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醫(yī)療IT隔離電源系統(tǒng)的設(shè)計及注意事項
點擊次數(shù)：1390 更新時間：2020-08-24

 王蒙蒙

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：在醫(yī)療場所內(nèi)，對供電的可靠性和安全性要求要比一般場所高，如何實現(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。針對醫(yī)療場所內(nèi)IT系統(tǒng)的設(shè)計展開討論，說明了IT系統(tǒng)使用在醫(yī)療場所的原因，列出了醫(yī)療IT系統(tǒng)設(shè)計中應(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)療場所

0 引言

       目前，對于醫(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)計規(guī)范》（以下簡稱《民規(guī)》）附錄A中醫(yī)院設(shè)備的負荷分級確定設(shè)備的負荷等級，且醫(yī)療場所內(nèi)病人和醫(yī)護人員的安全以及供電的連續(xù)性非常重要。

醫(yī)療場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，在電擊等危險情況下的反應(yīng)比正常人遲鈍，更需要特別保護。病人在手術(shù)或插入導(dǎo)管時，表皮阻抗降低，電擊的危險性增大。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。

針對上述上一條，剩余電流動作保護器對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)生單相接地故障時也不能馬上切斷電源，IT系統(tǒng)相對于接零保護系統(tǒng)（TN）、保護接地系統(tǒng)（IT系統(tǒng)）而言，可以提供不間斷的連續(xù)供電，防止突然斷電對病人生命的威脅。

1醫(yī)療場所內(nèi)接地系統(tǒng)的選擇

       對于醫(yī)療場所的分類，根據(jù)《建筑物電氣裝置》中特殊裝置或場所的要求將醫(yī)療場所分為0類、1類和2類場所。醫(yī)療場所和建筑的主配電盤出線不可以使用TN-C系統(tǒng)。因為在TN-C系統(tǒng)中，N線與PE線合用為一根，正常工作時，PEN線中有不平衡電流和單相負荷電流通過，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)電部分帶電會存在人身觸電的危險。另外，PEN線電流會對醫(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)療場所內(nèi)對安全性要求高的場合。

在2類醫(yī)療場所中，TN系統(tǒng)僅用于下列回路：手術(shù)臺驅(qū)動機構(gòu)的供電電路；X光機回路（移入2類場所的移動式X光機）；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

 

 

2 醫(yī)療IT系統(tǒng)的設(shè)計與注意事項

1. 醫(yī)療IT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

       IT系統(tǒng)的電源要使用獨立電源，例如：配電/隔離變壓器、發(fā)電機組、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)計注意事項

（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)采用單獨的三相變壓器供電，其輸出線電壓不應(yīng)超過250V。”一般在2類醫(yī)療場所中，IT系統(tǒng)的負荷為照明、醫(yī)療設(shè)備，都為單相用電設(shè)備。如果在某些場所需要三相IT負荷，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，非故障相對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測量電壓UM，當(dāng)發(fā)生絕緣故障時，絕緣故障RF產(chǎn)生一個與絕緣故障成正比的測量電流IM。測量電路在測量電阻RM上產(chǎn)生一個相應(yīng)的電壓降，這個測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），就要輸出報警信號。絕緣監(jiān)視儀在發(fā)生單相接地故障時，絕緣監(jiān)視儀報警。當(dāng)發(fā)生二次接地故障時（此時即為兩相短路），保護電氣設(shè)備動作，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)視儀的時候，要保證相關(guān)IT系統(tǒng)的全部絕緣電阻被測量。這個絕緣電阻的計算要加上所有并聯(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進行設(shè)定。提及一個值得注意的問題，絕緣監(jiān)視儀會在不是真正發(fā)生絕緣故障的時候報警，這可能是由于潮濕引起的（在絕緣監(jiān)視儀很長時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，通常會由于操作溫度達到要求后潮濕情況的消失，絕緣電阻會自動升高。如表2所示列舉了不同標(biāo)準(zhǔn)對絕緣電阻響應(yīng)值的要求。在設(shè)計中遵循標(biāo)的要求，當(dāng)絕緣電阻降至50kΩ時，應(yīng)發(fā)出報警信號。

 

圖2 絕緣監(jiān)視儀工作原理

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)對絕緣電阻響應(yīng)值的要求

 

3）絕緣監(jiān)視儀的保護。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行保護。如果線纜上沒有接頭和插座設(shè)備，過載現(xiàn)象不會發(fā)生，所以不需要過載保護，只需要短路保護。對于本德爾公司的絕緣監(jiān)視儀，建議用6A的熔斷器保護。

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

（3）變壓器的保護與負載的保護

       BG 16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002規(guī)定：“醫(yī)療IT系統(tǒng)變壓器的進出線不允許裝設(shè)過載保護，但可以用熔斷器做短路保護。”如果用斷路器做短路保護，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但不能滿足過載保護。圖1中變壓器進線處和終端負載回路都用單磁型斷路器。另外絕緣監(jiān)視儀需要對變壓器的過負荷和溫度進行監(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，能否單獨敷設(shè)IT系統(tǒng)的PE線到整個建筑的MEB，經(jīng)過本文作者與電工委員會（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)不會對IT系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

（5）絕緣故障定位

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

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

（6）輔助等電位聯(lián)結(jié)

       從安全防護角度出發(fā)1類和2類醫(yī)療場所的輔助等電位聯(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.安科瑞醫(yī)療IT系統(tǒng)的介紹及選型

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，也會對病人的生命構(gòu)成威脅。因此，對于醫(yī)院這一特殊場所的電氣設(shè)計，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，采用IT系統(tǒng)供電。

安科瑞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(shù)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。

3.2 隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)

       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類場所醫(yī)療IT系統(tǒng)的運行狀況。這種集中監(jiān)控系統(tǒng)可以設(shè)置在醫(yī)院電氣運行和維護人員的值班室內(nèi)，也可以集成在其它電力監(jiān)控系統(tǒng)中，由專業(yè)的電氣人員進行監(jiān)控，一旦某套IT系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電氣維護人員也能馬上做出判斷，并根據(jù)現(xiàn)場情況進行處理。

3.2.1 系統(tǒng)拓撲圖

 

圖3產(chǎn)品拓撲圖

3.2.2軟件功能

       安科瑞隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)是基于觸摸屏軟件設(shè)計，軟件具有遠程測量、遠程參數(shù)設(shè)置和遠程自檢等多種功能，為醫(yī)院2類場所隔離電源系統(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圖4：

 

圖4軟件的主要功能

■ 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

       利用安裝于各隔離電源系統(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如圖5；

 

■ 故障報警

       將各隔離電源系統(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(guān)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(shè)置和查詢

       通過系統(tǒng)，可根據(jù)要求遠程調(diào)整和設(shè)置各隔離電源系統(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)。

3.3 產(chǎn)品選型

表3 IT 系統(tǒng)絕緣監(jiān)測及故障定位產(chǎn)品

 

名稱及型號	產(chǎn)品圖片	說明
AITR 系列隔離變壓器		AITR 系列隔離變壓器于醫(yī)療 IT 系統(tǒng)，鐵芯采用日本進口的硅鋼片疊加而成，損耗很小。繞組間采用了雙重絕緣處理，并設(shè)有靜電屏蔽屏，減少了繞組間的電磁干擾。線包內(nèi)安裝了 PT100 溫度傳感器，用于監(jiān)測變壓器溫度。整體采用真空浸漆處理，增加了機械強度和抗腐蝕性。產(chǎn)品具有很好的溫升性能和很低的噪聲。
AIM-M200 醫(yī)療智能絕緣監(jiān)測儀		AIM-M200 醫(yī)療智能絕緣監(jiān)測儀采用先進的微控制器技術(shù)，集成度高，體積小巧，安裝方便，集智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化于一身，是手術(shù)室、重癥監(jiān)護室等醫(yī)療2 類場所隔離電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的理想選擇。
AKH-0.66P26 電 流互感器		AKH-0.66P26 型電流互感器是與 AIM-M200 絕緣監(jiān)測儀配套使用的保護型電流互感器，可測電流為60A，變比是 2000：1，電流互感器采用螺絲直接固定的方式裝于機柜內(nèi)部，二次側(cè)通過接線柱引出，安裝和使用方便。
AIL100-4/AIL100-8絕緣故障定位儀		AIL100-4/AIL100-8 絕緣故障定位儀采用高靈敏度互感器配合高精度的信號檢測電路，檢測 ASG100 測試信號發(fā)生器注入系統(tǒng)中的信號，準(zhǔn)確定位絕緣故障所在的回路。其中 AIL100-4 絕緣故障定位儀能定位 4 個回2路的絕緣故障，AIL100-8 絕緣故障定位儀能定位 8 個回路的絕緣故障。
ASG100 測試信號發(fā)生器		ASG100 測試信號發(fā)生器采用 32 位微處理器芯片和高精度的信號產(chǎn)生電路，實現(xiàn)特定測試信號的產(chǎn)生。當(dāng)被監(jiān)測的 IT 系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時，能及時啟動并產(chǎn)生測試信號，配合絕緣故障定位儀實現(xiàn)絕緣故障定位。
DR-60-24 電源模塊		DR-60-24 直流穩(wěn)壓電源可同時為 AIM-M200 智能絕緣監(jiān)測儀、ASG100 測試信號發(fā)生器、AIL100 系列絕緣故障定位儀和 AID200 集中報警與顯示儀等儀表提供直流 24V 電源。該電源功率大、電壓輸出穩(wěn)定、安裝方便，可滿足上述儀表的供電要求，是的電源產(chǎn)品。
AID200 集中報警與顯示儀		AID200 集中報警與顯示儀采用 LCD 液晶顯示，采用自定義協(xié)議的 CAN 通訊接口與 AIM-M200 醫(yī)療智能絕緣監(jiān)測儀實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換，可實時監(jiān)控多路 AIM-M200醫(yī)療智能絕緣監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)。

 

4.結(jié)束語

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

【參考文獻】

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

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

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

 

作者介紹：王蒙蒙，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事工業(yè)絕緣監(jiān)測的研發(fā)與應(yīng)用。