessment
| Parameter | Standard / Limit | Observed result | Beachtung |
|---|---|---|---|
| Supply voltage — magnitude | Within nominal limits | Stabil – Mittelwert innerhalb des Nennbereichs | KONFORM |
| Frequenz | 50 Hz ± Toleranz | Stabil – im Einklang mit einer guten Versorgung mit Versorgungsunternehmen | KONFORM |
| Spannungsungleichgewichtsverhältnis (SCHNEE) | IN 50160: ≤ 2% für 95% der Woche | Überschreitung des zulässigen Grenzwerts für Zeiträume, die über den zulässigen Wert des Standards hinausgehen | NICHT KONFORM |
| Aktueller TDD | IEEE 519: Grenze hängt von I abSC/IchDie Verhältnis | IEEE übertroffen 519 Grenzen um ein Vielfaches | NICHT KONFORM |
| Leistungsfaktor | Idealerweise ≥ 0.90 Spät | Etwas verzögert – deutet auf Blindleistungsverluste hin | RAND |
| Messpunkt: Hauptverteilerfeld (MDP). Standards: IEEE 1159 / IEC 61000-4-30 / IEEE 519. Quelle: Nama et al.. (2025).[1] | |||
Harmonische Verzerrung – das dominierende Problem
Der bedeutendste Befund war die aktuelle harmonische Verzerrung. TDD am MDP übertraf IEEE 519 die empfohlenen Werte deutlich übertreffen. Dies entspricht dem Belastungsmix in einem modernen Krankenhaus: SMPS in Computern, Monitore, und LED-Beleuchtung; USV-Systeme; VFDs in HVAC; und leistungsstarke diagnostische Bildgebungsgeräte – allesamt sind nichtlineare Lasten, die harmonische Ströme in das interne Verteilungssystem einspeisen. In der Fachliteratur wird über einen Fall berichtet, bei dem allein ein Röntgengerät einen aktuellen THD-Wert erzeugte, der überschritten wurde 100%.[1]
Dritte, neunte, und fünfzehnte harmonische Ströme (verdreifachen – ungerade Vielfache von 3) sind Nullgrößen. In einem Dreiphasensystem addieren sie sich rechnerisch zum Neutralleiter und heben sich nicht auf. Ein Krankenhaus mit einer hohen Dichte an einphasigen SMPS-Lasten – Computern, Monitore, LED-Netzteile – können Neutralströme erzeugen, die den Phasenleiterstrom deutlich übersteigen. Ein Neutralleiter mit der Größe 100% Die Phasenstrombelastbarkeit – die alte Standardeinstellung – ist für diesen Zustand zu klein dimensioniert und überhitzt lautlos, ohne dass ein Überstromgerät ausgelöst wird. Dies stellt sowohl ein Brandrisiko als auch ein PQ-Problem dar.
Spannungsunsymmetrie
Die Spannungsunsymmetrie hat die zulässigen Werte für einen Zeitraum überschritten, der über die von der Norm zulässige Dauer hinausgeht. In einem Krankenhaus, Dies ist besonders folgenreich, da es sich um dreiphasige Motorlasten handelt – HVAC-Kompressoren, Fans, Pumpen – reagieren empfindlich auf Gegensystemspannung. Eine Spannungsunsymmetrie von 2% kann eine Rotorstromunsymmetrie vom 6–10-fachen des Spannungsunsymmetriefaktors erzeugen, mit entsprechender Zusatzerwärmung und beschleunigter Isolationsalterung. Die Zuverlässigkeit von HLK-Anlagen steht in direktem Zusammenhang mit dem Patientenkomfort und der Infektionskontrolle – eine Konsequenz, die weit über den Bereich der Elektrotechnik hinausgeht.
Leistungsfaktor
Der nacheilende Leistungsfaktor weist darauf hin, dass das Verteilungssystem induktiven Lasten – hauptsächlich Motorlasten und USV-Systemen – Blindleistung ohne lokale Blindleistungskompensation zuführt. Ein nacheilender Leistungsfaktor erhöht den Scheinstrom in Verteilungsleitern und Transformatoren bei einem gegebenen tatsächlichen Leistungsbedarf, Dies erhöht die I²R-Verluste und verringert die effektive Kapazität des Verteilungssystems.
04 Ursachenanalyse
Der Nutzen war nicht das Problem
Die Spannungs- und Frequenzmessungen am MDP waren stabil und lagen innerhalb der Nenngrenzen – im Einklang mit einer gut regulierten Versorgung. Die beobachteten PQ-Probleme waren ausschließlich internen Ursprungs: erzeugt durch die eigenen nichtlinearen Lasten des Krankenhauses, zirkuliert über die internen Verteilungsimpedanzen des Krankenhauses, und Auswirkungen auf die empfindliche Ausrüstung des Krankenhauses haben. Der Energieversorger lieferte eine saubere Versorgung. Die internen Belastungen des Krankenhauses verschlechterten es.
Das ist die zentrale Erkenntnis, und es steht im Einklang mit der in der IPQDF-Fallstudie zitierten Fluke-Feldstatistik 01: Die meisten PQ-Probleme in Gesundheitseinrichtungen haben ihren Ursprung innerhalb der Einrichtung. Die Konformitätsgrenze des Versorgungszählers ist der falsche Ort, um nach der Ursache interner Geräteprobleme zu suchen.
Nichtlineare Lastkonzentration
Moderne Krankenhäuser weisen im Vergleich zu anderen Gebäudetypen eine außergewöhnlich hohe Dichte nichtlinearer Lasten pro Grundfläche auf. Jeder Patientenmonitor, jede Infusionspumpensteuerung, jeden Computerarbeitsplatz, jede LED-Leuchte, und jedes USV-System ist eine harmonische Stromquelle. Im Gegensatz zu Industrieanlagen, in denen sich nichtlineare Lasten auf definierte Produktionsbereiche konzentrieren, Die nichtlinearen Lasten des Krankenhauses werden auf alle Stationen verteilt, jeden Flur, jedes Verwaltungsamt, und jeder Diagnoseraum – angeschlossen an dasselbe Verteilungssystem wie die empfindlichsten klinischen Geräte.
Die starke Korrelation zwischen PQ-Problemen und Betriebsstunden (Wochentagsgipfel 06:30-17:30) sagt dem Ingenieur genau, worauf er achten muss: Die harmonischen Quellen sind die Geräte, die während der Klinikstunden eingeschaltet sind – diagnostische Bildgebung, Patientenüberwachung, OP-Saallasten. Die Wochenendreduzierung bestätigt, dass die Grundlinie eine harmonische Umgebung durch ständig eingeschaltete Lasten aufweist (Kühlung, Notbeleuchtung, Sicherheitssysteme) ist überschaubar; Es ist die klinische Belastung, die das MDP über das IEEE antreibt 519 TDD-Limit.
05 Empfehlungen
Die Autoren der Studie identifizierten die folgenden Minderungsmaßnahmen als Prioritäten:[1]
- Aktive harmonische Filterung (AHF) — adaptive Unterdrückung von Oberschwingungsströmen am MDP oder an einzelnen Lastabzweigen. AHF passt sich im Laufe des Kliniktages an die sich ändernde Belastungszusammensetzung an, Dadurch ist es gut für die variable harmonische Umgebung eines Krankenhauses geeignet
- Lastausgleich über Phasen hinweg — systematische Umverteilung einphasiger Lasten auf die drei Phasen, um Spannungsungleichgewichte am MDP zu reduzieren
- Blindleistungskompensation — lokale Kondensatorbank oder aktive Blindkompensation zur Verbesserung des Leistungsfaktors und zur Reduzierung von Leiterverlusten
- Überprüfung der Neutralleiterdimensionierung — Bewertung der dreifachen harmonischen Neutralstrombelastung im gesamten Verteilungssystem, mit Aufweitung bei Bedarf
- IoT-basierte kontinuierliche Überwachung — Echtzeit-PQ-Überwachungssystem am MDP und an wichtigen Unterverteilungstafeln, Bereitstellung einer Frühwarnung vor sich entwickelnden Oberschwingungsproblemen, bevor es zu einem Geräteausfall kommt
Eine einmalige PQ-Umfrage erfasst eine Momentaufnahme. Die PQ-Umgebung eines Krankenhauses ändert sich mit jeder Schicht, zu jeder Jahreszeit, und jede Ausstattungserweiterung. Die in dieser Studie aufgezeigte Korrelation zwischen Betriebsplan und harmonischer Belastung spricht stark für eine permanente Überwachung am MDP – und nicht für eine regelmäßige Untersuchung. Die Kosten eines Überwachungssystems betragen nur einen Bruchteil der Kosten eines Ausfalls eines Diagnosegeräts, der durch eine Fehlfunktion der Steuerung durch Oberschwingungen verursacht wird.
06 Perspektive der Stromqualität
Diese Studie ist eine lehrbuchmäßige Demonstration des Compliance-Paradoxons, das im technischen Überblick des IPQDF zur Stromqualität beschrieben wird. Die Versorgung war konform. IEEE 519 beim PCC hätte nichts Falsches gezeigt. Doch im Krankenhaus, TDD übertraf IEEE 519 Grenzen bei weitem, Die Spannungsunsymmetrie lag außerhalb der Spezifikation, und der Leistungsfaktor hinkte hinterher – alles Bedingungen, die die Zuverlässigkeit der klinischen Ausrüstung und die Sicherheit des Verteilungssystems direkt gefährden.
Ich habe einen Hintergrund in der Versorgungstechnik, Der Befund ist nicht überraschend. Versorgungsingenieure wissen, dass es sich bei der PCC um eine vertragliche und messtechnische Grenze handelt, keine Schutzgrenze für die interne Ausrüstung des Kunden. Eine saubere Versorgung am Zähler wird zu einer verzerrten Versorgung innerhalb der Anlage, sobald die eigenen nichtlinearen Lasten der Anlage mit Strom versorgt werden. Der Grad der Verzerrung hängt von der Innenimpedanz des Verteilungssystems ab, im Gegensatz zum Versorgungsnetz, ist nicht dafür ausgelegt, große Oberschwingungsströme ohne Spannungsverzerrung zu absorbieren.
Diese Studie aus Indonesien ist repräsentativ für einen Befund, der sich in allen PQ-Bewertungen von Gesundheitseinrichtungen in der IPQDF-Fallstudienreihe wiederholt: Das Versorgungsunternehmen liefert eine saubere Versorgung; Das Krankenhaus baut es intern ab. Die technische Antwort besteht nicht darin, eine bessere Versorgungsqualität zu fordern, sondern darin, ein internes EMV-Audit durchzuführen, Messen Sie an Geräteterminals und nicht am Serviceeingang, und die Oberwellenquellen und Unzulänglichkeiten des Verteilungssystems angehen, für deren Beherrschung die Versorgungsnormen nie gedacht waren. EMV-Audits innerhalb der Anlage sind wertvoll. Die Amortisation erfolgt schnell – insbesondere im Gesundheitswesen, wo die Kosten eines Diagnosegeräteausfalls oder eines Neutralleiterbrandes die Kosten für die Prüfung und Schadensbegrenzung zusammen in den Schatten stellen können.
Referenzen
- Dauerhafter Forda-Name, Dikpride Despa, Tugiyono, Edelmann. “Datengesteuerte Bewertung der Stromqualität in elektrischen Systemen von Krankenhäusern: Fallstudie der Universität Lampung, Indonesien.” Internationale Zeitschrift für Elektrotechnik und Elektronik, Flug. 12, KEIN. 12, pp. 104–116, 2025. DOI: 10.14445/23488379/IJEEE-V12I12P108. Open Access unter CC BY-NC-ND 4.0.
- IEEE Std 519-2022. IEEE-Standard für harmonische Kontrolle in elektrischen Energiesystemen. IEEE, New York, NY, 2022.
- IEEE Std 1159-2019. Von der IEEE empfohlene Vorgehensweise zur Überwachung der Stromqualität. IEEE, New York, NY, 2019.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) - Teil 4-30: Netzqualitätsmessverfahren. IEC, Genf.
Diese Fallstudie basiert auf einem Open-Access-Forschungsartikel, der unter CC BY-NC-ND veröffentlicht wurde 4.0:
Der Name meiner Freundin, Despa D, Tugiyono, Edler S. “Datengesteuerte Bewertung der Stromqualität in elektrischen Systemen von Krankenhäusern: Fallstudie der Universität Lampung, Indonesien.” Internationale Zeitschrift für Elektrotechnik und Elektronik, 12(12), 104–116, 2025.
DOI: 10.14445/23488379/IJEEE-V12I12P108 · Lesen Sie den Originalartikel →
Diese Fallstudie wird zu Bildungszwecken im Rahmen der Open-Access-Bedingungen der Originalveröffentlichung in zusammenfassender und kommentierender Form präsentiert (CC BY-NC-ND 4.0). Der Abschnitt „PQ-Perspektive“. (Abschnitt 6) stellt den redaktionellen IPQDF-Kommentar von Denis Ruest dar, M.Sc. (Angewandt), P.Eng. (im Ruhestand). IPQDF erhebt keinen Anspruch auf die Urheberschaft der ursprünglichen Forschung.