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浅谈医疗IT系统的供电与接地设计

2020-06-15

摘 要: 本文结合某综合医院住院楼设计实例,探讨医疗场所IT系统设置要求、供电设计方案与设备选型及医疗场所IT系统的接地与运用。

关键词: IT系统 2 类医疗场所 隔离变压器 绝缘监视器 外接报警系统 测试单元 IT系统接地
 
1 序言
 
    我国低压配电系统的接地型式可分为TN、TT、IT 三种系统,目前国内大型综合医院配电系统的接地形式多采用TN 系统。该系统接地故障多为金属性短路。因故障电流较大,使断路器等过电流保护装置动作,造成停电。显然TN系统不能满足医院中一些重要场所对不间断供电的使用要求。同时随着电子医疗设备在医院领域的广泛应用,电流对病人构成的潜在威胁也远远大于以前,尤其是病人在手术中或麻醉状态下,各种电极、传感器直接插入病人体内,如有极其微弱的漏电流直接流过病人的心脏,就会导致病人触电身亡,在医学上称为微电击。因此,医院这一特殊场所的漏电保护及相关要求在设计规范中已非常严格、明确。
    通常IT系统应符合下列基本要求 :
    1) 在IT 系统中,所有带电部分应对地绝缘或配电变压器中性点应通过足够大的阻抗接地。电气设备外露可导电部分可单独接地或成组地接地;
    2) 电气设备的外露可导电部分应通过保护导体或保护接地母线、总接地端子与接地极连接 ;
    3) IT系统必须装设绝缘监视及接地故障报警或显示装置 ;
    4) 在无特殊要求的情况下,IT 系统不宜引出中性导体。因此,IT 系统中包括中性导体在内的任何带电部分严禁直接接地 ;IT 系统中的电源系统对地应保持良好的绝缘状态。
 
2 医疗场所 IT 系统设置要求
    根据建筑物电气装置第7-710 部分《特殊装置或场所的要求-医疗场所》(GB 16895.24-2005)[1](以下简称《特殊医疗场所规范》) 将医疗场所按使用接触部件所接触的部位及场所分为0、1、2 三类,各类应符合下列规定:
    0 类医疗场所:不使用接触部件的医疗场所, 如医院的门诊室、候诊室等。
    1 类医疗场所 :接触部件接触躯体外部及除2 类场所规定外的接触部件侵入躯体的任何部分。如医院的病房、产房、X光室等。
    2 类医疗场所 :将接触部件用于诸如心内诊疗术、手术室以及断电(故障)将危及生命的重要治疗的医疗场所。如医院的手术室、心脏导管插入室、重症监护室(ICU)、心脏监护室(CCU)、血管造影检查室等。
《民用建筑电气设计规范》(JGJ 16-2008)[2]( 以下简称《民规》) 对医疗场所类别的划分也有明确规定,详见表1 所示 :
 
    下面主要探讨2 类医疗场所医疗IT 系统的设置要求。
    医疗IT系统设置的重要部位 :在2 类医疗场所内,用于维持生命、外科手术和其它位于“患者区域”内的医用电气设备和系统的供电回路,均应采用医疗IT 系统 ;用途相同且相毗邻的房间内,至少应设置一个独立回路的医疗IT系统(因不同手术室可能同时实施不同的手术,使用不同的医疗仪器。为避免医疗电器设备的相互干扰,每间需要单独设置IT系统的手术室,应单独设置隔离变压器)。目前在设计中不容易确定的是“哪些医疗场所属于2 类医疗场所、哪些2类医疗场所内实施的医疗救治与维持生命等有关”?这些都还有待设计时认真探讨。
    对照《民规》(JGJ 16-2008)12.8 医疗场所的安全防护条文说明表12-2医院电气设备工作场所分类及自动恢复供电时间[2] 即表1 所示,2 类医疗场所共5 项。
    对照《民规》(JGJ 16-2008)12.8 医疗场所的安全防护条文说明表12-2医院电气设备工作场所分类及自动恢复供电时间[2] 即表1 所示,2 类医疗场所共5 项。
    是否能完全确定上述5 项为2 类医疗场所、还有无其他项所含的医疗场所在特定工作环境条件下可转换为2 类医疗场所?
  《特殊医疗场所规范》(GB 16895.24-2005)第710.30 一般特性评估有如下说明 :医疗场所的分类应与医务人员、有关的卫生机构或对工作人员的安全负责的部门按国家规定协商确定。为了确定医疗场所的类别(如果某一机构可能被用作较高危险类别的不同用途时,宜由风险部门提出意见)。
    注1 :医疗场所的分类宜与接触部件和患者之间的接触形式以及医疗场所的用途联系起来 ;制定一表达医疗场所强制性规定的类别划分是不实际的,表1 的举例仅供参考。
    注2 :接触部件的定义由医疗设备专门的标准来规定。(GB16895.24-2005 第710.1 条范围)
    注3 :对于医疗电气设备本身的要求 按IEC 60601 系列标准执行。
    以上均表明国内还无此方面的规范及标准,说明了医疗场所的分类的不确定性。鉴于此,我们在医院的具体设计中在满足规范的前提下应征求使用方意见,并结合具体医疗场所工作性质确认是否需在该医疗场所配置医疗IT 系统。例如在某综合医院住院楼设计中,16 层为手术层,共设有13 间手术室,其他楼层每层按科室设有1~2 间重症监护室(ICU 病房),因该医院属三甲医院,是当地规模大的综合性医院,为了保证手术及抢救工作的连续性及安全性,笔者在手术室及重症监护室(ICU 病房)均设置了医疗IT 系统。
    设置医疗IT 系统必须满足的要求是每个医用IT系统应设在医务人员可以经常监视的地方,并应装设配备有规定功能组件的声光报警系统 ;医疗IT 变压器应装设过负荷和过热的监测装置。
2.1 医疗 IT 系统的组成
    医疗IT 系统主要由三部分组成 :医用隔离变压器、绝缘监视器及外接报警显示和测试单元。
    世界各国普遍采用带绝缘监视装置的医疗IT 系统(隔离电源),即采用不接地电源系统为2 类医疗场所供电。
    医用隔离电源,简言之就是隔离变压器和绝缘监视仪以及报警终端放在一起。供电原理是利用隔离变压器把TN供电变成不接地的IT 供电,为了保证系统的长期稳定性,应加上绝缘监测仪对整体的绝缘水平进行在线的实时检测。
    既然规范对医疗场所设置IT系统有了较明确的规定,但只有设计者能够正确理解并充分认识到医疗场所选用IT 系统的必要性和特殊性,才能合理运用。
2.2 医疗场所选用IT系统的优点
    医疗场所选用IT系统的优点主要体现在以下三个方面 :
    1) IT隔离电源系统因降低了接触电压和电网对地漏电流(有效控制对心脏的直接漏电流),故人身触电危险被降低到小程度。
众所周知,当用电设备对人体心脏直接漏电大于10μA 时,会造成对病人的微电击事故。而一般在通用建筑中采用的剩余电流漏电保护器RCD、漏电断路器 ELCB 等对地漏电保护开关,其动作响应值是mA 级的(如 :30mA),远远不能满足医疗领域的需要。 因此,现在国际上对医疗领域中的手术室、重症监护室(ICU)、心脏监护室(CCU) 等重要场所通常采用局部“中性线不接地供电系统”(即“IT 系统”或称“隔离电源系统”)供电。通过单相0.5kVA-10kVA的隔离变压器给这些场所供电,首先可以防止其他供电回路中的漏电流通过接地线窜入手术室及重症监护室(ICU)、心脏监护室(CCU) 的医疗电器设备上对病人的安全构成威胁。
另外,一旦隔离电源上所接的负载(如各种医疗电器设备)出现对地故障,因对地不构成回路,只能产生一个很小的容性漏电流,极大保护了病人免遭漏电流的伤害。
    2) 当电网负载出现一个绝缘故障点时,不会引起电源开关动作(跳闸),保证了供电的连续性。
在医疗领域,某些场所对供电持续性要求很高,故设计成两路(甚至三路)电源(供电系统)自动切换,以保证这些特殊场所的供电连续性。对于TN-S 系统如果在负载端出现相对地绝缘故障时,故障电流将经过电流中性点对地构成回路,从而形成一个较大的故障电流使上一级开关或熔断器动作,导致供电中断。而如果在这些特殊场所局部采用IT 配电系统时,因其电源中性点不接地,当负载端出现一点相对地绝缘故障时,因其对地不能构成回路,只会产生一个很小的容性漏电流,对人体不会产生危害,同时也不会导致开关或熔断器动作,从而保证了手术室等重要场所供电的连续性(采用不接地IT系统供电,当一次接地故障时,发出声光预报警信号)。
3) 降低了对地漏电流,故提高了防火安全性。
    许多国家和国际标准都对医疗领域,尤其是那些性命攸关的场所,如手术室、重症监护室、心脏监护室等的电器作了特殊规定。其目的就是保证为该场所内的医疗电器提供一个安全可靠的电源,以确保病人的安全。
    我国2002 年11 月26 日发布、12 月1 日开始实施的 《医院洁净手术部建筑技术规范》(GB 50333-2002)[3](下面简称《洁净手术部规范》8.3.1.3 中规定“洁净手术部用电应从建筑物配电中心专配供给。根据使用场所的要求,主要选用TN-S 系统和IT 系统两种形式”;8.3.2.3 中规定“洁净手术室内的电源宜设置漏电检测报警装置”;8.3.4.2 中规定“心脏外科手术室必须设置有隔离变压器的功能性接地系统”等相关规定均确定了在2 类医疗场所设置医疗IT系统的重要性及必要性。
 
3 医疗场所IT系统的供电设计方案及设备选型
 
    在了解上述要求后,如何进行设计是大家需共同面对的问题,下面从笔者所设计的工程实例进行分析,供大家参考 :
    国内某综合医院住院楼手术室配电设计如图1所示。
    主要设备选型 :医院内的三相大型医疗仪器,使用时一般不与病人直接接触,可采用装设快速、高灵敏度漏电断路器的直接接地方式。但三相隔离变压器要慎用,主要原因在于三相隔离系统(IT系统)中如出现单相接地故障,非故障相的对地电压将升高到对地额定电压的倍,因而具有对地故障扩大的危险,所以应尽量采用单相隔离电源系统。下面我们只谈谈单
 
图1 手术室配电箱接线系统图
3.1 单相隔离变压器
    单相隔离变压器为单相IT 系统提供电源。其结构是在变压器的一次绕组和二次绕组之间安装一个静态屏蔽,此静态屏蔽接到独立的绝缘端子上。变压器的固定架与铁芯隔离。
    目前按设备供货厂家样本,单相隔离变压器常用的额定功率 有3.15kVA、4kVA、5kVA、6.3kVA、8kVA、10kVA 六种。技术数据:初级电压230V、次级电压230V、频率50~60Hz、连续工作方式,B 级绝缘,高环境温度40oC,每个绕组一个温度传感器。
    设计时根据其所带负载决定单相隔离变压器容量的选取。手术室应遵守《洁净手术部规范》(GB 50333-2002)8.3.3 洁净手术室的配电总负荷应按设计要求计算,并不应小于8kV·A 的规定,选用8kVA容量的单相隔离变压器。
    因该医院住院大楼共16 层,除手术层外,各层均设有ICU 重症监护室,室内设两张床位,对于ICU 重症监护室,单相隔离变压器仅带患者区域内的重要照明及插座,故设计时选用单相隔离变压器容量为4kV·A。
    单相隔离变压器进线 为(L.N.PE)单相三线TN-S 系统,出线为(L1.L2)单相两线或(L1.L2.L3)单相三线IT 系统,如图2 所示。
 
图2 单相隔离变压器接线图
    国内医疗设备负载电压多为230V,故出线接0V 和230V 端 子,而 将115V 端 子 空
置。也有出线两个端子的,-115V 和+115V 或0V 和+230V 端 子,这时可直接接该两端子即可。
    单相隔离变压器进线及出线均要选用单相双极开关,因IT系统不宜配出中性(N)线,系统中单相负荷所需的220V 电源由IT 系统中单相220V 电源经1:1 隔离变压器的二次
侧提供。所以IT 系统中的配电线路均为带电导线,应装设双级开关,作为供电线路保护。
2 类医疗场所内的电气线路的保护 :对每个终端回路都要设置短路保护和过负荷保护,但医疗IT系统的变压器的进出线回路不允许装设过负荷保护,但可用熔断器作为短路保护。
3.2 绝缘监视器
    绝缘监视器全称应为绝缘、负荷、温度检测仪。《民规》(JGJ 16-2008)12.8.6.2要求绝缘监测器需满足下列条件 :
    (1)交流内阻抗不少于100kΩ ;
    (2)测试电压不应大于直流25V ;
    (3)注入电流的峰值不应大于1mA ;
    (4)迟在绝缘电阻降至50kΩ 时,应发出信号,并应配置试验此功能的器具。
    绝缘监测 :通常将TN-S 系统中的PE 线接入作为绝缘监测仪的基准比较值,较先进的做法是,绝缘监测仪在IT 系统和大地之间叠加一个自适应脉冲信号,通过比较送出的信号和返回的信号波形来测量相对地的绝缘阻抗。
负荷检测 :在单相交流系统中,用一个电流互感器检测变压器负荷。电流互感器设在隔离变压器的出线端
    温度检测:变压器绕组的温度通过PTC 热敏电阻或常闭接触器来检测。
在设计时,应对照绝缘监测仪的各项技术参数,查看是否满足规范的要求,在此基础上进行选择。图3为某品牌的绝缘监测仪的相关技术数据。
图3 绝缘监测仪相关技术参数
 
3.3 外接报警显示和测试单元
    《民规》(JGJ 16-2008)12.8.6.3规定,每个医用IT系统所配置的声光报警系统应具有下述功能 :
    1)应以绿灯亮表示工作正常 ;
    2)当绝缘电阻下降到小整定值时,黄灯应点
亮,且应不能消除或断开该亮灯指示 ;
    3)当绝缘电阻下降到小整定值时,可音响报
警动作。该音响报警可解除 ;
    4)当故障被清除恢复正常后,黄色信号应熄灭。
    外接报警测试面板需接专用电源,可由医疗IT系统设备商配套供应。在设计中较易选用。并和绝缘检测仪输出端相接,以便实时提供各种检测信号。按上述报警显示和测试单元动作功能,医务人员可 根据手术或抢救现场实际情况,在不影响病人救治的前提下做出是否继续工作或什么时间进行检修的安排。
 
4 医疗场所 IT 系统的接地
 
4.1 接地系统的选用
    医院的医疗场所和与其关联的场所内不允许采用TN -C 接地系统,通常采用TN -S 可避免以上这些问题,而在手术室局部范围内应采用IT 系统。一般电击情况下,带电导体与人体皮肤接触,仅有很少部分通过心脏,所以通过人体总电流不超过30μA,就不会因发生心室纤颤而导致死亡。如果电流直接全部通过心脏,电流超过50μA 就有心室纤颤的危险而导致死亡。IEC 标准规定 :医疗设备允许通过患者心脏的漏电电流正常状态为10μA 以下,单一故障状态为50μA 以下,相应地手术室内电位正常时为10mV,单一故障状态为50mV。所以对特殊的医疗设备不宜采用漏电电流动作保护,而应采取防止微电击的保护措
施,即采用医疗IT 系统。
4.2 局部辅助等电位联结
    医院内的手术室,心血管X 线造影室,心脏手术室及检查室等,应具有严格的防电击保护措施。这仅靠带绝缘监视的IT 系统是不够的,还应辅以局部辅助等电位联结,使保护区内所有可导电部分都处于同一电位。同时,绝缘监视仪监视并测量隔离电源相对地的绝缘阻值,在绝缘监视仪的测量回路中,大地为PE 线,即等电位接地线。如果系统中缺少等电位接地线,那么负载端出现的对地故障电流就不能对绝缘监视仪的测量回路构成回路,将影响绝缘监视仪的响应灵敏度。只有这样才能保证供电的安全可靠性,防止心脏手术及检查中发生的电击和微电击。
为防止电击和微电击应采取辅助等电位联接,联接部件应包括室内给水管,金属窗框,病床的金属框架及患者可能在2.5m 内直接或间接触及到的各部分金属部件。用于上述部件进行等电位联结的保护线阻值,应使上述金属导体相互间的电位差小于10mV。可在房间墙上设置等电位联结箱,箱内的等电位联结板与等电位联结干线相连接。
笔者认为,IT 系统内的局部等电位联结不应与TN 系统的PE 线有任何通路联结,此条在医疗IT 系统专业厂家的技术样本中也无明确要求。相反,有的专业厂家样本提供的图例中却将TN-S 系统的PE 保护接地排和IT 系统的PA 辅助等电位接地排连接在一起,往往容易造成混淆。《民规》(JGJ 16-2008)12.3.4.3条对此明确规定 :采用电气隔离保护方式的电气设备外露可导电部分及外界可导电部分严禁保护接地。
    同一医疗场所尚有TN -S 或IT 系统供电的插座时,医用IT 系统的插座应为其它系统用的插头无法插入,并具有明显的可供区别的标志。具体辅助等电位联结可按照《民规》(JGJ 16-2008)12.8.10 的规定执行。
    规范规定,在1 类和2 类医疗场所内,应安装辅助等电位联结导体,并应将其连接到位于“患者区域”内的等电位联结母线上,实现下列部分之间的等电位 :
    1) 保护导体
    2) 外界可导电部分
    3) 抗电磁干扰的屏蔽物
    4) 导电地板网络
    5) 隔离变压器的金属屏蔽层
    在实际施工时,在配电箱内设置PE 保护接地母排,PA 辅助等电位接线母排可设置于该配电箱内或其邻近,两个接线排相互独立。
    注1 :辅助等电位联结母线应位于医疗场所内或靠近医疗场所。在每个配电盘内或在其附近应装设附加的等电位联结母线,应将辅助等电位导体和保护接地导体与该母线连接。
     注2 :在2 类医疗场所内,电源插座的保护导体端子、固定设备的保护导体端子或任何外界可导电部分,这些部分和等电位联结母线之间的导体的电阻(包括接头的电阻在内)不应超过0.2Ω。
    手术室内设置辅助等电位联结如图4 所示。

 图4 手术室等电位联结平面图
手术室与手术室之间可按图4 所示的进行等电位连接。
    而其他非“患者区域”内的医疗设备的可导电金属外壳及门、窗等的金属护栏、一般照明及插座的接地线均应和PE 母排相连接。
5 安科瑞IT系统介绍
 
5.1 概述
    随着电子医疗设备在医院领域的广泛应用,漏电流对病人构成的威胁也越来越大,尤其是那些生命攸关的场所,病人在手术中或麻醉状态下,各种电极、传感器直接插入人体内,微小的漏电流都有可能导致病人触电身亡。另外有些医疗设备用于维持重症病人的生命,一旦设备停电,也会对病人的生命构成威胁。因此,对于医疗这一特殊场所的电气设计,应严格按照国家标准和规范进行。
    安科瑞医用IT系统绝缘监测故障定位装置及系统适用于医院的手术室、ICU(CCU)监护病房等重要场所,能为这类场所提供安全、连续、可靠的供电解决方案。
5.2 医用隔离电源系统
    医用隔离电源监控系统用于集中监控医疗大楼内所有医疗2类场所医疗IT系统的运行状况。这种集中监控系统可以设置在医院电气运行和维护人员的值班室内,也可以集成在其它电力监控系统中,由专业的电气人员进行监控,一旦某套IT系统出现故障,电气维护人员也能在时间内做出判断,并根据现场情况进行处理。
系统拓扑图
 
5.3 软件功能
  安科瑞医用隔离电源监控系统是基于触摸屏软件设计,软件具有远程测量、远程参数设置和远程自检等多种功能,为医院2类场所隔离电源系统的集中监控提供了强大的系统集成工具。软件的主要功能如下:
 
■ 一次图和现场分布显示
  系统具有一次图及现场分布图显示功能,能直观的了解并及时地发现IT供电系统的报警地点或区域,从而方便专业人员及时到达现场进行故障排查;
■ 实时数据采集与显示
  利用安装于各隔离电源系统中绝缘监测仪表和绝缘故障定位仪表,采集各隔离电源系统的参数。采集到的数据实时显示在监控系统界面,这些监测参量含IT系统对地绝缘电阻、变压器负荷电流、变压器绕组温度及绝缘故障回路等;
 
■ 故障报警
  将各医用隔离电源系统出现的各类故障,如绝缘故障、过载故障、超温故障以及接线断线故障等信息进行统一处理和记录,并可直接在显示界面上弹出显示故障类型、监测值、故障地点以及故障发生时间等信息。同时启动监控系统的声光报警系统,及时提醒相关人员,进行故障处理。其中,声音报警信号可被手动消除。
■ 远程参数设置和查询
  通过系统,可根据要求远程调整和设置各医用隔离电源系统中绝缘监测仪的各类报警参数阈值,也可以任意查看这些报警参数值。参数包括绝缘报警值、负载电流报警值和隔离变压器温度报警值等。
 
■ 图形显示功能:
  系统可以以曲线的形式,显示各套隔离电源系统的绝缘状况、负载状况,以及隔离变压器的温升状况,以及它们的变化趋势,以便于分管理人员了解和分析各电源系统的运行变化情况,有针对性的对某些系统进行维护和保养。
5.4安科瑞医用IT系统四件套选型
    医用IT系统绝缘监测产品(四件套)包括AITR S系列医用隔离变压器、AIM-M10医疗智能绝缘监测仪、AKH-0.66P26电流互感器和AID系列(AID10、AID150)外接报警与显示仪等,产品如图5所示。
图5 医用IT系统绝缘监测产品(四件套)
 
 
6 结束语
 
    综上所述,在电流突然中断后,在有可能导致重大医疗危险的场所,应采用电力系统不接地(IT系统)的供电方式。设计方式为 :设一台医用隔离变压器,在隔离变压器的次级引出IT系统的电源,以防止产生接地故障电流。将IT 系统引入2 类医疗场所手术室、急救室、重症监护室(ICU 病房)等,应设在医务人员可以经常监视的位置,医疗IT 系统配电箱内设一套漏电检测装置(绝缘监视装置),当单相接地故障时(一般当系统绝缘水平低于50kΩ 时)发出故障报警。同时,为防止微电击应采取辅助等电位接地措施,在确保病人安全的前提下不切断电源,继续进行手术。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会. GB16895.24-2005 建筑物电气装置- 特殊装置或场所的要求- 医疗场所[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005.
[2] 张宽、杜会陵,浅谈医疗IT系统的供电与接地设计
[3] 安科瑞IT系统绝缘监测故障定位装置及监控系统2020.01版

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