醫(yī)療IT隔離電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)

摘要：在醫(yī)療場(chǎng)所內(nèi)，對(duì)供電的可靠性和安全性要求要比一般場(chǎng)所高，如何實(shí)現(xiàn)高可靠性和安全性的配電系統(tǒng)？電源端帶電導(dǎo)體不接地的IT系統(tǒng)可以解決這一問題。針對(duì)醫(yī)療場(chǎng)所內(nèi)IT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開討論，說明了IT系統(tǒng)使用在醫(yī)療場(chǎng)所的原因，列出了醫(yī)療IT系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療IT系統(tǒng)    絕緣監(jiān)視儀     醫(yī)療場(chǎng)所

       目前，對(duì)于醫(yī)院供配電系統(tǒng)的可靠性和安全性要求越來越高，需要按JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《民規(guī)》）附錄A中醫(yī)院設(shè)備的負(fù)荷分級(jí)確定設(shè)備的負(fù)荷等級(jí)，且醫(yī)療場(chǎng)所內(nèi)病人和醫(yī)護(hù)人員的安全以及供電的連續(xù)性非常重要。

醫(yī)療場(chǎng)所需要更高的電氣安全性原因：

       1）醫(yī)院病人屬于在生理上和智力上有缺陷的人，在電擊等危險(xiǎn)情況下的反應(yīng)比正常人遲鈍，更需要特別保護(hù)。病人在手術(shù)或插入導(dǎo)管時(shí)，表皮阻抗降低，電擊的危險(xiǎn)性增大。特別是胸腔手術(shù)，人體50uA的接觸電流或50mV的接觸電壓就可致人死命。

       2）外科手術(shù)等不可以中斷，ICU房間的某些醫(yī)療設(shè)備要持續(xù)供電，保證病人的安全。

針對(duì)上述上一條，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器對(duì)這種微電擊無能為力，必須安裝隔離變壓器另設(shè)一局部的醫(yī)療IT系統(tǒng)來有效限制接觸電流和接觸電壓。當(dāng)然，還需輔以高要求的輔助等電位聯(lián)結(jié)。對(duì)于維持生命的電氣醫(yī)療設(shè)備，即使發(fā)生單相接地故障時(shí)也不能馬上切斷電源，IT系統(tǒng)相對(duì)于接零保護(hù)系統(tǒng)（TN）、保護(hù)接地系統(tǒng)（IT系統(tǒng)）而言，可以提供不間斷的連續(xù)供電，防止突然斷電對(duì)病人生命的威脅。

       對(duì)于醫(yī)療場(chǎng)所的分類，根據(jù)《建筑物電氣裝置》中特殊裝置或場(chǎng)所的要求將醫(yī)療場(chǎng)所分為0類、1類和2類場(chǎng)所。醫(yī)療場(chǎng)所和醫(yī)用建筑的主配電盤出線不可以使用TN-C系統(tǒng)。因?yàn)樵赥N-C系統(tǒng)中，N線與PE線合用為一根，正常工作時(shí)，PEN線中有不平衡電流和單相負(fù)荷電流通過，造成設(shè)備外露可導(dǎo)電部分帶電。如果PEN線斷線，外露可導(dǎo)電部分帶電會(huì)存在人身觸電的危險(xiǎn)。另外，PEN線電流會(huì)對(duì)醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。所以TN-C系統(tǒng)不適合于醫(yī)療場(chǎng)所內(nèi)對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合。

在2類醫(yī)療場(chǎng)所中，TN系統(tǒng)僅用于下列回路：手術(shù)臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的供電電路；X光機(jī)回路（移入2類場(chǎng)所的移動(dòng)式X光機(jī)）；額定功率大于5kV·A的大型設(shè)備回路；不重要的電氣設(shè)備回路。IT統(tǒng)用于下列回路：醫(yī)療電氣設(shè)備回路；支持生命的系統(tǒng)回路；外科手術(shù)設(shè)備回路；其他處于“患者區(qū)域”的電氣設(shè)備回路。選擇IT系統(tǒng)來達(dá)到更高的可靠性和安全性的原因如表1所示。

表1 TN系統(tǒng)與IT系統(tǒng)比較

 

 

1. 醫(yī)療IT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

       IT系統(tǒng)的電源要使用獨(dú)立電源，例如：配電/隔離變壓器、發(fā)電機(jī)組、電池和UPS。通常使用較多的是隔離變壓器。圖1為醫(yī)療IT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，隔離變壓器后為IT系統(tǒng)，IT系統(tǒng)內(nèi)帶電導(dǎo)體和地之間沒有直接的連接，所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分要與地連接。在單相IT系統(tǒng)中，變壓器二次側(cè)無所謂相線和 N線之分，都是帶電導(dǎo)體。

 

 

圖1 IT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）常用單相IT系統(tǒng)，慎用三相IT系統(tǒng)

       在GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710:2002規(guī)定："用于移動(dòng)式和固定式設(shè)備的醫(yī)療IT系統(tǒng)應(yīng)采用單相變壓器。如果也需要通過IT系統(tǒng)供電給三相系統(tǒng)，則應(yīng)采用單獨(dú)的三相變壓器供電，其輸出線電壓不應(yīng)超過250V?！币话阍?類醫(yī)療場(chǎng)所中，IT系統(tǒng)的負(fù)荷為照明、醫(yī)療設(shè)備，都為單相用電設(shè)備。如果在某些場(chǎng)所需要三相IT負(fù)荷，就需要增加380/220V的降壓變壓器。但是當(dāng)三相IT系統(tǒng)一相發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障相對(duì)地電壓升高到原來相電壓的√3倍，也就是380V。這樣在選擇線纜和設(shè)備時(shí)要特別關(guān)注耐壓水平。目前在醫(yī)療IT系統(tǒng)中很少使用三相IT系統(tǒng)。

（2）絕緣監(jiān)視儀的使用

 1）絕緣監(jiān)視儀的工作原理。絕緣監(jiān)視儀在連接帶電導(dǎo)體和地之間疊加了一個(gè)測(cè)量電壓UM，當(dāng)發(fā)生絕緣故障時(shí)，絕緣故障RF產(chǎn)生一個(gè)與絕緣故障成正比的測(cè)量電流IM。測(cè)量電路在測(cè)量電阻RM上產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電壓降，這個(gè)測(cè)量電阻是通過絕緣監(jiān)視儀的電子電路估算的。如果UM超過特定的值（相當(dāng)于絕緣電阻降到特定值），就要輸出報(bào)警信號(hào)。絕緣監(jiān)視儀在發(fā)生單相接地故障時(shí)，絕緣監(jiān)視儀報(bào)警。當(dāng)發(fā)生第二次接地故障時(shí)（此時(shí)即為兩相短路），保護(hù)電氣設(shè)備動(dòng)作，切斷電路。

 2）絕緣監(jiān)視儀響應(yīng)值的設(shè)定。工作原理如圖2所示。當(dāng)操作絕緣監(jiān)視儀的時(shí)候，要保證相關(guān)IT系統(tǒng)的全部絕緣電阻被測(cè)量。這個(gè)絕緣電阻的計(jì)算要加上所有并聯(lián)引出線的接地電阻漏電流。絕緣監(jiān)視儀的響應(yīng)值應(yīng)該近似按100Ω/V進(jìn)行設(shè)定。如果絕緣監(jiān)視儀安裝于現(xiàn)有系統(tǒng)中，建議將響應(yīng)值近似按50Ω/V進(jìn)行設(shè)定。提及一個(gè)值得注意的問題，絕緣監(jiān)視儀會(huì)在不是真正發(fā)生絕緣故障的時(shí)候報(bào)警，這可能是由于潮濕引起的（在絕緣監(jiān)視儀很長(zhǎng)時(shí)間沒有使用的情況下）。一旦絕緣監(jiān)視儀恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)后，通常會(huì)由于操作溫度達(dá)到要求后潮濕情況的消失，絕緣電阻會(huì)自動(dòng)升高。如表2所示列舉了不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絕緣電阻響應(yīng)值的要求。在設(shè)計(jì)中遵循國(guó)標(biāo)的要求，當(dāng)絕緣電阻降至50kΩ時(shí)，應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

 

圖2 絕緣監(jiān)視儀工作原理

表2 不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絕緣電阻響應(yīng)值的要求

 

3）絕緣監(jiān)視儀的保護(hù)。大多數(shù)絕緣監(jiān)視儀都是通過兩條導(dǎo)線與系統(tǒng)相連，在原理上，絕緣監(jiān)視儀需要用熔斷器進(jìn)行保護(hù)。如果線纜上沒有接頭和插座設(shè)備，過載現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生，所以不需要過載保護(hù)，只需要短路保護(hù)。對(duì)于本德爾公司的絕緣監(jiān)視儀，建議用6A的熔斷器保護(hù)。

4）絕緣監(jiān)視儀與地的連接。絕緣監(jiān)視儀要可靠接地，否則無法對(duì)絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本德爾公司的絕緣監(jiān)視儀需要用兩條獨(dú)立的導(dǎo)線連接E 和NE端子到母排上。

（3）變壓器的保護(hù)與負(fù)載的保護(hù)

       BG 16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002規(guī)定：“醫(yī)療IT系統(tǒng)變壓器的進(jìn)出線不允許裝設(shè)過載保護(hù)，但可以用熔斷器做短路保護(hù)?！比绻脭嗦菲髯龆搪繁Ｗo(hù)，要選擇單磁型的斷路器。目前ABB公司的260M斷路器與施耐德公司的

C65H ICB微型斷路器可以滿足短路保護(hù)但不能滿足過載保護(hù)。圖1中變壓器進(jìn)線處和終端負(fù)載回路都用單磁型斷路器。另外絕緣監(jiān)視儀需要對(duì)變壓器的過負(fù)荷和溫度進(jìn)行監(jiān)視。

（4）IT系統(tǒng)必須配出PE線

       IT系統(tǒng)的本質(zhì)是設(shè)備外露可導(dǎo)電部分要接地，所以IT柜要配出PE線。在醫(yī)療IT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，有人提出這根PE線是否可以與TN—S系統(tǒng)的PE線合用，能否單獨(dú)敷設(shè)IT系統(tǒng)的PE線到整個(gè)建筑的MEB，經(jīng)過本文作者與國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）編者的溝通，這根PE線可以跨接隔離

變壓器與TN—S系統(tǒng)合用，TN—S系統(tǒng)不會(huì)對(duì)IT系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

（5）絕緣故障定位

       醫(yī)療場(chǎng)所的IT系統(tǒng)安全級(jí)別要求很高，一旦發(fā)生絕緣故障，迅速找出故障點(diǎn)往往是用戶比較關(guān)心的問題。這樣就需要在絕緣監(jiān)視儀報(bào)警后，更快地實(shí)現(xiàn)故障定位。絕緣故障定位可以防止電擊、避免火災(zāi)的危險(xiǎn)及避免控制回路的故障。

絕緣故障定位常用的方法是手動(dòng)定位和自動(dòng)定位。手動(dòng)定位是電氣維護(hù)人員使用專用儀器到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，找出故障點(diǎn)；自動(dòng)定位就是將絕緣故障定位儀器安裝于IT系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在線式監(jiān)測(cè)，減少人力。選擇絕緣故障定位方式，應(yīng)實(shí)現(xiàn)既可以快速找出故障點(diǎn)，又可以減少投資，使用IT系統(tǒng)的醫(yī)療場(chǎng)所為手術(shù)室、ICU 和CCU等，在設(shè)計(jì)中，一般一個(gè)手術(shù)室配一個(gè) &; 配電柜，發(fā)生絕緣故障時(shí)范圍比較小，采用手動(dòng)定位的方式很快就能查到故障點(diǎn)。如果是面積比較大的ICU病房，采用自動(dòng)定位的方式比較好，可以迅速地定位故障，便于維護(hù)人員排除故障。

（6）輔助等電位聯(lián)結(jié)

       從安全防護(hù)角度出發(fā)1類和2類醫(yī)療場(chǎng)所的輔助等電位聯(lián)結(jié)也是必需的。醫(yī)療IT系統(tǒng)要配以輔助等電位聯(lián)結(jié)來保證“患者區(qū)域”內(nèi)不同金屬導(dǎo)體的電位相等。

3.1概述

       隨著電子醫(yī)療設(shè)備在醫(yī)院領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，漏電流對(duì)病人構(gòu)成的威脅也越來越大，尤其是那些生命攸關(guān)的場(chǎng)所，病人在手術(shù)中或麻醉狀態(tài)下，各種電極、傳感器直接插入人體內(nèi)，微小的漏電流都有可能導(dǎo)致病人觸電身亡。另外有些醫(yī)療設(shè)備用于維持重癥病人的生命，一旦設(shè)備停電，也會(huì)對(duì)病人的生命構(gòu)成威脅。因此，對(duì)于醫(yī)院這一特殊場(chǎng)所的電氣設(shè)計(jì)，應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，采用IT系統(tǒng)供電。

安科瑞醫(yī)用IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)故障定位裝置及系統(tǒng)適用于醫(yī)院的手術(shù)室、ICU(CCU)監(jiān)護(hù)病房等重要場(chǎng)所，能為這類場(chǎng)所提供安全、連續(xù)、可靠的供電解決方案。

3.2 醫(yī)用隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)

       醫(yī)用隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)用于集中監(jiān)控醫(yī)療大樓內(nèi)所有醫(yī)療２類場(chǎng)所醫(yī)療IT系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。這種集中監(jiān)控系統(tǒng)可以設(shè)置在醫(yī)院電氣運(yùn)行和維護(hù)人員的值班室內(nèi)，也可以集成在其它電力監(jiān)控系統(tǒng)中，由專業(yè)的電氣人員進(jìn)行監(jiān)控，一旦某套IT系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電氣維護(hù)人員也能馬上做出判斷，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行處理。

3.2.1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

 

圖3產(chǎn)品拓?fù)鋱D

3.2.2軟件功能

       安科瑞醫(yī)用隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)是基于觸摸屏軟件設(shè)計(jì)，軟件具有遠(yuǎn)程測(cè)量、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程自檢等多種功能，為醫(yī)院2類場(chǎng)所隔離電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控提供了強(qiáng)大的系統(tǒng)集成工具。軟件的主要功能如下圖4：

 

圖4軟件的主要功能

■ 一次圖和現(xiàn)場(chǎng)分布顯示

       系統(tǒng)具有一次圖及現(xiàn)場(chǎng)分布圖顯示功能，能直觀的了解并及時(shí)地發(fā)現(xiàn)IT供電系統(tǒng)的報(bào)警地點(diǎn)或區(qū)域，從而方便專業(yè)人員及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障排查；

■ 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示

       利用安裝于各隔離電源系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測(cè)儀表和絕緣故障定位儀表，采集各隔離電源系統(tǒng)的參數(shù)。采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控系統(tǒng)界面，這些監(jiān)測(cè)參量含IT系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻、變壓器負(fù)荷電流、變壓器繞組溫度及絕緣故障回路等如圖5；

 

■ 故障報(bào)警

       將各醫(yī)用隔離電源系統(tǒng)出現(xiàn)的各類故障，如絕緣故障、過載故障、超溫故障以及接線斷線故障等信息進(jìn)行統(tǒng)一處理和記錄，并可直接在顯示界面上彈出顯示故障類型、監(jiān)測(cè)值、故障地點(diǎn)以及故障發(fā)生時(shí)間等信息。同時(shí)啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的聲光報(bào)警系統(tǒng)，及時(shí)提醒相關(guān)人員，進(jìn)行故障處理。其中，聲音報(bào)警信號(hào)可被手動(dòng)消除。

■ 遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和查詢

       通過系統(tǒng)，可根據(jù)要求遠(yuǎn)程調(diào)整和設(shè)置各醫(yī)用隔離電源系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測(cè)儀的各類報(bào)警參數(shù)閾值，也可以任意查看這些報(bào)警參數(shù)值。參數(shù)包括絕緣報(bào)警值、負(fù)載電流報(bào)警值和隔離變壓器溫度報(bào)警值等如圖6。

 

■ 圖形顯示功能：

       系統(tǒng)可以以曲線的形式，顯示各套隔離電源系統(tǒng)的絕緣狀況、負(fù)載狀況，以及隔離變壓器的溫升狀況，以及它們的變化趨勢(shì)，以便于分管理人員了解和分析各電源系統(tǒng)的運(yùn)行變化情況，有針對(duì)性的對(duì)某些系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。

3.3 產(chǎn)品選型

表3 醫(yī)用 IT 系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)及故障定位產(chǎn)品

       醫(yī)療IT系統(tǒng)的可靠性和安全性決定了其設(shè)計(jì)要嚴(yán)格遵循國(guó)標(biāo)的規(guī)定。對(duì)于醫(yī)療場(chǎng)所供電的其他要求，例如供電電源的切換時(shí)間要求，在JGJ16—2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明與BG 16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002附錄B中有詳細(xì)的要求。需要提及的是，《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明中的內(nèi)容更詳盡，在設(shè)計(jì)中，我們要依據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

[1] 范麗麗，醫(yī)療IT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

[2] 安科瑞醫(yī)療隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用圖集.2018.9版

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2019.11版