某醫(yī)院智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 建

(四川大學(xué) 華西醫(yī)院基建運(yùn)行部,成都 610041)

0 引言

與其他的公共建筑不同，醫(yī)院建筑具有人員密集的特點(diǎn)，且服務(wù)對(duì)象基本上都是在生理方面或智力方面存在不同程序的缺陷的病患人群，一旦發(fā)生火災(zāi)或觸電事故，較正常人的傷亡會(huì)更大，后果也更加嚴(yán)重。而醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備對(duì)安全防護(hù)的等級(jí)也更高，且功能多樣，數(shù)量也比較多，因此對(duì)供配電系統(tǒng)的可靠性與安全性的要求也更加嚴(yán)格。因此，對(duì)醫(yī)院配電系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)長(zhǎng)期以來(lái)都是一個(gè)較大的難題。

在醫(yī)學(xué)理論和設(shè)備快速發(fā)展的促進(jìn)下現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)水平獲得了日新月異的變化，基于信息化裝備的手術(shù)室和病房樓及其他輔助用房共同構(gòu)建組成了現(xiàn)代醫(yī)院的基礎(chǔ)設(shè)施，為現(xiàn)代醫(yī)院正常運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)需求分析

醫(yī)院場(chǎng)所可劃分為三類，其中如診室、敷料消毒室、生化儀器室等基本上不存在電氣裝置與患者身體接觸的工作場(chǎng)所為0類；而那些需要與患者體內(nèi)、體表接觸的工作場(chǎng)所，如急診觀察室、處置室等，電氣裝置等(不包括心臟及接近心臟的部位)為1類；如外科手術(shù)及維持患者生命的電氣裝置需要與患者心臟或與心臟比較接近的部位接觸的工作場(chǎng)所為2類；ICU、手術(shù)室、搶救室等區(qū)域內(nèi)手術(shù)床周圍1.5 m范圍內(nèi)及2.5 m高度范圍內(nèi)為患者區(qū)域。

根據(jù)醫(yī)院供電中斷所造成的危害程度以及醫(yī)療電氣設(shè)備與人體接觸的實(shí)際狀況，醫(yī)院各工作場(chǎng)所電氣設(shè)備自動(dòng)恢復(fù)供電時(shí)間如表1所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.1 IT系統(tǒng)的原理

IT系統(tǒng)的用戶端的電氣設(shè)備采用金屬外殼保護(hù)接地的方式，電源變壓器中性點(diǎn)不接地，因此其供電更加安全和可靠。由于運(yùn)用IT系統(tǒng)方式供電其電源中性點(diǎn)不接地，如果出現(xiàn)電氣設(shè)備漏電的情況，電源對(duì)地漏電流只有非常小的電容電流，因此不會(huì)對(duì)電源電壓的平衡造成破壞，與中性點(diǎn)接地相比較，其安全性更高。IT系統(tǒng)大多應(yīng)用于對(duì)連續(xù)供電要求比較嚴(yán)格或不允許停電的場(chǎng)所，如醫(yī)院手術(shù)室等。

表1 醫(yī)院各工作場(chǎng)所電氣設(shè)備自動(dòng)恢復(fù)供電時(shí)間表

注：a代表生命及照明支持設(shè)備；b代表不作為手術(shù)室時(shí)。

醫(yī)用IT系統(tǒng)也被稱為醫(yī)用隔離電源系統(tǒng)，主要適用于醫(yī)院的手術(shù)室、消防配電系統(tǒng)，能夠?qū)σ蟊容^高的供電系統(tǒng)提供不間斷的供電。該系統(tǒng)電氣裝置的外露可導(dǎo)電部位直接與大地連接。但是供電電源的帶電部分不直接連接大地，其原理圖具體見(jiàn)圖1。

圖1 IT系統(tǒng)原理圖

IT系統(tǒng)的電源端不進(jìn)行系統(tǒng)接地，由于系統(tǒng)沒(méi)有故障電流返回電源的通路，因此在第一次發(fā)生接地故障時(shí)，兩非故障相對(duì)地電容電流的向量和即為故障電流。由于故障電流的數(shù)值非常小，所以在接地電阻Rb上產(chǎn)生的對(duì)地故障電壓不會(huì)導(dǎo)致電擊事故的發(fā)生。當(dāng)?shù)谝淮谓拥毓收习l(fā)生的時(shí)候無(wú)需切斷電源，因此不會(huì)造成供電中斷的現(xiàn)象。但是IT系統(tǒng)不能提供220 V電源用于控制或照明等，一般不引出中心性線。

2.2 隔離變壓器的性能指標(biāo)及其應(yīng)用

在GB19212.16-2005《電力變壓器供電單元及類似器件的安全》中明確提出了醫(yī)療場(chǎng)所供電隔離變壓器的要求。首先，醫(yī)療場(chǎng)所供電隔離變壓器的額定電壓必須在250 V以下，變比為1：1；其次醫(yī)療場(chǎng)所供電隔離變壓器的電容量在0.5 kVA到10 kVA之間；第三，醫(yī)療場(chǎng)所供電隔離變壓器的繞組耐受電壓為3 kV/min；第四，醫(yī)療場(chǎng)所供電隔離變壓器空載繞組對(duì)地泄漏電流必須要在0.5 mA以下；第五，醫(yī)療場(chǎng)所供電隔離變壓器繞組之間必須要有可靠的屏蔽層；第六，醫(yī)療場(chǎng)所供電隔離變壓器必須要有配套的溫度監(jiān)控裝置。

2.3 絕緣檢測(cè)器

由于IT系統(tǒng)的絕緣下降過(guò)程非常的緩慢，因此為了避免形成接地故障，必須要對(duì)系列的絕緣情況隨時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，其原理圖如圖2所示。

圖2 絕緣系統(tǒng)檢測(cè)原理圖

IT系統(tǒng)對(duì)絕緣檢測(cè)做出了如下的要求：首先，系統(tǒng)的交流內(nèi)阻必須要在100 kΩ以上；其次，系統(tǒng)的測(cè)試電壓必須要在DC25V以下；第三，系統(tǒng)的注入電流峰值必須要控制在1 mA以下；第四，如果系統(tǒng)絕緣在50 kΩ以下，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 配電系統(tǒng)及供電電源設(shè)計(jì)

根據(jù)《民規(guī)》中的相關(guān)規(guī)定，醫(yī)院中涉及患者生命安全的ICU、重要手術(shù)室等場(chǎng)所的照明用電及設(shè)備，如呼吸機(jī)等為一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷，其應(yīng)急電源方式必須要符合如下要求：

首先， EPS電源供電恢復(fù)時(shí)間應(yīng)該在0.5 s以內(nèi)。

其次，當(dāng)采用計(jì)算機(jī)對(duì)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的時(shí)候，UPS電源的供電恢復(fù)時(shí)間必須要低于1個(gè)周波。

第三，根據(jù)《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求可以將柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，應(yīng)急電源的自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)間不得超過(guò)1 min，因此一般情況下柴油發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)時(shí)間為30 s。電源及供電措施應(yīng)根據(jù)供電自動(dòng)恢復(fù)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行確定和采取。

1)供電自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間在0.5 s以內(nèi)：可采用兩路契約容量100%的10 kV電源供電，ATSE運(yùn)作的時(shí)間即為供電恢復(fù)的時(shí)間，不需要進(jìn)行母聯(lián)轉(zhuǎn)換即可滿足供電自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間在0.5 s以內(nèi)的要求。

2)供電自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間0.5

3)供電自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間大于15 s：柴油發(fā)電機(jī)組或電源手動(dòng)投入。

案例：EPS做為應(yīng)急電源，發(fā)電機(jī)組做備用電源，一路電源供電，具體見(jiàn)圖3。

圖3 案例示意圖

3.2 手術(shù)室供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

醫(yī)院手術(shù)室主接線應(yīng)該具備一定的安全性與可靠性，屬于一級(jí)用電負(fù)荷。由于大電力網(wǎng)在主網(wǎng)上是并網(wǎng)的，因此必須要采取應(yīng)急電源方案。低壓配電由配電中心低壓配電室、手術(shù)部配電室、手術(shù)室專用配電箱等三級(jí)配電系統(tǒng)組成，配電級(jí)數(shù)一般不超過(guò)三級(jí)。如果變電所在建筑物的內(nèi)部，手術(shù)部電源由建筑物內(nèi)的變電所配出；如果變電所位于建筑物的外部，手術(shù)部的電源則由總配電室配出。

以某醫(yī)院手術(shù)部門配電室為例，手術(shù)部配電間置于非潔凈區(qū)，并采用獨(dú)立回路敷設(shè)，由配電間向各個(gè)潔凈手術(shù)室供電，各個(gè)手術(shù)室均在室外的外廊側(cè)墻內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的專用配電箱，配電箱不得設(shè)置于手術(shù)室內(nèi)部。建筑物內(nèi)設(shè)置了手術(shù)部EPS(UPS)房間和總配電柜房間，由于IT系統(tǒng)整體配電柜的體積比較大，在手術(shù)室采用IT系統(tǒng)時(shí)，無(wú)法安裝在墻內(nèi)，因此必須要在靠近IT系統(tǒng)手術(shù)室的位置設(shè)置專門的小配電間，每個(gè)配電箱的容量均在8到10 kVA。

1)潔凈手術(shù)室的室內(nèi)照明燈具必須要設(shè)置在送風(fēng)口外面，采用嵌入式密封燈帶。

2)潔凈手術(shù)室內(nèi)電源設(shè)置適用于手術(shù)室、附屬用房的TN系統(tǒng)供電的漏電檢測(cè)報(bào)警裝置，也可以在手術(shù)部門設(shè)置只報(bào)警不斷電的RCD小型的漏電報(bào)警系統(tǒng)。

潔凈手術(shù)室單流向潔凈手術(shù)室內(nèi)不允許有強(qiáng)烈的反光，只允許在全室單流向的情況下在過(guò)濾邊框設(shè)置單管燈，氣流在室內(nèi)不循環(huán)，室內(nèi)氣流上送風(fēng)下回風(fēng)，大型以上的手術(shù)室照度均勻度在0.7以上。

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，如果兩個(gè)手術(shù)室共用一個(gè)IT系統(tǒng)，在進(jìn)行心臟手術(shù)的時(shí)候，當(dāng)有一個(gè)接地故障發(fā)生的時(shí)候，設(shè)備的故障電流應(yīng)該在50 μA以下，設(shè)備正常的泄漏電流必須在10 μA以下。如果通過(guò)患者心臟的電流大于50 μA，則很有可能造成患者的死亡。為了對(duì)故障電流加以控制，需要將一臺(tái)1：1的隔離變壓器安裝在手術(shù)室內(nèi)。隔離變壓器的二次回路通過(guò)IT系統(tǒng)進(jìn)行供電，不需要接地。當(dāng)設(shè)備發(fā)生接地故障的時(shí)候，故障電流僅為一小段非故障線段的對(duì)地電容電流Ic。用于患者環(huán)境內(nèi)的醫(yī)療電氣設(shè)備及維持患者生命的其他外科手術(shù)同樣也應(yīng)該通過(guò)IT系統(tǒng)供電，以確保患者的安全，滿足發(fā)生一個(gè)接地故障時(shí)的泄漏電流低于50 μA的要求。

為了保證醫(yī)務(wù)人員能夠?qū)ο到y(tǒng)的絕緣狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還應(yīng)該在適當(dāng)位置上配備與絕緣監(jiān)視器配套的聲光信號(hào)設(shè)備，配套聲光信號(hào)如下：首先，用綠色的信號(hào)燈表示系列正常；其次，如果系統(tǒng)的絕緣值已經(jīng)下降到了最低狀態(tài)時(shí)，用一個(gè)黃色的信號(hào)燈表示，且信號(hào)燈在設(shè)備恢復(fù)到正常情況之前，即故障排除之前始終處于亮起狀態(tài)；第三，當(dāng)IT系統(tǒng)的絕緣電阻值已經(jīng)下降到了最低狀態(tài)時(shí)，用一個(gè)報(bào)警聲響信號(hào)表示，該聲響信號(hào)可以解除。具體如圖4所示。

圖4 案例示意圖

3.3 Smart Panels智能配電系統(tǒng)

Smart Panels智能配電系統(tǒng)是施耐德EcoStruxure架構(gòu)在配電領(lǐng)域的智能化應(yīng)用方案， Smart Panels智能配電系統(tǒng)將網(wǎng)關(guān)、電力儀表、微斷、塑殼、低壓框架有機(jī)的融合為一體，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)分析管理和能耗監(jiān)測(cè)的功能，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表的信息進(jìn)行有效的收集，該系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立的專家應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電系統(tǒng)故障的診斷與預(yù)警。圖5為Smart Panels構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖5 Smart Panels智能配電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.4 醫(yī)院的等電位聯(lián)結(jié)和接地系統(tǒng)

《民規(guī)》規(guī)定，如果醫(yī)院采用的系統(tǒng)，則接地不允許出現(xiàn)PEN，而是應(yīng)該采用TN-S系統(tǒng)。并在治療室內(nèi)做一個(gè)局部等電位聯(lián)結(jié)，該局部等電位聯(lián)結(jié)設(shè)置在ICU等離手術(shù)臺(tái)高度為2.5 m、周邊1.5 m的范圍內(nèi)。需要說(shuō)明的是在做局部等電位時(shí)，TN-S系統(tǒng)與IT系統(tǒng)共用同一個(gè)接地保護(hù)裝置，二者的PE線應(yīng)該連接到同一個(gè)LEB端子上。

醫(yī)療電子設(shè)備應(yīng)該采用公用接地，接地電阻必須要低于4 Ω；單獨(dú)接地的接地極與建筑物之間的距離應(yīng)該大于10 m；電子線路為信號(hào)接地提供電位參考點(diǎn)，低阻抗的泄放通路由高頻干擾信號(hào)提供；設(shè)備數(shù)量較少且f<30 kHz的機(jī)房可采用多點(diǎn)式(M型)單點(diǎn)式接地；設(shè)備數(shù)量較多且f>300 kHz的機(jī)房可采用多點(diǎn)與單點(diǎn)相結(jié)合式多點(diǎn)式接地。

《民規(guī)》對(duì)單點(diǎn)接地所做的要求如圖6所示；《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》潔凈手術(shù)部規(guī)范對(duì)單點(diǎn)接地所做的“醫(yī)療儀器應(yīng)采用專用接地系統(tǒng)”的要求如圖7所示。

圖6 《民規(guī)》要求的單點(diǎn)接地

圖7 《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》中單點(diǎn)接地

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)Smart Panels智能配電系統(tǒng)在某醫(yī)院一段時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，系統(tǒng)能夠按照建設(shè)預(yù)算和黃花的重要性進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)了對(duì)醫(yī)院配電系統(tǒng)的智能化控制，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

首先，更加貼近醫(yī)院的管理流程。該系統(tǒng)不僅包含了原有的能將監(jiān)控功能，同時(shí)還在運(yùn)維管理、后勤管理和電氣資產(chǎn)管理等功能上作了延伸，從而與醫(yī)院日常管理的工作流程更加貼近。

其次，有效運(yùn)維。一方面達(dá)到了快速恢復(fù)供電和縮短斷電時(shí)間的目的；一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備運(yùn)維的精細(xì)化管理，大幅降低了斷電故障發(fā)生的機(jī)率。

第三，減員增效。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，大幅降低了運(yùn)行成本；另外，系統(tǒng)通過(guò)分級(jí)管理，可以將故障信息及處理結(jié)果及時(shí)的反饋給管理層。

第四，提升了可靠性和安全性。該系統(tǒng)提供了恢復(fù)故障建議，增加了開(kāi)關(guān)本身故障的檢測(cè)，保證了運(yùn)維人員的安全，提高了安全性，通過(guò)上下級(jí)選擇性減少了停電范圍，防止越級(jí)跳閘。

第五，應(yīng)用場(chǎng)景靈活。為局部組網(wǎng)提供了一個(gè)比較高的性價(jià)比選擇，實(shí)現(xiàn)了電氣資產(chǎn)和運(yùn)維管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

醫(yī)院配電系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)關(guān)乎患者的生命與健康安全，為醫(yī)院安全、高效的運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障。在對(duì)醫(yī)院配電系統(tǒng)的管理過(guò)程中，注重智能化管理手段的運(yùn)用，不僅能夠?yàn)獒t(yī)院電力系統(tǒng)的暢通提供了基礎(chǔ)性的保障，同時(shí)也能夠及時(shí)的反饋各種信息，確保醫(yī)患雙方的安全。