淺談醫用IT隔離電源在手術(shù)室供配電系統設計中的應用

【摘要】結合新修訂的國標圖集19D706-2《醫療建筑電氣設計與安裝》，對手術(shù)部、手術(shù)室的定義及設計中需參考的規范進(jìn)行梳理，提出多種手術(shù)室供配電系統解決方案，同時(shí)對手術(shù)室供配電系統中的IT系統設計、UPS選型等重點(diǎn)及難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】2類(lèi)醫療場(chǎng)所；IT系統；微電擊；患者區域；在線(xiàn)式工頻UPS；潔凈手術(shù)部；自動(dòng)恢復供電時(shí)間；接地故障

1概述

潔凈手術(shù)部的英文全稱(chēng)是Clean Operating Department，是由潔凈手術(shù)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獨立功能區域。潔凈手術(shù)室的英文全稱(chēng)是CleanOperating Room，是采用空氣凈化技術(shù)，把手術(shù)環(huán)境空氣中的微生物粒子及微?？偭拷档皆试S水平的手術(shù)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(shù)室對供電安全性、可靠性要求。

國標圖集19D706-2《醫療建筑電氣設計與安裝》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《圖集》）16頁(yè)對手術(shù)部供電列舉了3種常用的示例；56~59頁(yè)對手術(shù)室配電列舉了2種常用的示例，同時(shí)對手術(shù)室電氣平面布置、手術(shù)室專(zhuān)用插座箱進(jìn)行示例；74~75頁(yè)對手術(shù)部、手術(shù)室配電系統進(jìn)行示例；128頁(yè)、137頁(yè)、144頁(yè)從產(chǎn)品選用角度提出了手術(shù)室配電系統的解決方案。為了讓電氣設計人員更有效地參考《圖集》內容，有必要對手術(shù)室供配電系統進(jìn)行更詳細的分析。

2手術(shù)室供配電系統設計

2.1參考規范

手術(shù)室電氣設計常用的設計規范有：

a．JGJ 312-2013《醫療建筑電氣設計規范》；

b．GB 51039-2014《綜合醫院建筑設計規范》；

c．GB 50333-2013《醫院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規范》；

d．GB 50052-2009《供配電系統設計規范》；

e．GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710：

2002《建筑物電氣裝置第7-710部分：特殊裝置或場(chǎng)所的要求醫療場(chǎng)所》。國內與醫院電氣設計有關(guān)的規范，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(jiàn)稿，建議大家予以關(guān)注。

2.2負荷分級、醫療場(chǎng)所類(lèi)別及電源選擇

2.2.1負荷分級

JGJ 312-2013表4.2.1中規定，二級以上醫院手術(shù)室、術(shù)前準備室、術(shù)后恢復室、麻醉室、心血管造影檢查室等場(chǎng)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(shù)室用電負荷等級如表1所示。

2.2.2醫療場(chǎng)所類(lèi)別

GB 51039-2014及GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710：2002對醫療場(chǎng)所的分類(lèi)如下：

a．0類(lèi)：不使用醫療電氣設備接觸部件的醫療場(chǎng)所；

b．1類(lèi)：醫療電氣設備接觸部件需要與患者體表、體內（除2類(lèi)醫療場(chǎng)所所述部位以外）接觸的醫療場(chǎng)所；

c．2類(lèi)：醫療電氣設備接觸部件需要與患者體內（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療場(chǎng)所［2-3］。

醫療場(chǎng)所類(lèi)別劃分中手術(shù)室屬于2類(lèi)醫療場(chǎng)所，手術(shù)室內涉及生命安全的電氣設備及照明自動(dòng)恢復供電時(shí)間t≤0.5 s，不涉及的要求自動(dòng)恢復供電時(shí)間0.5 s<t≤15 s。手術(shù)部?jì)雀麽t療場(chǎng)所的類(lèi)別劃分與要求自動(dòng)恢復供電的時(shí)間如表2所示。

關(guān)于2類(lèi)醫療場(chǎng)所，從其定義可知重點(diǎn)強調兩個(gè)方面：

a．微電擊：心臟或接近心臟部位，其關(guān)注點(diǎn)是“微電擊"。按IEC標準，進(jìn)行心臟手術(shù)的醫療電氣設備正常泄漏電流不得大于10μA，當發(fā)生一個(gè)接地故障時(shí)，其故障電流不得大于50μA。因通過(guò)人體心臟的電流如果超過(guò)50μA就可能導致心室纖顫而死亡，被稱(chēng)作微電擊致死［4］。

b．供電可靠性：電源中斷危及患者生命，強調的是中斷供電帶來(lái)的嚴重后果。

2.2.3電源選擇

JGJ 312-2013第3.0.3條規定：要求恢復供電時(shí)間小于或等于0.5 s時(shí)，自備備用電源供電維持時(shí)間不應小于3 h［1］。

GB 50333-2013對潔凈手術(shù)部供電要求如下：

a．第11.1.2條：潔凈手術(shù)部應采用獨立雙路電源供電［5］；

b．第11.1.3條：有生命支持電氣設備的潔凈手術(shù)室要設置應急電源。自動(dòng)恢復供電時(shí)間應符合下列要求：①生命支持電氣設備應能實(shí)現在線(xiàn)切換。②非治療場(chǎng)所和設備應小于等于15 s。③應急電源工作時(shí)間不應小于30 min［5］。

綜合負荷分級、醫療場(chǎng)所類(lèi)別以及自動(dòng)恢復供電時(shí)間等相關(guān)要求，二級以上醫院手術(shù)部供電應采用獨立雙路電源供電+柴油發(fā)電機的供電方式。

手術(shù)部?jì)葘τ谝笞詣?dòng)恢復供電時(shí)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(shí)間不小于30 min。對于要求自動(dòng)恢復供電時(shí)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醫療建筑用電負荷分級

表2醫療場(chǎng)所及設施的類(lèi)別劃分與要求自動(dòng)恢復供電的時(shí)間

注：（a）指的是涉及生命安全的電氣設備及照明。

2.3手術(shù)部整體供配電方案比較

手術(shù)部供電系統按UPS設置位置劃分，可分為集中式和分布式，按IT系統與非IT（TN-S）系統的組合方式劃分，可分為共用配電箱及分設配電箱方式。以下列舉常見(jiàn)的5種手術(shù)部供配電方案：

方案一：手術(shù)部集中設UPS，IT系統與非IT系統共用配電箱方案，結構示意如圖1所示。

方案二：手術(shù)室分布設UPS（總箱），IT系統與非IT系統共用配電箱方案，結構示意如圖2、圖3所示。

方案三：手術(shù)室分布設UPS（IT系統），IT系統與非IT系統共用配電箱方案，結構示意如圖4、圖5所示。

方案四：手術(shù)部集中設UPS，IT系統與非IT系統分設配電箱方案，結構示意如圖6所示。

方案五：手術(shù)部集中設UPS（IT系統），IT系統與非IT系統分設配電箱方案，結構示意如圖7所示。

手術(shù)部供電方案分析：

a．集中式UPS：適用于大型手術(shù)部的手術(shù)室，可適當考慮同時(shí)使用系數，UPS總安裝容量小，經(jīng)濟性好。獨立設置的UPS間，可設置機房空調，有利于散熱、巡視、檢修、降噪等，進(jìn)一步增加了供電可圖1手術(shù)部集中設UPS，IT系統與非IT系統共用配電箱方案靠性。弊端是當UPS故障時(shí)，受影響區域較大。

方案一、方案四、方案五均為集中式UPS系統。

方案一、方案四將手術(shù)部全部負荷納入UPS供電，提高了整個(gè)手術(shù)部的供電可靠性，但同時(shí)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院建設中使用。方案五僅將手術(shù)部IT系統及1類(lèi)場(chǎng)所納入UPS供電，既保證了供電可靠性，又體現出很高的經(jīng)濟性，因此該方案在手術(shù)部的供配電設計中被廣泛使用。

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

圖3手術(shù)室分布設UPS（總箱），IT系統與非IT系統共用配電箱方案Ⅱ

b．分布式UPS：專(zhuān)用配電箱一對一配置UPS，供電可靠性高，單臺UPS故障時(shí)不影響其它手術(shù)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監控系統，對運行參數及電池狀態(tài)進(jìn)行遠程監控。

方案二、方案三為分布式UPS系統。方案二將手術(shù)室全部負荷納入UPS供電，提高了手術(shù)室的供電可靠性，但同時(shí)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院建設中使用。方案三僅將手術(shù)室IT系統納入UPS供電，既保證了供電可靠性，又體現出很高的經(jīng)濟性，此方案也是手術(shù)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(shí)演化出手術(shù)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系統與非IT系統分別設置配電箱：把手術(shù)室內治療與非治療用電分開(kāi)，是降低投資、降低三相不平衡因素的有效措施，可進(jìn)一步增強安全系數。手術(shù)部的供配電設計可根據工程實(shí)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(shí)，需重點(diǎn)注意三相平衡的問(wèn)題。手術(shù)部通常設有多間手術(shù)室，而IT系統為單相負荷，嚴重三相不平衡時(shí)會(huì )導致斷路器跳閘，設計時(shí)應注明每間手術(shù)室IT系統的相序，確保手術(shù)部整體三相平衡。

圖4手術(shù)室分布設UPS（IT系統），IT系統與非IT系統共用配電箱方案Ⅰ

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

2.4手術(shù)室配電系統設計

《圖集》選用了2種典型的手術(shù)室配電系統方案。56頁(yè)為手術(shù)室IT系統與非IT系統分設配電箱方案，結構示意如圖8所示。57頁(yè)為IT系統與非IT系統，結構示意如圖9所示。2個(gè)典型的手術(shù)室配電系統方案，可與2.3節中不同的手術(shù)部供配電方案配合使用。

需要注意，醫療場(chǎng)所局部IT系統隔離變壓器的一次側與二次側設置短路保護，不設置動(dòng)作于切斷電源的過(guò)負荷保護。過(guò)負荷的后果是劣化絕緣，并不直接引起電氣災害，因此沒(méi)必要因為過(guò)負荷而切斷IT系統供電電源。

圖6手術(shù)部集中設UPS，IT系統與非IT系統分設配電箱方案共用配電箱方案

1類(lèi)和2類(lèi)醫療場(chǎng)所應選擇安裝A型或B型剩余電流保護器。常規建筑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(jìn)行剩余電流保護。A型RCD在A(yíng)C型功能的基礎上，增加脈動(dòng)直流保護；B型RCD在A(yíng)C型功能的基礎上，增加脈動(dòng)直流保護及直流保護。

3手術(shù)室供配電系統設計重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題分析

3.1 IT系統設計要點(diǎn)

3.1.1何處設置

根據JGJ 312-2013第5.4.4條：2類(lèi)醫療場(chǎng)所除手術(shù)臺驅動(dòng)機構、X射線(xiàn)設備、額定容量超過(guò)5 kVA的設備、非生命支持系統的電氣設備外，用于維持生命、外科手術(shù)、重癥患者的實(shí)時(shí)監控和其他位于患者區域的醫療電氣設備及系統的回路，均應采用醫療場(chǎng)所局部IT系統供電［1］。

3.1.2患者區域

在醫院的2類(lèi)醫療場(chǎng)所內離手術(shù)臺周邊水平距離1.5 m，高度為2.5 m內的區域被稱(chēng)為“患者區域"，如圖10所示。根據IT系統設置要求及“患者區域"的示意圖可知，手術(shù)室內的吊塔、治療用電插座箱、無(wú)影燈應納入IT系統供電。手術(shù)室照明、中央情報面板等與“微電擊"無(wú)關(guān)，可不納入IT系統供電，但為保證其供電連續性，建議納入UPS供電。

圖7手術(shù)部集中設UPS（IT系統），IT系統與非IT系統分設配電箱方案

圖8 IT系統與非IT系統分設配電箱方案

圖9 IT系統與非IT系統共用配電箱方案

3.1.3接地故障分析

IT系統電源端不做系統接地，只做保護接地。其接地故障示意圖，如圖11所示。

通過(guò)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(xiàn)上，并設置輔助等電位聯(lián)結。當出現接地故障時(shí)，故障電流僅為流過(guò)自隔離變壓器到手術(shù)設備之間一小段非故障線(xiàn)段極小的對地電容電流，不大于50μA。因此故障時(shí)可以不切斷電源，使電氣設備繼續運行，并可通過(guò)絕緣監測裝置發(fā)出報警并及時(shí)消除故障，大大提高了系統供電的可靠性。醫用IT系統需與絕緣故障監測裝置配合使用，當絕緣電阻值降至50 kΩ時(shí)發(fā)出報警，聲光報警裝置設置在護士站等便于監視的場(chǎng)所。第一次接地故障時(shí)，IT系統實(shí)際變成了TN系統運行，不切斷電源。但是如果不及時(shí)排除故障，當發(fā)生第二次接地故障時(shí)，相當于TN系統接地短路，斷路器動(dòng)作［7］。

圖10“患者區域"示意圖

采用醫用IT系統，電氣設備的正常泄漏電流值小于10μA，發(fā)生第一個(gè)接地故障時(shí)，故障電流值小于50μA，不會(huì )對手術(shù)患者產(chǎn)生“微電擊"；同時(shí)，發(fā)生第一個(gè)接地故障時(shí)，絕緣監測裝置僅發(fā)出報警并不切斷電源，可充分保證生命支持系統的電氣設備持續供電，從而保證手術(shù)室的用電安全。

3.2 UPS選型

依據電路結構的不同，UPS主要分為后備式UPS、互動(dòng)式UPS、在線(xiàn)式UPS 3種：

圖11 IT系統接地故障示意圖

a.后備式UPS和互動(dòng)式UPS結構類(lèi)似，市電供電時(shí)逆變器不工作，切換到蓄電池供電時(shí)，將有4 ms左右的逆變器轉換延時(shí)時(shí)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(xiàn)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(dòng)、頻率漂移等電能質(zhì)量問(wèn)題，真正實(shí)現了對負載的穩壓、穩頻、不間斷供電，且在市電和蓄電池間的轉換時(shí)間為零。因此，在線(xiàn)式UPS在醫療、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(diǎn)類(lèi)型［8］。

按常用產(chǎn)品分類(lèi)，UPS可分為工頻UPS、高頻UPS：

a．高頻機與工頻機*大的區別是使用IGBT替代晶閘管整流，無(wú)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、可靠穩定的電源供給。

JGJ 312-2013第4.4.6條規定：要求中斷供電時(shí)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(xiàn)式。TN-S系統中的不間斷電源裝置（UPS）輸出端為三相時(shí)，應加裝三相隔離變壓器并做重復接地。GB 50333-2013第11.1.3條：有生命支持電氣設備的潔凈手術(shù)室要設置應急電源。自動(dòng)恢復供電時(shí)間應符合下列要求：生命支持電氣設備應能實(shí)現在線(xiàn)切換。結合規范要求及UPS結構特點(diǎn)，建議手術(shù)室設計采用在線(xiàn)式工頻UPS。

圖12在線(xiàn)式UPS結構示意

圖13工頻UPS結構示意

4醫用隔離電源監控系統的選型與應用

4.1概述

隨著(zhù)電子醫療設備在醫院領(lǐng)域的廣泛應用，漏電流對病人構成的威脅也越來(lái)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，微小的漏電流都有可能導致病人觸電身亡。另外有些醫療設備用于維持重癥病人的生命，一旦設備停電，也會(huì )對病人的生命構成威脅。因此，對于醫療這一特殊場(chǎng)所的電氣設計，應嚴格按照國家標準和規范進(jìn)行。安科瑞醫用IT系統絕緣監測故障定位裝置及系統適用于醫院的手術(shù)室、ICU(CCU)監護病房等重要場(chǎng)所，能為這類(lèi)場(chǎng)所提供安全、連續、可靠的供電解決方案。

4.2應用場(chǎng)所

適用于醫院的手術(shù)室、各類(lèi)重癥監護室、搶救室、內窺鏡室及造影室等醫療二類(lèi)場(chǎng)所的醫用隔離電源系統的遠程監控及自動(dòng)化。

4.3系統架構

4.4系統功能

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

一次圖和現場(chǎng)分布顯示

系統具有一次圖及現場(chǎng)分布圖顯示功能，能直觀(guān)的了解并及時(shí)地發(fā)現IT供電系統的報警地點(diǎn)或區域，從而方便專(zhuān)業(yè)人員及時(shí)到達現場(chǎng)進(jìn)行故障排查；

實(shí)時(shí)數據采集與顯示

利用安裝于各IT配電系統中絕緣監測儀表和絕緣故障定位儀表，采集各隔離電源系統的參數。采集到的數據實(shí)時(shí)顯示在監控系統界面，這些監測參量含IT系統對地絕緣電阻、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配電系統出現的各類(lèi)故障，如絕緣故障、過(guò)載故障、超溫故障以及接線(xiàn)斷線(xiàn)故障等信息進(jìn)行統一處理和記錄，并可直接在顯示界面上彈出顯示故障類(lèi)型、監測值、故障地點(diǎn)以及故障發(fā)生時(shí)間等信息。同時(shí)啟動(dòng)監控系統的聲光報警系統，及時(shí)提醒相關(guān)人員，進(jìn)行故障處理。其中，聲音報警信號可被手動(dòng)消除。

遠程參數設置和查詢(xún)

通過(guò)系統，可根據要求遠程調整和設置各IT配電系統中絕緣監測儀的各類(lèi)報警參數閾值，也可以任意查看這些報警參數值。參數包括絕緣報警值、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

系統可以以曲線(xiàn)的形式，顯示各IT配電系統的絕緣狀況、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的運行變化情況，有針對性的對某些系統進(jìn)行維護和保養。

4.5安科瑞產(chǎn)品功能和技術(shù)參數

5結語(yǔ)

手術(shù)室供配電系統設計不同于一般場(chǎng)所的設計要配電系統復雜，對電源安全性、可靠性要求更高，需要電氣設計人員對國家相關(guān)規范及IEC標準有透徹的理解，更需要大家不斷學(xué)習、交流、探討，更新知識，了解*新產(chǎn)品及技術(shù)的發(fā)展，為醫院提供優(yōu)質(zhì)的手術(shù)室供配電系統設計，更好地保障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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