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技術文章

淺談醫用IT隔離電源系統在醫療場所的應用及設計

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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:結合某工程設計實例對IT系統特點、構成及醫療IT系統相關規范要求進行了詳細闡述,并提供了醫療IT系統的工程設計經驗,旨在推動醫療IT系統的發展。

關鍵詞:醫療IT系統,隔離變壓器,絕緣監測,電擊

隨著電子工業與醫療技術的發展,越來越多的醫療電氣設備介入到患者診斷、治療過程中,而供配電系統的型式選擇與低壓電氣設備可靠運行以及醫護人員和患者人身安全密切相關,因此須根據醫療場所實際情況合理選擇供配電系統型式。

 

1 概述

 

當人遭受工頻交流電擊時可能受到不同程度的傷害,例如灼傷、肌肉麻痹、停止呼吸、心室纖維性顫動等。

根據 GB/T 13870.1—2008電流通過人體的效應一部分:通用部分表11圖20可知接地故障電流持續時間 0.1S且不大于50mA,接地故障電流路徑是一手到雙腳,此時流經人體的接地故障電流使人產生不自主肌肉收縮,但通常沒有有害的電生理學效應;當故障路徑是胸膛至左手時,若使故障電流不對人產生傷害,要求故障電流不大于33mA。

因此故障電流路徑不一樣,若使故障電流不對人造成傷害,要求故障電流限值也不同。此外,如果漏電斷路器保護動作時間大于0.1S,即故障電流持續時間大于0.1S,要求故障電流限值更小才能保證不對人產生傷害。

電擊對人造成嚴重傷害的是微電擊。當故障電流路徑不經過人體皮膚阻抗而流進心臟組織內部的電流所引起的人體電流效應就是微電擊。例如手術時體外醫用電子器件直接接觸人體內部組織、器官。10μA~50μA或者50mV(距離心臟越近閾值越低)的微電擊即可引發致命的心室顫動。

通常情況下,醫療電氣設備220V電源就近引自插座或配電箱預留回路,這些回路漏電斷路器的額定剩余電流一般為30mA,無法滿足此情況下的電擊安全防護要求。

 

2 IT 系統簡介

 

2.1 IT 系統定義

GB 14050—2008系統接地的型式及安全技術要求對IT系統的定義是:電源端的帶電部分不接地或有一點通過阻抗接地,電氣裝置的外露可導電部分直接接地。IT系統的系統圖參見圖1。

圖1 IT系統示意圖

2.2 IT 系統特點

1) IT系統電源端無接地的中性線或經過阻抗接地,單相接地故障情況下通過非故障相的對地電容形成接地故障電流回路,接地故障電流很小,接地故障電壓Uf很低,可帶故障持續運行,供電連續性及安全性高。

IT系統具有預防性、修復性的特點。

在絕緣下降但未出線接地故障時,通過監測供電線路對地絕緣變化情況,在一次接地故障發生前及時處理隱患。

即使一次接地故障隱患未處理,其發生后并不會對系統運行造成危害。但一次接地故障發生后并未處理,又發生二次接地故障時要求切斷供電電源。因此,二次接地故障發生前發現并處理一次接地故障,以確保故障點對地電壓及故障電流不會對人員造成傷害。IT系統故障電壓計算可參見 GB/T 16895.10—2010低壓電氣裝置第4-44部分:安全防護電壓騷擾和電磁騷擾防護表44.A1中Uf值。IT系統Uf值更完整內容參見GB 16895.11—2001電氣裝置對暫時過電壓和高壓系統與地之間的故障的防護圖44D至圖44K。2)IT系統不同于常見的TN,TT系統,其系統特性決定須設置對地漏電流監測裝置,工礦企業660V的IT系統常用漏電繼電器,醫療場所IT系統常用絕緣監測器(IMD) 。

 

3 IT 系統在醫療場所的應用

 

3.1 國內外背景

、國內均有關于手術室、ICU,CCU等醫療場所配電系統的相關規范。目的就是為了確保醫療場所用電的安全性、可靠性,見表1。

國外IT系統應用更為成熟及廣泛,我國IT系統僅應用于10kV及35kV的高壓系統和礦山、井下的某些低壓。

3.2 國內相關規范要求及應用

GB 16895.24—2005建筑物電氣裝置第7-710部分: 特殊裝置或場所的要求 醫療場所、JGJ 16—2008民用建筑電氣設計規范和JGJ 312—2013醫療建筑電氣設計規范均對醫療場所進行了分類: 醫療場所分為0類場所、1類場所和2類場所。其中0類場所、1類場所醫療電氣設備不接觸患者、接觸軀體外部或斷電不危及生命的非重要治療場所。2 類場所為醫療電氣設備接觸部件用于諸如心內診療室、手術室及斷電危及生命的重要治療場所。具體醫療場所內各個功能房間的類別劃分詳見JGJ 312—2013醫療建筑電氣設計規范表3.0.2。

 0類場所及1類場所可以采用TN-S系統供電。但應滿足電擊安全防護相關要求,具體參見GB 50054—2011第5節相關內容。

JGJ 16—2008民用建筑電氣設計規范明確規定: 2類場所內用于維持生命、外科手術和其他位于“患者區域”內的醫用電氣設備和系統的供電回路,均應采用醫療IT系統。JGJ 312—2013醫療建筑電氣設計規范也有類似要求。

JGJ 16—2008民用建筑電氣設計規范明確規定:醫療用途相同且相鄰的一個或幾個房間內,至少應設置一個獨立的醫療場所局部IT系統,除只有一臺設備并由單臺的醫療場所局部IT 隔離變壓器供電外,每個房間應配置絕緣故障監測裝置,且應符合下列規定: 交流內阻不應小于100kΩ;測量電壓不應超過直流25V; 測試電流在故障條件下峰值不應大于1mA; 應設置絕緣故障報警,在絕緣電阻遲降至50kΩ時應能報警、顯示,并應配置試驗設施。醫療IT變壓器應裝設過負荷和過熱的監測裝置。

實際應用中,一般是一間手術室設一臺隔離變壓器及一套絕緣監測系統,這樣發生絕緣故障的范圍小,便于手動查找和維護。面積較大的2類場所可選用帶自動定位功能的漏電監測系統。目前我國醫療IT系統電壓還是以220V為主。主要原因是術室接觸設備負荷不大,220V能滿足用電需求。380V的IT系統發生單相接地故障時非故障相電壓升高為正常電壓1.732倍,由此會帶來設備、線纜的耐壓問題、安全問題,故380V較220V的IT系統很少使用。此問題GB 16895.24及相關文獻也有描述。

目前醫療場所配電系統絕大多數是以TN-S配電系統為主,個別2類場所通過隔離變壓器采用局部醫療IT系統。GB 50333—2013潔凈手術部建筑技術規范11.1.6條要求“心臟外科手術室用電系統須設置隔離變壓器”且為強條,可見隔離變壓器作為間接接觸防護措施的有效性及重要性。

3.3 醫療 IT 系統構成

1) 隔離變壓器。隔離變壓器一次、二次線圈分別設置,內部設溫度傳感器,可將溫度信號傳至絕緣監測系統,實現超溫報警。具體要求應滿足GB 16895.24第710.512.1.6條對隔離變壓器的要求。

2) 絕緣監測系統。絕緣監測系統主要包括絕緣監測儀、報警顯示儀、電流互感器,24 V 直流電源,另外可選配絕緣故障定位儀。

3) 顯示報警單元。一般與絕緣監視儀相互通信,在絕緣故障時可發出聲光報警。

 

4 設計實例

 

4.1 工程項目背景

陽煤集團職業病防治中心大樓屬一類高層,地下1層地10層,總建筑面積13555.51m2,2 類場所包括3間手術室及5間ICU。以手術室配電系統為例進行說明。

4.2 醫療 IT 系統設計

本項目手術室獨立配電箱系統圖見圖2。

圖 2 手術室配電箱系統圖

圖中各編號說明如下:

1) 手術插座箱回路、手術室塔吊回路、中央情報控制面板回路、手術室 PC 平臺回路、備用回路。

2) 無影燈回路、手術中門燈回路、觀片燈回路、電動門回路、書寫臺燈回路、手術室照明回路、備用回路。

3) UPS,置于手術室外。

4) 醫用單相隔離變壓器,ES710。

5) 負荷監視用電流互感器。

6) 儀器電源,AN450。

  7) 絕緣監視儀,107TD47。

8) 外接報警顯示和測試儀器,MK2007CBM-CN。

9) 控制按鈕,位于中央情報控制面板。

10) 剩余電流評估儀,RCMS490-D。

本項目各個手術室、ICU面積較小,分布在不同樓層,故每間手術室及ICU分別設置獨立配電箱,嵌墻安裝于各自手術室的清潔走道內,上級電源引自本層雙電源動力箱。另外在隔離變壓器一次側增設一臺UPS柜,作為雙電源的后備電源。UPS柜在電纜井內落地安裝。所有供電線路均為低煙無鹵阻燃或低煙無鹵耐火電力電纜。

獨立配電箱采用IT系統與TN-S系統相結合的型式,手術接觸部件采用IT系統,不與患者接觸部件及手術臺電機回路采用TN-S系統。IT系統設絕緣監視器,可實現絕緣監視、負荷監視和隔離變壓器溫度監視等功能,并與報警顯示測試儀相互通信,發生接地故障時可發出聲光報警。TN-S系統設剩余電流評估儀,監控本系統內各回路漏電流情況,各回路額定剩余電流30mA,動作時間0.1S。

各手術室、ICU分別部等電位箱,局部等電位箱不與TN- S系統接地網連接,使2類場所各個單獨房間內可導電部分形成等電位,進一步降低接觸電壓,保證人身安全。

 

5 安科瑞醫用IT隔離電源系統的介紹及選型

 

5.1 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,對于醫療這一特殊場所的電氣設計,應嚴格按照國家標準和規范進行。

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。

5.2 醫用隔離電源系統

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,電氣維護人員也能在一時間內做出判斷,并根據現場情況進行處理。

系統拓撲圖

5.3 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:

■ 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;

■ 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。

■ 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。

5.4 安科瑞醫用IT系統四件套選型

醫用IT系統絕緣監測產品(四件套)包括AITR S系列醫用隔離變壓器、AIM-M10醫療智能絕緣監測儀、AKH-0.66P26電流互感器和AID系列(AID10、AID150)外接報警與顯示儀等,產品表2所示。

表2 醫用IT系統絕緣監測產品(四件套)

5 結語 

 

醫療場所內各個功能房間電氣設備供電的可靠性和安全性直接決定就診患者的生命安全,這使得電氣安全問題相比于其他場所更為重要。醫療場所如何實現更加可靠、安全的供電,應當引起廣大建筑電氣設計人員的高度重視,避免因電氣設計缺陷造成醫護人員與患者人身安全隱患。

參考文獻

[1] 王厚余.低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗[M].第3版.北京:中國電力出版社,2012: 5.

[2] 花植,談IT系統在醫療場所的應用及設計實例.

[3安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11.

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