米鲁斯国际 – 无源谐波滤波恢复 IEEE 519 Rambam 医疗保健医院的合规性
IPQDF 衷心感谢 Mirus International Inc. (布兰普顿, Ontario, 加拿大), 和工程师 Menachem Bercholz, 阿尔尚博, 和阿米尔·布罗希, 使工程界可以使用该现场数据. 下面描述的测量和过滤器设计取自 Mirus 发布的关于 Rambam 医疗保健医院安装的案例研究; 分析, 标准背景, 和结束语均为作者自己的观点.[1]
01操作环境: 无法承受停机时间的医院
海法 Rambam 医疗保健园区, 以色列不是普通的医院负荷. 这是一个拥有 1,000 个床位的学术医疗中心，为以色列北部超过 200 万人提供服务, 同时也是十二个区医院的后备转诊中心, 以色列国防军北方司令部, 美国海军第六舰队, 以及该地区的联合国维和部队.[1] 在这样的网站上, 将电能质量作为一种劣质成本的标准框架低估了其中的风险: 正如源材料所说, “任何中断, 即使非常短, 可能会导致生命损失。”
本例中的干扰并非来自外部网络事件. 它来自内部升级，旨在提高设施效率: 两个新的 240 kW 变频驱动 (VFD) 冷却器, 安装以更换老化的 600 医院 5,000 吨冷却阵列中的 kW 装置.[1]
02问题: 效率升级成为可靠性负担
VFD 驱动的冷水机以非线性脉冲而不是线性正弦波形式汲取电流 600 他们更换的千瓦单位会消耗. 后果来得很快而且更加复杂: 为冷却器供电的电源变压器损坏严重，需要更换; 由于过热时过载保护跳闸，两台冷水机无法同时运行; 即使运行单个冷水机也会产生高于预期的工作温度.[1] 交流线路电抗器作为 VFD 的标准设备提供 — 一个简单的串联电感器, 最基本、最便宜的谐波抑制技术 — 仅将电流失真降低到大约 35%, 远远不足以解决问题.
引用标准: IEEE 519-1992 为医院和机场设定了更严格的电压畸变限制 — 少于 3% 总谐波失真在 — 比 5% 其他地方通常允许.[2] Rambam 电压畸变逼近 4%, 意味着该设施不符合专门为停电造成生命安全问题的设施制定的标准.
03为什么医院负荷有更严格的标准, 以及为什么线路电抗器还不够
越紧 3% 对医院的限制并非武断的保守主义. 畸变电压对变压器产生应力, 电缆, 和备用发电机通过相同的两种机制，无论建筑类型如何 — 我²R 损耗与谐波电流的平方成正比, 涡流损耗大致与频率的平方成正比 — 但医院的变压器和发电机也是生命安全负载所依赖的设备. 六脉冲 VFD 整流器的特征谐波 50 Hz 系统完全符合理论预测: 第五个 (250 赫兹), 7日 (350 赫兹), 11日 (550 赫兹), 和13号 (650 赫兹), 每一种都对铁和铜进行不成比例的加热，而铁和铜的尺寸适合清洁 50 Hz 波形.[1]
线路电抗器的有限结果同样是可以预测的. 串联电抗器是宽带, 浅层对策: 它增加了整流器之前的阻抗, 这会稍微软化电流脉冲, 但它无法选择性地专门攻击 5 次或 7 次谐波, 其有效性取决于系统在电压调节受到影响之前可以承受的串联阻抗的大小. 从 出发 “有点软化” 至 “符合 3% 医院限制” 需要一个专为该工作而设计的过滤器, 不是与驱动器一起装在盒子里的反应堆.
04解: 每个驱动器一个无源滤波器
医院工程团队, 与电能质量专家 P.Q 合作. 科技, 安装了两个 300 惠普直线机™ 无源谐波滤波器 — 每个冷却器驱动器一个, 源材料中描述为提供 “最大程度的过滤和灵活性” 通过隔离每个驱动器的过滤而不是在两个驱动器之间共享一个单元.[1]
| 位置 | 兰巴姆医疗保健园区, 海法, 以色列 |
|---|---|
| 管理标准 | IEEE 519-1992, 医院/机场限制 (<3% 总谐波失真在) |
| 加载 | 二 240 kW VFD 冷水机组 (更换单个 600 kW 线性单元) |
| 根本原因 | 六脉冲 VFD 非线性电流消耗; 标准交流线路电抗器不足 |
| 减轻 | 2× 300 惠普直线机™ 无源谐波滤波器 (每个驱动器一个) |
| 显着的设计限制 | 滤波电容器组置于下方 15% 负载千伏安 — 特别是为了与备用柴油发电机运行保持兼容 |
表中的最后一行很容易跳过, 但这是一个真正值得一提的工程限制: 医院不能冒险使用缓解装置，因为该装置只能在稳定的公用设施供电时表现良好，而在设施切换到备用发电机时就会表现不佳. 具有相对于负载大小较小的电容器组的无源滤波器是一个经过深思熟虑的选择，可以在弱源下保持谐波抑制稳定。, 医院的应急电力系统是围绕发电机供电的条件建立的 — 在任何不能假定源是刚性的安装中都会出现同样的问题, 低阻抗栅极.
05结果: 恢复合规性, 两台冷水机组均运行
电压失真度几乎从 4% 到下面 1.5%, 轻松融入 IEEE 519-1992 医院限制 3%.[1] 谐波污染下降三分之二以上, 驱动器和冷却器的工作温度下降超过 10°Ç, 和 — 操作上重要的结果 — 医院终于可以同时经营这两项业务 240 千瓦冷水机组一次, 恢复升级原本应该提供的冷却能力.
无花果. 1. 安装滤波器前后电压总谐波畸变率, 反对 IEEE 519-1992 医院/机场限制 3%.[1]
无花果. 2. 滤波前六脉冲 VFD 特征脉冲电流波形的说明性重建, 与滤波后的近正弦波形相比. 这是报告的波形形状的程式化插图 (来源图 4a/4b) — 不是原始录音机痕迹.
最终结果: IEEE 519-1992 在存在该标准更严格的医院限制的设施中恢复合规性正是因为出错的后果比典型的商业建筑更严重.
06电能质量视角: 这个案例研究说明了什么
这个案例是一个值得单独命名的模式的典型例子: 能源效率改造造成了原始设备从未出现过的电能质量问题. “ 600 Rambam 所更换的 kW 冷水机是线性负载，没有值得讨论的谐波特征; 两个 240 取代它的 kW VFD 装置在设计上更加高效，并立即成为该设施最大的谐波源. 指定变频驱动器没有人做错任何事 — 它们是提高冷水机组效率的正确选择 — 但谐波后果必须从一开始就设计好, 变压器故障后未发现.
它还强化了本系列其他地方在不同环境中出现的观点: 具有备用发电设施的缓解设备必须针对发电机进行设计, 不仅仅是实用程序提要. 影响发电机供电孤岛电网滤波器选择的弱源灵敏度同样适用于此, 只是日常出错的风险较低，而在停电期间出错的风险则要高得多, 这正是医院的应急电源和谐波抑制需要同时正常工作的时候.
参考文献
- 中号. 桦木, 一. 阿尚博, 和A. 胸针, “直线器™ 案例研究: 以色列兰巴姆医院,” 米鲁斯国际公司, 布兰普顿, Ontario, 加拿大. 可用的: mirusinternational.com.
- IEEE StD里 519-1992, “IEEE 电力系统谐波控制推荐实践和要求。”