淺談醫(yī)用IT隔離電源在手術室供配電系統(tǒng)設計中的應用

時間：2024-12-26作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：292

【摘要】結合新修訂的標準圖集19D706-2《醫(yī)療建筑電氣設計與安裝》，對手術部、手術室的定義及設計中需參考的規(guī)范進行梳理，提出多種手術室供配電系統(tǒng)解決方案，同時對手術室供配電系統(tǒng)中的IT系統(tǒng)設計、UPS選型等重點及難點問題進行分析。

【關鍵詞】2類醫(yī)療場所；IT系統(tǒng)；微電擊；患者區(qū)域；在線式工頻UPS；潔凈手術部；自動恢復供電時間；接地故障

1概述
潔凈手術部的英文全稱是Clean Operating Department，是由潔凈手術室、潔凈輔助用房和非潔凈輔助用房等一部分或全部組成的立功能區(qū)域。潔凈手術室的英文全稱是CleanOperating Room，是采用空氣凈化技術，把手術環(huán)境空氣中的微生物粒子及微粒總量降到允許水平的手術室，發(fā)生電擊或中斷供電將嚴重危及患者的生命安全，因此手術室對供電安全性、可靠性要求高。
標準圖集19D706-2《醫(yī)療建筑電氣設計與安裝》（以下簡稱《圖集》）16頁對手術部供電列舉了3種常用的示例；56~59頁對手術室配電列舉了2種常用的示例，同時對手術室電氣平面布置、手術室插座箱進行示例；74~75頁對手術部、手術室配電系統(tǒng)進行示例；128頁、137頁、144頁從產(chǎn)品選用角度提出了手術室配電系統(tǒng)的解決方案。為了讓電氣設計人員有效地參考《圖集》內(nèi)容，有必要對手術室供配電系統(tǒng)進行詳細的分析。

2手術室供配電系統(tǒng)設計
2.1參考規(guī)范
手術室電氣設計常用的設計規(guī)范有：
a．JGJ 312-2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》；
b．GB 51039-2014《綜合醫(yī)院建筑設計規(guī)范》；
c．GB 50333-2013《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》；
d．GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》；
e．GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710：
2002《建筑物電氣裝置7-710部分：特殊裝置或場所的要求醫(yī)療場所》。國內(nèi)與醫(yī)院電氣設計有關的規(guī)范，大多參考IEC 60364-7-710，目前IEC 60364-7-710正在修編，已有英文版征求意見稿，建議大家予以關注。





2.2負荷分級、醫(yī)療場所類別及電源選擇

2.2.1負荷分級
JGJ 312-2013表4.2.1中規(guī)定，二級以上醫(yī)院手術室、術前準備室、術后恢復室、麻醉室、心血管造影檢查室等場所中涉及患者生命安全的設備及其照明用電為一級負荷中特別重要的負荷，其他屬于一級負荷。手術室用電負荷等級如表1所示。





2.2.2醫(yī)療場所類別

GB 51039-2014及GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710：2002對醫(yī)療場所的分類如下：
a．0類：不使用醫(yī)療電氣設備接觸部件的醫(yī)療場所；
b．1類：醫(yī)療電氣設備接觸部件需要與患者體表、體內(nèi)（除2類醫(yī)療場所所述部位以外）接觸的醫(yī)療場所；
c．2類：醫(yī)療電氣設備接觸部件需要與患者體內(nèi)（指心臟或接近心臟部位）接觸以及電源中斷危及患者生命的醫(yī)療場所［2-3］。
醫(yī)療場所類別劃分中手術室屬于2類醫(yī)療場所，手術室內(nèi)涉及生命安全的電氣設備及照明自動恢復供電時間t≤0.5 s，不涉及的要求自動恢復供電時間0.5 s<t≤15 s。手術部內(nèi)各醫(yī)療場所的類別劃分與要求自動恢復供電的時間如表2所示。


關于2類醫(yī)療場所，從其定義可知重點強調(diào)兩個方面：

a．微電擊：心臟或接近心臟部位，其關注點是“微電擊”。按IEC標準，進行心臟手術的醫(yī)療電氣設備正常泄漏電流不得大于10μA，當發(fā)生一個接地故障時，其故障電流不得大于50μA。因通過人體心臟的電流如果過50μA就可能導致心室纖顫而死亡，被稱作微電擊致死［4］。
b．供電可靠性：電源中斷危及患者生命，強調(diào)的是中斷供電帶來的嚴重后果。

2.2.3電源選擇
JGJ 312-20133.0.3條規(guī)定：要求恢復供電時間小于或等于0.5 s時，自備備用電源供電維持時間不應小于3 h［1］。

GB 50333-2013對潔凈手術部供電要求如下：
a．11.1.2條：潔凈手術部應采用立雙路電源供電［5］；
b．11.1.3條：有生命支持電氣設備的潔凈手術室要設置應急電源。自動恢復供電時間應符合下列要求：①生命支持電氣設備應能實現(xiàn)在線切換。②非**場所和設備應小于等于15 s。③應急電源工作時間不應小于30 min［5］。

綜合負荷分級、醫(yī)療場所類別以及自動恢復供電時間等相關要求，二級以上醫(yī)院手術部供電應采用立雙路電源供電+柴油發(fā)電機的供電方式。
手術部內(nèi)對于要求自動恢復供電時間t≤0.5 s的負荷，應設置不間斷電源裝置（UPS），UPS應急電源工作時間不小于30 min。對于要求自動恢復供電時間0.5 s<t≤15 s的負荷，其應急電源可采用不間斷電源裝置（UPS），也可采用柴油發(fā)電機組。





表1醫(yī)療建筑用電負荷分級

表2醫(yī)療場所及設施的類別劃分與要求自動恢復供電的時間


注：（a）指的是涉及生命安全的電氣設備及照明。

2.3手術部整體供配電方案比較
手術部供電系統(tǒng)按UPS設置位置劃分，可分為集中式和分布式，按IT系統(tǒng)與非IT（TN-S）系統(tǒng)的組合方式劃分，可分為共用配電箱及分設配電箱方式。以下列舉常見的5種手術部供配電方案：
方案一：手術部集中設UPS，IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案，結構示意如圖1所示。
方案二：手術室分布設UPS（總箱），IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案，結構示意如圖2、圖3所示。
方案三：手術室分布設UPS（IT系統(tǒng)），IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案，結構示意如圖4、圖5所示。
方案四：手術部集中設UPS，IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設配電箱方案，結構示意如圖6所示。

方案一、方案四、方案五均為集中式UPS系統(tǒng)。
方案一、方案四將手術部全部負荷納入UPS供電，提高了整個手術部的供電可靠性，但同時增加了UPS的安裝容量和前期投資，可在要求高可靠性且資金充裕的醫(yī)院建設中使用。方案五僅將手術部IT系統(tǒng)及1類場所納入UPS供電，既保證了供電可靠性，又體現(xiàn)出很高的經(jīng)濟性，因此該方案在手術部的供配電設計中被廣泛使用。
方案五：手術部集中設UPS（IT系統(tǒng)），IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設配電箱方案，結構示意如圖7所示。
手術部供電方案分析：
a．集中式UPS：適用于大型手術部的手術室，可適當考慮同時使用系數(shù)，UPS總安裝容量小，經(jīng)濟性好。立設置的UPS間，可設置機房空調(diào)，有利于散熱、巡視、檢修、降噪等，進一步增加了供電可圖1手術部集中設UPS，IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案靠性。弊端是當UPS故障時，受影響區(qū)域較大。

圖2手術室分布設UPS（總箱），IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案

圖3手術室分布設UPS（總箱），IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案Ⅱ
b．分布式UPS：配電箱一對一配置UPS，供電可靠性高，單臺UPS故障時不影響其它手術室。弊端是UPS總安裝容量大、投資高，配電箱放置在清潔走廊側，散熱條件不佳，巡視、維護不方便，運維不當有安全事故的隱患。如采用分布式UPS方案，建議設置UPS監(jiān)控系統(tǒng)，對運行參數(shù)及電池狀態(tài)進行遠程監(jiān)控。

方案二、方案三為分布式UPS系統(tǒng)。方案二將手術室全部負荷納入UPS供電，提高了手術室的供電可靠性，但同時增加了UPS的安裝容量和前期投資，可在要求高可靠性且資金充裕的醫(yī)院建設中使用。方案三僅將手術室IT系統(tǒng)納入UPS供電，既保證了供電可靠性，又體現(xiàn)出很高的經(jīng)濟性，此方案也是手術部供配電設計中經(jīng)常使用的方案之一。方案二與方案三同時演化出手術部雙總箱末端互投的供配電方案（圖3、圖5），可供電氣設計人員靈活選用。IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分別設置配電箱：把手術室內(nèi)**與非**用電分開，是降低投資、降低三相不平衡因素的有效措施，可進一步增強安全系數(shù)。手術部的供配電設計可根據(jù)工程實際情況，結合項目投資等因素，選擇適用的供配電方案。在設計時，需重點注意三相平衡的問題。手術部通常設有多間手術室，而IT系統(tǒng)為單相負荷，嚴重三相不平衡時會導致斷路器跳閘，設計時應注明每間手術室IT系統(tǒng)的相序，確保手術部整體三相平衡。
圖4手術室分布設UPS（IT系統(tǒng)），IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案Ⅰ


圖5手術室分布設UPS（IT系統(tǒng)），IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案Ⅱ



2.4手術室配電系統(tǒng)設計
《圖集》選用了2種典型的手術室配電系統(tǒng)方案。56頁為手術室IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設配電箱方案，結構示意如圖8所示。57頁為IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)，結構示意如圖9所示。2個典型的手術室配電系統(tǒng)方案，可與2.3節(jié)中不同的手術部供配電方案配合使用。
需要注意，醫(yī)療場所局部IT系統(tǒng)隔離變壓器的一次側與二次側設置短路保護，不設置動作于切斷電源的過負荷保護。過負荷的后果是劣化絕緣，并不直接引起電氣災害，因此沒必要因為過負荷而切斷IT系統(tǒng)供電電源。
圖6手術部集中設UPS，IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設配電箱方案共用配電箱方案

1類和2類醫(yī)療場所應選擇安裝A型或B型剩余電流保護器。常規(guī)建筑RCD通常選用AC型，僅對突然施加或緩慢上升的剩余正弦交流電流進行剩余電流保護。A型RCD在AC型功能的基礎上，增加脈動直流保護；B型RCD在AC型功能的基礎上，增加脈動直流保護及直流保護。

3手術室供配電系統(tǒng)設計重點難點問題分析
3.1 IT系統(tǒng)設計要點
3.1.1何處設置
根據(jù)JGJ 312-20135.4.4條：2類醫(yī)療場所除手術臺驅(qū)動機構、X射線設備、額定容量過5 kVA的設備、非生命支持系統(tǒng)的電氣設備外，用于維持生命、外科手術、重癥患者的實時監(jiān)控和其他位于患者區(qū)域的醫(yī)療電氣設備及系統(tǒng)的回路，均應采用醫(yī)療場所局部IT系統(tǒng)供電［1］。





3.1.2患者區(qū)域

在醫(yī)院的2類醫(yī)療場所內(nèi)離手術臺周邊水平距離1.5 m，高度為2.5 m內(nèi)的區(qū)域被稱為“患者區(qū)域”，如圖10所示。根據(jù)IT系統(tǒng)設置要求及“患者區(qū)域”的示意圖可知，手術室內(nèi)的吊塔、**用電插座箱、無影燈應納入IT系統(tǒng)供電。手術室照明、情報面板等與“微電擊”無關，可不納入IT系統(tǒng)供電，但為保證其供電連續(xù)性，建議納入UPS供電。

圖7手術部集中設UPS（IT系統(tǒng)），IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設配電箱方案

圖8 IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設配電箱方案

圖9 IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案


3.1.3接地故障分析
IT系統(tǒng)電源端不做系統(tǒng)接地，只做保護接地。其接地故障示意圖，如圖11所示。

通過隔離變壓器二次回路導體不接地，電氣設備外露可導電部分接到電氣裝置的PE線上，并設置輔助等電位聯(lián)結。當出現(xiàn)接地故障時，故障電流僅為流過自隔離變壓器到手術設備之間一小段非故障線段小的對地電容電流，不大于50μA。因此故障時可以不切斷電源，使電氣設備繼續(xù)運行，并可通過絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出報警并及時消除故障，大大提高了系統(tǒng)供電的可靠性。醫(yī)用IT系統(tǒng)需與絕緣故障監(jiān)測裝置配合使用，當絕緣電阻值降至50 kΩ時發(fā)出報警，聲光報警裝置設置在護士站等便于監(jiān)視的場所。一次接地故障時，IT系統(tǒng)實際變成了TN系統(tǒng)運行，不切斷電源。但是如果不及時排除故障，當發(fā)生二次接地故障時，相當于TN系統(tǒng)接地短路，斷路器動作［7］。
圖10“患者區(qū)域”示意圖

采用醫(yī)用IT系統(tǒng)，電氣設備的正常泄漏電流值小于10μA，發(fā)生一個接地故障時，故障電流值小于50μA，不會對手術患者產(chǎn)生“微電擊”；同時，發(fā)生一個接地故障時，絕緣監(jiān)測裝置僅發(fā)出報警并不切斷電源，可充分保證生命支持系統(tǒng)的電氣設備持續(xù)供電，從而保證手術室的用電安全。

3.2 UPS選型
依據(jù)電路結構的不同，UPS主要分為后備式UPS、互動式UPS、在線式UPS 3種：
圖11 IT系統(tǒng)接地故障示意圖

a.后備式UPS和互動式UPS結構類似，市電供電時逆變器不工作，切換到蓄電池供電時，將有4 ms左右的逆變器轉(zhuǎn)換延時時間，廣泛應用于家用計算機，建筑電氣設計中涉及較少。
b．在線式UPS結構示意如圖12所示，不論市電是否正常，均由逆變器向負載供電，能有效隔離市電電網(wǎng)的電壓波動、頻率漂移等電能質(zhì)量問題，真正實現(xiàn)了對負載的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、不間斷供電，且在市電和蓄電池間的轉(zhuǎn)換時間為零。因此，在線式UPS在醫(yī)療、通信、金融等行業(yè)應用廣泛，也是電氣設計人員應該熟悉的重點類型［8］。

按常用產(chǎn)品分類，UPS可分為工頻UPS、高頻UPS：

a．高頻機與工頻機*大的區(qū)別是使用IGBT替代晶閘管整流，無隔離變壓器。
b．工頻機結構示意如圖13所示，相較于高頻機，在輸入端電能質(zhì)量要求上接受度較廣。而輸出端加裝隔離變壓器，有效降低零地電壓值，在增加隔離層保護的基礎上對后端負載提供持續(xù)、可靠穩(wěn)定的電源供給。

JGJ 312-20134.4.6條規(guī)定：要求中斷供電時間小于或等于0.5 s的一級負荷中特別重要的負荷，應設不間斷電源裝置（UPS），且宜為在線式。TN-S系統(tǒng)中的不間斷電源裝置（UPS）輸出端為三相時，應加裝三相隔離變壓器并做重復接地。GB 50333-201311.1.3條：有生命支持電氣設備的潔凈手術室要設置應急電源。自動恢復供電時間應符合下列要求：生命支持電氣設備應能實現(xiàn)在線切換。結合規(guī)范要求及UPS結構特點，建議手術室設計采用在線式工頻UPS。

圖12在線式UPS結構示意

圖13工頻UPS結構示意


4醫(yī)用隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)的選型與應用
4.1概述
隨著電子醫(yī)療設備在醫(yī)院領域的廣泛應用，漏電流對病人構成的威脅也越來越大，尤其是那些生命攸關的場所，病人在手術中或麻醉狀態(tài)下，各種電、傳感器直接插入人體內(nèi)，微小的漏電流都有可能導致病人觸電身亡。另外有些醫(yī)療設備用于維持重癥病人的生命，一旦設備停電，也會對病人的生命構成威脅。因此，對于醫(yī)療這一特殊場所的電氣設計，應嚴格按照國家標準和規(guī)范進行。安科瑞醫(yī)用IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及系統(tǒng)適用于醫(yī)院的手術室、ICU(CCU)監(jiān)護病房等重要場所，能為這類場所提供安全、連續(xù)、可靠的供電解決方案。

4.2應用場所
適用于醫(yī)院的手術室、各類重癥監(jiān)護室、搶救室、內(nèi)窺鏡室及造影室等醫(yī)療二類場所的醫(yī)用隔離電源系統(tǒng)的遠程監(jiān)控及自動化。



4.3系統(tǒng)架構




4.4系統(tǒng)功能


安科瑞IT配電監(jiān)控系統(tǒng)是基于觸摸屏軟件設計，軟件具有遠程測量、遠程參數(shù)設置和遠程自檢等多種功能，為各類場所的IT配電系統(tǒng)的集中監(jiān)控提供了強大的系統(tǒng)集成工具。軟件的主要功能如下：

一次圖和現(xiàn)場分布顯示
系統(tǒng)具有一次圖及現(xiàn)場分布圖顯示功能，能直觀的了解并及時地發(fā)現(xiàn)IT供電系統(tǒng)的報警地點或區(qū)域，從而方便專業(yè)人員及時到達現(xiàn)場進行故障排查；
實時數(shù)據(jù)采集與顯示
利用安裝于各IT配電系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測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)實時顯示在監(jiān)控系統(tǒng)界面，這些監(jiān)測參量含IT系統(tǒng)對地絕緣電阻、變壓器負荷電流、變壓器繞組溫度及絕緣故障回路等。




故障報警

將各IT配電系統(tǒng)出現(xiàn)的各類故障，如絕緣故障、過載故障、溫故障以及接線斷線故障等信息進行統(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)測值、故障地點以及故障發(fā)生時間等信息。同時啟動監(jiān)控系統(tǒng)的聲光報警系統(tǒng)，及時提醒相關人員，進行故障處理。其中，聲音報警信號可被手動消除。

遠程參數(shù)設置和查詢
通過系統(tǒng)，可根據(jù)要求遠程調(diào)整和設置各IT配電系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測儀的各類報警參數(shù)閾值，也可以任意查看這些報警參數(shù)值。參數(shù)包括絕緣報警值、負載電流報警值和隔離變壓器溫度報警值等。

圖形顯示功能
系統(tǒng)可以以曲線的形式，顯示各IT配電系統(tǒng)的絕緣狀況、負載狀況，以及隔離變壓器的溫升狀況，以及它們的變化趨勢，以便于分管理人員了解和分析各電源系統(tǒng)的運行變化情況，有針對性的對某些系統(tǒng)進行維護和保養(yǎng)。

4.5安科瑞產(chǎn)品功能和技術參數(shù)




5結語
手術室供配電系統(tǒng)設計不同于一般場所的設計要配電系統(tǒng)復雜，對電源安全性、可靠性要求高，需要電氣設計人員對國家相關規(guī)范及IEC標準有透徹的理解，需要大家不斷學習、交流、探討，新知識，了解*新產(chǎn)品及技術的發(fā)展，為醫(yī)院提供優(yōu)質(zhì)的手術室供配電系統(tǒng)設計，好地**廣大患者的生命安全。筆者水平有限，不足之處懇請批評指正。

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安科瑞電氣股份有限公司專注于10KV饋線保護裝置,電流互感器,溫濕度控制器,有源電力濾波器,混合動態(tài)濾波補償裝置,有源濾波器廠家,低壓饋線保護器等

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