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醫療IT隔離電源系統的設計及注意事項

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淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:在醫療場所內,對供電的可靠性和安全性要求要比一般場所高,如何實現高可靠性和安全性的配電系統?電源端帶電導體不接地的IT系統可以解決這一問題。針對醫療場所內IT系統的設計展開討論,說明了IT系統使用在醫療場所的原因,列出了醫療IT系統設計中應注意的問題。

關鍵詞:醫療IT系統    絕緣監視儀     醫療場所

0 引言

       目前,對于醫院供配電系統的可靠性和安全性要求越來越高,需要按JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規范》(以下簡稱《民規》)附錄A中醫院設備的負荷分級確定設備的負荷等級,且醫療場所內病人和醫護人員的安全以及供電的連續性非常重要。

醫療場所需要更高的電氣安全性原因:

       1)醫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比正常人遲鈍,更需要特別保護。病人在手術或插入導管時,表皮阻抗降低,電擊的危險性增大。特別是胸腔手術,人體50uA的接觸電流或50mV的接觸電壓就可致人死命。

       2)外科手術等不可以中斷,ICU房間的某些醫療設備要持續供電,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一局部的醫療IT系統來有效限制接觸電流和接觸電壓。當然,還需輔以高要求的輔助等電位聯結。對于維持生命的電氣醫療設備,即使發生單相接地故障時也不能馬上切斷電源,IT系統相對于接零保護系統(TN)、保護接地系統(IT系統)而言,可以提供不間斷的連續供電,防止突然斷電對病人生命的威脅。

1醫療場所內接地系統的選擇

       對于醫療場所的分類,根據《建筑物電氣裝置》中特殊裝置或場所的要求將醫療場所分為0類、1類和2類場所。醫療場所和醫用建筑的主配電盤出線不可以使用TN-C系統。因為在TN-C系統中,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,造成設備外露可導電部分帶電。如果PEN線斷線,外露可導電部分帶電會存在人身觸電的危險。另外,PEN線電流會對醫療設備產生電磁干擾。所以TN-C系統不適合于醫療場所內對安全性要求高的場合。

在2類醫療場所中,TN系統僅用于下列回路:手術臺驅動機構的供電電路;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的大型設備回路;不重要的電氣設備回路。IT統用于下列回路:醫療電氣設備回路;支持生命的系統回路;外科手術設備回路;其他處于“患者區域”的電氣設備回路。選擇IT系統來達到更高的可靠性和安全性的原因如表1所示。

表1 TN系統與IT系統比較

 

 

2 醫療IT系統的設計與注意事項

1. 醫療IT系統的結構

       IT系統的電源要使用獨立電源,例如:配電/隔離變壓器、發電機組、電池和UPS。通常使用較多的是隔離變壓器。圖1為醫療IT系統的結構框圖,隔離變壓器后為IT系統,IT系統內帶電導體和地之間沒有直接的連接,所有設備的外露可導電部分要與地連接。在單相IT系統中,變壓器二次側無所謂相線和 N線之分,都是帶電導體。

 

 

圖1 IT 系統結構

2.設計注意事項

(1)常用單相IT系統,慎用三相IT系統

       在GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710:2002規定:"用于移動式和固定式設備的醫療IT系統應采用單相變壓器。如果也需要通過IT系統供電給三相系統,則應采用單獨的三相變壓器供電,其輸出線電壓不應超過250V。”一般在2類醫療場所中,IT系統的負荷為照明、醫療設備,都為單相用電設備。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。但是當三相IT系統一相發生單相接地故障時,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備時要特別關注耐壓水平。目前在醫療IT系統中很少使用三相IT系統。

(2)絕緣監視儀的使用

 1)絕緣監視儀的工作原理。絕緣監視儀在連接帶電導體和地之間疊加了一個測量電壓UM,當發生絕緣故障時,絕緣故障RF產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上產生一個相應的電壓降,這個測量電阻是通過絕緣監視儀的電子電路估算的。如果UM超過特定的值(相當于絕緣電阻降到特定值),就要輸出報警信號。絕緣監視儀在發生單相接地故障時,絕緣監視儀報警。當發生第二次接地故障時(此時即為兩相短路),保護電氣設備動作,切斷電路。

 2)絕緣監視儀響應值的設定。工作原理如圖2所示。當操作絕緣監視儀的時候,要保證相關IT系統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引出線的接地電阻漏電流。絕緣監視儀的響應值應該近似按100Ω/V進行設定。如果絕緣監視儀安裝于現有系統中,建議將響應值近似按50Ω/V進行設定。提及一個值得注意的問題,絕緣監視儀會在不是真正發生絕緣故障的時候報警,這可能是由于潮濕引起的(在絕緣監視儀很長時間沒有使用的情況下)。一旦絕緣監視儀恢復到正常的工作狀態后,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所示列舉了不同國家標準對絕緣電阻響應值的要求。在設計中遵循國標的要求,當絕緣電阻降至50kΩ時,應發出報警信號。

 

圖2 絕緣監視儀工作原理

表2 不同國家標準對絕緣電阻響應值的要求

 

3)絕緣監視儀的保護。大多數絕緣監視儀都是通過兩條導線與系統相連,在原理上,絕緣監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備,過載現象不會發生,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視儀,建議用6A的熔斷器保護。

4)絕緣監視儀與地的連接。絕緣監視儀要可靠接地,否則無法對絕緣電阻進行監測。本德爾公司的絕緣監視儀需要用兩條獨立的導線連接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規定:“醫療IT系統變壓器的進出線不允許裝設過載保護,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。另外絕緣監視儀需要對變壓器的過負荷和溫度進行監視。

(4)IT系統必須配出PE線

       IT系統的本質是設備外露可導電部分要接地,所以IT柜要配出PE線。在醫療IT系統的設計中,有人提出這根PE線是否可以與TN—S系統的PE線合用,能否單獨敷設IT系統的PE線到整個建筑的MEB,經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系統合用,TN—S系統不會對IT系統產生影響。

(5)絕緣故障定位

       醫療場所的IT系統安全級別要求很高,一旦發生絕緣故障,迅速找出故障點往往是用戶比較關心的問題。這樣就需要在絕緣監視儀報警后,更快地實現故障定位。絕緣故障定位可以防止電擊、避免火災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系統內,實現在線式監測,減少人力。選擇絕緣故障定位方式,應實現既可以快速找出故障點,又可以減少投資,使用IT系統的醫療場所為手術室、ICU 和CCU等,在設計中,一般一個手術室配一個 &; 配電柜,發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)輔助等電位聯結

       從安全防護角度出發1類和2類醫療場所的輔助等電位聯結也是必需的。醫療IT系統要配以輔助等電位聯結來保證“患者區域”內不同金屬導體的電位相等。

3.安科瑞醫療IT系統的介紹及選型

3.1概述

       隨著電子醫療設備在醫院領域的廣泛應用,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,也會對病人的生命構成威脅。因此,對于醫院這一特殊場所的電氣設計,應嚴格按照國家標準和規范要求,采用IT系統供電。

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室、ICU(CCU)監護病房等重要場所,能為這類場所提供安全、連續、可靠的供電解決方案。

3.2 醫用隔離電源監控系統

       醫用隔離電源監控系統用于集中監控醫療大樓內所有醫療2類場所醫療IT系統的運行狀況。這種集中監控系統可以設置在醫院電氣運行和維護人員的值班室內,也可以集成在其它電力監控系統中,由的電氣人員進行監控,一旦某套IT系統出現故障,電氣維護人員也能馬上做出判斷,并根據現場情況進行處理。

3.2.1 系統拓撲圖

 

圖3產品拓撲圖

3.2.2軟件功能

       安科瑞醫用隔離電源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,為醫院2類場所隔離電源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圖4:

 

圖4軟件的主要功能

■ 一次圖和現場分布顯示

       系統具有一次圖及現場分布圖顯示功能,能直觀的了解并及時地發現IT的報警地點或區域,從而方便人員及時到達現場進行故障排查;

■ 實時數據采集與顯示

       利用安裝于各隔離電源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。采集到的數據實時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如圖5;

 

■ 故障報警

       將各醫用隔離電源系統出現的各類故障,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、監測值、故障地點以及故障發生時間等信息。同時啟動監控系統的聲光報警系統,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。

■ 遠程參數設置和查詢

       通過系統,可根據要求遠程調整和設置各醫用隔離電源系統中絕緣監測儀的各類報警參數閾值,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如圖6。

 

■ 圖形顯示功能:

       系統可以以曲線的形式,顯示各套隔離電源系統的絕緣狀況、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行維護和保養。

3.3 產品選型

表3 醫用 IT 系統絕緣監測及故障定位產品

 

名稱及型號

產品圖片

說明

 

 

 

 

 

AITR 系列醫用隔離變壓器

 

 

 

AITR 系列隔離變壓器于醫療 IT 系統,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,并設有靜電屏蔽屏,減少了繞組間的電磁干擾。線包內安裝了 PT100 溫度傳感器,用于監測變壓器溫度。整體采用真空浸漆處理,增加了機械強度和抗腐蝕性。產品具有很好的溫升性能和很低的噪聲。

 

 

AIM-M200 醫療智能絕緣監測儀

 

 

 

AIM-M200 醫療智能絕緣監測儀采用先進的微控制器技術,集成度高,體積小巧,安裝方便,集智能化、數字化、網絡化于一身,是手術室、重癥監護室等醫療2 類場所隔離電源系統絕緣監測的理想選擇。

 

 

 

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部,二次側通過接線柱引出,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 測試信號發生器注入系統中的信號,準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 測試信號發生器

 

ASG100 測試信號發生器采用 32 位微處理器芯片和高精度的信號產生電路,實現特定測試信號的產生。當被監測的 IT 系統出現絕緣故障時,能及時啟動并產生測試信號,配合絕緣故障定位儀實現絕緣故障定位。

 

 

 

 

DR-60-24 電源模塊

 

DR-60-24 直流穩壓電源可同時為 AIM-M200 醫用智能絕緣監測儀、ASG100 測試信號發生器、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、電壓輸出穩定、安裝方便,可滿足上述儀表的供電要求,是的電源產品。

 

 

 

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,采用自定義協議的 CAN 通訊接口與 AIM-M200 醫療智能絕緣監測儀實現數據信息交換,可實時監控多路 AIM-M200醫療智能絕緣監測儀的數據。

 

4.結束語

       醫療IT系統的可靠性和安全性決定了其設計要嚴格遵循國標的規定。對于醫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《民用建筑電氣設計規范》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,《民用建筑電氣設計規范》條文說明中的內容更詳盡,在設計中,我們要依據《民用建筑電氣設計規范》的要求進行設計。

【參考文獻】

[1] 范麗麗,醫療IT系統的設計與應用

[2] 安科瑞醫療隔離電源監控系統設計與應用圖集.2018.9版

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版

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