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浅谈医用IT隔离电源在手术室供配电系统设计中的应用

更新时间:2023-05-25  点击次数: 315次

【摘要】结合新修订的国标图集19D706-2《医疗建筑电气设计与安装》,对手术部、手术室的定义及设计中需参考的规范进行梳理,提出多种手术室供配电系统解决方案,同时对手术室供配电系统中的IT系统设计、UPS选型等重点及难点问题进行分析。

【关键词】2类医疗场所;IT系统;微电击;患者区域;在线式工频UPS;洁净手术部;自动恢复供电时间;接地故障

1概述

洁净手术部的英文全称是Clean Operating Department,是由洁净手术室、洁净辅助用房和非洁净辅助用房等一部分或全部组成的独立功能区域。洁净手术室的英文全称是CleanOperating Room,是采用空气净化技术,把手术环境空气中的微生物粒子及微粒总量降到允许水平的手术室,发生电击或中断供电将严重危及患者的生命安全,因此手术室对供电安全性、可靠性要求。

国标图集19D706-2《医疗建筑电气设计与安装》(以下简称《图集》)16页对手术部供电列举了3种常用的示例;56~59页对手术室配电列举了2种常用的示例,同时对手术室电气平面布置、手术室专用插座箱进行示例;74~75页对手术部、手术室配电系统进行示例;128页、137页、144页从产品选用角度提出了手术室配电系统的解决方案。为了让电气设计人员更有效地参考《图集》内容,有必要对手术室供配电系统进行更详细的分析。

2手术室供配电系统设计

2.1参考规范

手术室电气设计常用的设计规范有:

a.JGJ 312-2013《医疗建筑电气设计规范》;

b.GB 51039-2014《综合医院建筑设计规范》;

c.GB 50333-2013《医院洁净手术部建筑技术规范》;

d.GB 50052-2009《供配电系统设计规范》;

e.GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710:

2002《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》。国内与医院电气设计有关的规范,大多参考IEC 60364-7-710,目前IEC 60364-7-710正在修编,已有英文版征求意见稿,建议大家予以关注。

2.2负荷分级、医疗场所类别及电源选择

2.2.1负荷分级

JGJ 312-2013表4.2.1中规定,二级以上医院手术室、术前准备室、术后恢复室、麻醉室、心血管造影检查室等场所中涉及患者生命安全的设备及其照明用电为一级负荷中特别重要的负荷,其他属于一级负荷。手术室用电负荷等级如表1所示。

2.2.2医疗场所类别

GB 51039-2014及GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710:2002对医疗场所的分类如下:

a.0类:不使用医疗电气设备接触部件的医疗场所;

b.1类:医疗电气设备接触部件需要与患者体表、体内(除2类医疗场所所述部位以外)接触的医疗场所;

c.2类:医疗电气设备接触部件需要与患者体内(指心脏或接近心脏部位)接触以及电源中断危及患者生命的医疗场所[2-3]。

医疗场所类别划分中手术室属于2类医疗场所,手术室内涉及生命安全的电气设备及照明自动恢复供电时间t≤0.5 s,不涉及的要求自动恢复供电时间0.5 s<t≤15 s。手术部内各医疗场所的类别划分与要求自动恢复供电的时间如表2所示。

关于2类医疗场所,从其定义可知重点强调两个方面:

a.微电击:心脏或接近心脏部位,其关注点是“微电击"。按IEC标准,进行心脏手术的医疗电气设备正常泄漏电流不得大于10μA,当发生一个接地故障时,其故障电流不得大于50μA。因通过人体心脏的电流如果超过50μA就可能导致心室纤颤而死亡,被称作微电击致死[4]。

b.供电可靠性:电源中断危及患者生命,强调的是中断供电带来的严重后果。

2.2.3电源选择

JGJ 312-2013第3.0.3条规定:要求恢复供电时间小于或等于0.5 s时,自备备用电源供电维持时间不应小于3 h[1]。

GB 50333-2013对洁净手术部供电要求如下:

a.第11.1.2条:洁净手术部应采用独立双路电源供电[5];

b.第11.1.3条:有生命支持电气设备的洁净手术室要设置应急电源。自动恢复供电时间应符合下列要求:①生命支持电气设备应能实现在线切换。②非治疗场所和设备应小于等于15 s。③应急电源工作时间不应小于30 min[5]。

综合负荷分级、医疗场所类别以及自动恢复供电时间等相关要求,二级以上医院手术部供电应采用独立双路电源供电+柴油发电机的供电方式。

手术部内对于要求自动恢复供电时间t≤0.5 s的负荷,应设置不间断电源装置(UPS),UPS应急电源工作时间不小于30 min。对于要求自动恢复供电时间0.5 s<t≤15 s的负荷,其应急电源可采用不间断电源装置(UPS),也可采用柴油发电机组。

表1医疗建筑用电负荷分级

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表2医疗场所及设施的类别划分与要求自动恢复供电的时间

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注:(a)指的是涉及生命安全的电气设备及照明。

2.3手术部整体供配电方案比较

手术部供电系统按UPS设置位置划分,可分为集中式和分布式,按IT系统与非IT(TN-S)系统的组合方式划分,可分为共用配电箱及分设配电箱方式。以下列举常见的5种手术部供配电方案:

方案一:手术部集中设UPS,IT系统与非IT系统共用配电箱方案,结构示意如图1所示。

方案二:手术室分布设UPS(总箱),IT系统与非IT系统共用配电箱方案,结构示意如图2、图3所示。

方案三:手术室分布设UPS(IT系统),IT系统与非IT系统共用配电箱方案,结构示意如图4、图5所示。

方案四:手术部集中设UPS,IT系统与非IT系统分设配电箱方案,结构示意如图6所示。

方案五:手术部集中设UPS(IT系统),IT系统与非IT系统分设配电箱方案,结构示意如图7所示。

手术部供电方案分析:

a.集中式UPS:适用于大型手术部的手术室,可适当考虑同时使用系数,UPS总安装容量小,经济性好。独立设置的UPS间,可设置机房空调,有利于散热、巡视、检修、降噪等,进一步增加了供电可图1手术部集中设UPS,IT系统与非IT系统共用配电箱方案靠性。弊端是当UPS故障时,受影响区域较大。

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方案一、方案四、方案五均为集中式UPS系统。

方案一、方案四将手术部全部负荷纳入UPS供电,提高了整个手术部的供电可靠性,但同时增加了UPS的安装容量和前期投资,可在要求高可靠性且资金充裕的医院建设中使用。方案五仅将手术部IT系统及1类场所纳入UPS供电,既保证了供电可靠性,又体现出很高的经济性,因此该方案在手术部的供配电设计中被广泛使用。

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图2手术室分布设UPS(总箱),IT系统与非IT系统共用配电箱方案

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图3手术室分布设UPS(总箱),IT系统与非IT系统共用配电箱方案Ⅱ

b.分布式UPS:专用配电箱一对一配置UPS,供电可靠性高,单台UPS故障时不影响其它手术室。弊端是UPS总安装容量大、投资高,配电箱放置在清洁走廊侧,散热条件不佳,巡视、维护不方便,运维不当有安全事故的隐患。如采用分布式UPS方案,建议设置UPS监控系统,对运行参数及电池状态进行远程监控。

方案二、方案三为分布式UPS系统。方案二将手术室全部负荷纳入UPS供电,提高了手术室的供电可靠性,但同时增加了UPS的安装容量和前期投资,可在要求高可靠性且资金充裕的医院建设中使用。方案三仅将手术室IT系统纳入UPS供电,既保证了供电可靠性,又体现出很高的经济性,此方案也是手术部供配电设计中经常使用的方案之一。方案二与方案三同时演化出手术部双总箱末端互投的供配电方案(图3、图5),可供电气设计人员灵活选用。IT系统与非IT系统分别设置配电箱:把手术室内治疗与非治疗用电分开,是降低投资、降低三相不平衡因素的有效措施,可进一步增强安全系数。手术部的供配电设计可根据工程实际情况,结合项目投资等因素,选择适用的供配电方案。在设计时,需重点注意三相平衡的问题。手术部通常设有多间手术室,而IT系统为单相负荷,严重三相不平衡时会导致断路器跳闸,设计时应注明每间手术室IT系统的相序,确保手术部整体三相平衡。

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图4手术室分布设UPS(IT系统),IT系统与非IT系统共用配电箱方案Ⅰ

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图5手术室分布设UPS(IT系统),IT系统与非IT系统共用配电箱方案Ⅱ

2.4手术室配电系统设计

《图集》选用了2种典型的手术室配电系统方案。56页为手术室IT系统与非IT系统分设配电箱方案,结构示意如图8所示。57页为IT系统与非IT系统,结构示意如图9所示。2个典型的手术室配电系统方案,可与2.3节中不同的手术部供配电方案配合使用。

需要注意,医疗场所局部IT系统隔离变压器的一次侧与二次侧设置短路保护,不设置动作于切断电源的过负荷保护。过负荷的后果是劣化绝缘,并不直接引起电气灾害,因此没必要因为过负荷而切断IT系统供电电源。

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图6手术部集中设UPS,IT系统与非IT系统分设配电箱方案共用配电箱方案

1类和2类医疗场所应选择安装A型或B型剩余电流保护器。常规建筑RCD通常选用AC型,仅对突然施加或缓慢上升的剩余正弦交流电流进行剩余电流保护。A型RCD在AC型功能的基础上,增加脉动直流保护;B型RCD在AC型功能的基础上,增加脉动直流保护及直流保护。

3手术室供配电系统设计重点难点问题分析

3.1 IT系统设计要点

3.1.1何处设置

根据JGJ 312-2013第5.4.4条:2类医疗场所除手术台驱动机构、X射线设备、额定容量超过5 kVA的设备、非生命支持系统的电气设备外,用于维持生命、外科手术、重症患者的实时监控和其他位于患者区域的医疗电气设备及系统的回路,均应采用医疗场所局部IT系统供电[1]。

3.1.2患者区域

在医院的2类医疗场所内离手术台周边水平距离1.5 m,高度为2.5 m内的区域被称为“患者区域",如图10所示。根据IT系统设置要求及“患者区域"的示意图可知,手术室内的吊塔、治疗用电插座箱、无影灯应纳入IT系统供电。手术室照明、中央情报面板等与“微电击"无关,可不纳入IT系统供电,但为保证其供电连续性,建议纳入UPS供电。

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图7手术部集中设UPS(IT系统),IT系统与非IT系统分设配电箱方案

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图8 IT系统与非IT系统分设配电箱方案

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图9 IT系统与非IT系统共用配电箱方案

3.1.3接地故障分析

IT系统电源端不做系统接地,只做保护接地。其接地故障示意图,如图11所示。

通过隔离变压器二次回路导体不接地,电气设备外露可导电部分接到电气装置的PE线上,并设置辅助等电位联结。当出现接地故障时,故障电流仅为流过自隔离变压器到手术设备之间一小段非故障线段极小的对地电容电流,不大于50μA。因此故障时可以不切断电源,使电气设备继续运行,并可通过绝缘监测装置发出报警并及时消除故障,大大提高了系统供电的可靠性。医用IT系统需与绝缘故障监测装置配合使用,当绝缘电阻值降至50 kΩ时发出报警,声光报警装置设置在护士站等便于监视的场所。第一次接地故障时,IT系统实际变成了TN系统运行,不切断电源。但是如果不及时排除故障,当发生第二次接地故障时,相当于TN系统接地短路,断路器动作[7]。

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图10“患者区域"示意图

采用医用IT系统,电气设备的正常泄漏电流值小于10μA,发生第一个接地故障时,故障电流值小于50μA,不会对手术患者产生“微电击";同时,发生第一个接地故障时,绝缘监测装置仅发出报警并不切断电源,可充分保证生命支持系统的电气设备持续供电,从而保证手术室的用电安全。

3.2 UPS选型

依据电路结构的不同,UPS主要分为后备式UPS、互动式UPS、在线式UPS 3种:

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图11 IT系统接地故障示意图

a.后备式UPS和互动式UPS结构类似,市电供电时逆变器不工作,切换到蓄电池供电时,将有4 ms左右的逆变器转换延时时间,广泛应用于家用计算机,建筑电气设计中涉及较少。

b.在线式UPS结构示意如图12所示,不论市电是否正常,均由逆变器向负载供电,能有效隔离市电电网的电压波动、频率漂移等电能质量问题,真正实现了对负载的稳压、稳频、不间断供电,且在市电和蓄电池间的转换时间为零。因此,在线式UPS在医疗、通信、金融等行业应用广泛,也是电气设计人员应该熟悉的重点类型[8]。

按常用产品分类,UPS可分为工频UPS、高频UPS:

a.高频机与工频机*大的区别是使用IGBT替代晶闸管整流,无隔离变压器。

b.工频机结构示意如图13所示,相较于高频机,在输入端电能质量要求上接受度较广。而输出端加装隔离变压器,有效降低零地电压值,在增加隔离层保护的基础上对后端负载提供持续、可靠稳定的电源供给。

JGJ 312-2013第4.4.6条规定:要求中断供电时间小于或等于0.5 s的一级负荷中特别重要的负荷,应设不间断电源装置(UPS),且宜为在线式。TN-S系统中的不间断电源装置(UPS)输出端为三相时,应加装三相隔离变压器并做重复接地。GB 50333-2013第11.1.3条:有生命支持电气设备的洁净手术室要设置应急电源。自动恢复供电时间应符合下列要求:生命支持电气设备应能实现在线切换。结合规范要求及UPS结构特点,建议手术室设计采用在线式工频UPS。

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图12在线式UPS结构示意

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图13工频UPS结构示意

4医用隔离电源监控系统的选型与应用

4.1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。

4.2应用场所

适用于医院的手术室、各类重症监护室、抢救室、内窥镜室及造影室等医疗二类场所的医用隔离电源系统的远程监控及自动化。

4.3系统架构

4.4系统功能

安科瑞IT配电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,为各类场所的IT配电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:

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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IT配电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IT配电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IT配电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IT配电系统的绝缘状况、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。

4.5安科瑞产品功能和技术参数

5结语

手术室供配电系统设计不同于一般场所的设计要配电系统复杂,对电源安全性、可靠性要求更高,需要电气设计人员对国家相关规范及IEC标准有透彻的理解,更需要大家不断学习、交流、探讨,更新知识,了解*新产品及技术的发展,为医院提供优质的手术室供配电系统设计,更好地保障广大患者的生命安全。笔者水平有限,不足之处恳请批评指正。

参考文献

[1]中国建筑设计研究院.JGJ 312-2013医疗建筑电气设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[2]国家卫生和计划生育委员会规划与信息司,中国医院协会医院建筑系统研究分会.GB 51039-2014综合医院建筑设计规范[S].北京:中国计划出版社,2014.

[3]中国中轻国际工程有限公司.GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710:2002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[S].北京:中国标准出版社,2006.

[4]王厚余.建筑物电气装置600问[M].北京:中国电力出版社,2013.

[5]中国建筑科学研究院.GB 50333-2013医院洁净手术部建筑技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[6]中国建筑标准设计研究院.19D706-2医疗建筑电气设计与安装[M].北京:中国计划出版社,2019.

[7]涂路.手术室及ICU电气设计[EB/OL].(2019-11-08)[2020-03-24]

[8]孙海龙,李后飞.手术室供配电系统设计探讨.

[9]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版

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