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淺談醫療IT系統的供電與接地設計

2020-6-18 0:04:33發布13次查看
摘 要: 本文結合某綜合醫院住院樓設計實例,探討醫療場所it系統設置要求、供電設計方案與設備選型及醫療場所it系統的接地與運用。
關鍵詞: it系統 2 類醫療場所 隔離變壓器 絕緣監視器 外接報警系統 測試單元 it系統接地
1 序言
   我國低壓配電系統的接地型式可分為tn、tt、it 三種系統,目前國內大型綜合醫院配電系統的接地形式多采用tn 系統。該系統接地故障多為金屬性短路。因故障電流較大,使斷路器等過電流保護裝置動作,造成停電。顯然tn系統不能滿足醫院中一些重要場所對不間斷供電的使用要求。同時隨著電子醫療設備在醫院領域的廣泛應用,電流對病人構成的潛在威脅也遠遠大于以前,尤其是病人在手術中或麻醉狀態下,各種電極、傳感器直接插入病人體內,如有極其微弱的漏電流直接流過病人的心臟,就會導致病人觸電身亡,在醫學上稱為微電擊。因此,醫院這一特殊場所的漏電保護及相關要求在設計規范中已非常嚴格、明確。
  通常it系統應符合下列基本要求 :
  1) 在it 系統中,所有帶電部分應對地絕緣或配電變壓器中性點應通過足夠大的阻抗接地。電氣設備外露可導電部分可單獨接地或成組地接地;
  2) 電氣設備的外露可導電部分應通過保護導體或保護接地母線、總接地端子與接地極連接 ;
  3) it系統必須裝設絕緣監視及接地故障報警或顯示裝置 ;
  4) 在無特殊要求的情況下,it 系統不宜引出中性導體。因此,it 系統中包括中性導體在內的任何帶電部分嚴禁直接接地 ;it 系統中的電源系統對地應保持良好的絕緣狀態。
2 醫療場所 it 系統設置要求
  根據建筑物電氣裝置第7-710 部分《特殊裝置或場所的要求-醫療場所》(gb 16895.24-2005)[1](以下簡稱《特殊醫療場所規范》) 將醫療場所按使用接觸部件所接觸的部位及場所分為0、1、2 三類,各類應符合下列規定:
  0 類醫療場所:不使用接觸部件的醫療場所, 如醫院的門診室、候診室等。
  1 類醫療場所 :接觸部件接觸軀體外部及除2 類場所規定外的接觸部件侵入軀體的任何部分。如醫院的病房、產房、x光室等。
  2 類醫療場所 :將接觸部件用于諸如心內診療術、手術室以及斷電(故障)將危及生命的重要治療的醫療場所。如醫院的手術室、心臟導管插入室、重癥監護室(icu)、心臟監護室(ccu)、血管造影檢查室等。
《民用建筑電氣設計規范》(jgj 16-2008)[2]( 以下簡稱《民規》) 對醫療場所類別的劃分也有明確規定,詳見表1 所示 :
  下面主要探討2 類醫療場所醫療it 系統的設置要求。
  醫療it系統設置的重要部位 :在2 類醫療場所內,用于維持生命、外科手術和其它位于“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 ;用途相同且相毗鄰的房間內,至少應設置一個獨立回路的醫療it系統(因不同手術室可能同時實施不同的手術,使用不同的醫療儀器。為避免醫療電器設備的相互干擾,每間需要單獨設置it系統的手術室,應單獨設置隔離變壓器)。目前在設計中不容易確定的是“哪些醫療場所屬于2 類醫療場所、哪些2類醫療場所內實施的醫療救治與維持生命等有關”?這些都還有待設計時認真探討。
  對照《民規》(jgj 16-2008)12.8 醫療場所的安全防護條文說明表12-2醫院電氣設備工作場所分類及自動恢復供電時間[2] 即表1 所示,2 類醫療場所共5 項。
  對照《民規》(jgj 16-2008)12.8 醫療場所的安全防護條文說明表12-2醫院電氣設備工作場所分類及自動恢復供電時間[2] 即表1 所示,2 類醫療場所共5 項。
  是否能完全確定上述5 項為2 類醫療場所、還有無其他項所含的醫療場所在特定工作環境條件下可轉換為2 類醫療場所?
《特殊醫療場所規范》(gb 16895.24-2005)第710.30 一般特性評估有如下說明 :醫療場所的分類應與醫務人員、有關的衛生機構或對工作人員的安全負責的部門按國家規定協商確定。為了確定醫療場所的類別(如果某一機構可能被用作較高危險類別的不同用途時,宜由風險部門提出意見)。
  注1 :醫療場所的分類宜與接觸部件和患者之間的接觸形式以及醫療場所的用途聯系起來 ;制定一表達醫療場所強制性規定的類別劃分是不實際的,表1 的舉例僅供參考。
  注2 :接觸部件的定義由醫療設備專門的標準來規定。(gb16895.24-2005 第710.1 條范圍)
  注3 :對于醫療電氣設備本身的要求 按iec 60601 系列標準執行。
  以上均表明國內還無此方面的規范及標準,說明了醫療場所的分類的不確定性。鑒于此,我們在醫院的具體設計中在滿足規范的前提下應征求使用方意見,并結合具體醫療場所工作性質確認是否需在該醫療場所配置醫療it 系統。例如在某綜合醫院住院樓設計中,16 層為手術層,共設有13 間手術室,其他樓層每層按科室設有1~2 間重癥監護室(icu 病房),因該醫院屬三甲醫院,是當地規模大的綜合性醫院,為了保證手術及搶救工作的連續性及安全性,筆者在手術室及重癥監護室(icu 病房)均設置了醫療it 系統。
  設置醫療it 系統必須滿足的要求是每個醫用it系統應設在醫務人員可以經常監視的地方,并應裝設配備有規定功能組件的聲光報警系統 ;醫療it 變壓器應裝設過負荷和過熱的監測裝置。
2.1 醫療 it 系統的組成
  醫療it 系統主要由三部分組成 :醫用隔離變壓器、絕緣監視器及外接報警顯示和測試單元。
  世界各國普遍采用帶絕緣監視裝置的醫療it 系統(隔離電源),即采用不接地電源系統為2 類醫療場所供電。
  醫用隔離電源,簡言之就是隔離變壓器和絕緣監視儀以及報警終端放在一起。供電原理是利用隔離變壓器把tn供電變成不接地的it 供電,為了保證系統的長期穩定性,應加上絕緣監測儀對整體的絕緣水平進行在線的實時檢測。
  既然規范對醫療場所設置it系統有了較明確的規定,但只有設計者能夠正確理解并充分認識到醫療場所選用it 系統的必要性和特殊性,才能合理運用。
2.2 醫療場所選用it系統的優點
   醫療場所選用it系統的優點主要體現在以下三個方面 :
  1) it隔離電源系統因降低了接觸電壓和電網對地漏電流(有效控制對心臟的直接漏電流),故人身觸電危險被降低到小程度。
眾所周知,當用電設備對人體心臟直接漏電大于10μa 時,會造成對病人的微電擊事故。而一般在通用建筑中采用的剩余電流漏電保護器rcd、漏電斷路器 elcb 等對地漏電保護開關,其動作響應值是ma 級的(如 :30ma),遠遠不能滿足醫療領域的需要。 因此,現在國際上對醫療領域中的手術室、重癥監護室(icu)、心臟監護室(ccu) 等重要場所通常采用局部“中性線不接地供電系統”(即“it 系統”或稱“隔離電源系統”)供電。通過單相0.5kva-10kva的隔離變壓器給這些場所供電,首先可以防止其他供電回路中的漏電流通過接地線竄入手術室及重癥監護室(icu)、心臟監護室(ccu) 的醫療電器設備上對病人的安全構成威脅。
另外,一旦隔離電源上所接的負載(如各種醫療電器設備)出現對地故障,因對地不構成回路,只能產生一個很小的容性漏電流,極大保護了病人免遭漏電流的傷害。
  2) 當電網負載出現一個絕緣故障點時,不會引起電源開關動作(跳閘),保證了供電的連續性。
在醫療領域,某些場所對供電持續性要求很高,故設計成兩路(甚至三路)電源(供電系統)自動切換,以保證這些特殊場所的供電連續性。對于tn-s 系統如果在負載端出現相對地絕緣故障時,故障電流將經過電流中性點對地構成回路,從而形成一個較大的故障電流使上一級開關或熔斷器動作,導致供電中斷。而如果在這些特殊場所局部采用it 配電系統時,因其電源中性點不接地,當負載端出現一點相對地絕緣故障時,因其對地不能構成回路,只會產生一個很小的容性漏電流,對人體不會產生危害,同時也不會導致開關或熔斷器動作,從而保證了手術室等重要場所供電的連續性(采用不接地it系統供電,當一次接地故障時,發出聲光預報警信號)。
3) 降低了對地漏電流,故提高了防火安全性。
   許多國家和國際標準都對醫療領域,尤其是那些性命攸關的場所,如手術室、重癥監護室、心臟監護室等的電器作了特殊規定。其目的就是保證為該場所內的醫療電器提供一個安全可靠的電源,以確保病人的安全。
  我國2002 年11 月26 日發布、12 月1 日開始實施的 《醫院潔凈手術部建筑技術規范》(gb 50333-2002)[3](下面簡稱《潔凈手術部規范》8.3.1.3 中規定“潔凈手術部用電應從建筑物配電中心專配供給。根據使用場所的要求,主要選用tn-s 系統和it 系統兩種形式”;8.3.2.3 中規定“潔凈手術室內的電源宜設置漏電檢測報警裝置”;8.3.4.2 中規定“心臟外科手術室必須設置有隔離變壓器的功能性接地系統”等相關規定均確定了在2 類醫療場所設置醫療it系統的重要性及必要性。
3 醫療場所it系統的供電設計方案及設備選型
  在了解上述要求后,如何進行設計是大家需共同面對的問題,下面從筆者所設計的工程實例進行分析,供大家參考 :
  國內某綜合醫院住院樓手術室配電設計如圖1所示。
  主要設備選型 :醫院內的三相大型醫療儀器,使用時一般不與病人直接接觸,可采用裝設快速、高靈敏度漏電斷路器的直接接地方式。但三相隔離變壓器要慎用,主要原因在于三相隔離系統(it系統)中如出現單相接地故障,非故障相的對地電壓將升高到對地額定電壓的倍,因而具有對地故障擴大的危險,所以應盡量采用單相隔離電源系統。下面我們只談談單
圖1 手術室配電箱接線系統圖
3.1 單相隔離變壓器
  單相隔離變壓器為單相it 系統提供電源。其結構是在變壓器的一次繞組和二次繞組之間安裝一個靜態屏蔽,此靜態屏蔽接到獨立的絕緣端子上。變壓器的固定架與鐵芯隔離。
  目前按設備供貨廠家樣本,單相隔離變壓器常用的額定功率 有3.15kva、4kva、5kva、6.3kva、8kva、10kva 六種。技術數據:初級電壓230v、次級電壓230v、頻率50~60hz、連續工作方式,b 級絕緣,高環境溫度40oc,每個繞組一個溫度傳感器。
  設計時根據其所帶負載決定單相隔離變壓器容量的選取。手術室應遵守《潔凈手術部規范》(gb 50333-2002)8.3.3 潔凈手術室的配電總負荷應按設計要求計算,并不應小于8kv·a 的規定,選用8kva容量的單相隔離變壓器。
  因該醫院住院大樓共16 層,除手術層外,各層均設有icu 重癥監護室,室內設兩張床位,對于icu 重癥監護室,單相隔離變壓器僅帶患者區域內的重要照明及插座,故設計時選用單相隔離變壓器容量為4kv·a。
  單相隔離變壓器進線 為(l.n.pe)單相三線tn-s 系統,出線為(l1.l2)單相兩線或(l1.l2.l3)單相三線it 系統,如圖2 所示。
圖2 單相隔離變壓器接線圖
   國內醫療設備負載電壓多為230v,故出線接0v 和230v 端 子,而 將115v 端 子 空
置。也有出線兩個端子的,-115v 和+115v 或0v 和+230v 端 子,這時可直接接該兩端子即可。
   單相隔離變壓器進線及出線均要選用單相雙極開關,因it系統不宜配出中性(n)線,系統中單相負荷所需的220v 電源由it 系統中單相220v 電源經1:1 隔離變壓器的二次
側提供。所以it 系統中的配電線路均為帶電導線,應裝設雙級開關,作為供電線路保護。
2 類醫療場所內的電氣線路的保護 :對每個終端回路都要設置短路保護和過負荷保護,但醫療it系統的變壓器的進出線回路不允許裝設過負荷保護,但可用熔斷器作為短路保護。
3.2 絕緣監視器
   絕緣監視器全稱應為絕緣、負荷、溫度檢測儀?!睹褚帯罚╦gj 16-2008)12.8.6.2要求絕緣監測器需滿足下列條件 :
   (1)交流內阻抗不少于100kω ;
   (2)測試電壓不應大于直流25v ;
   (3)注入電流的峰值不應大于1ma ;
   (4)遲在絕緣電阻降至50kω 時,應發出信號,并應配置試驗此功能的器具。
   絕緣監測 :通常將tn-s 系統中的pe 線接入作為絕緣監測儀的基準比較值,較先進的做法是,絕緣監測儀在it 系統和大地之間疊加一個自適應脈沖信號,通過比較送出的信號和返回的信號波形來測量相對地的絕緣阻抗。
負荷檢測 :在單相交流系統中,用一個電流互感器檢測變壓器負荷。電流互感器設在隔離變壓器的出線端
   溫度檢測:變壓器繞組的溫度通過ptc 熱敏電阻或常閉接觸器來檢測。
在設計時,應對照絕緣監測儀的各項技術參數,查看是否滿足規范的要求,在此基礎上進行選擇。圖3為某品牌的絕緣監測儀的相關技術數據。
圖3 絕緣監測儀相關技術參數
3.3 外接報警顯示和測試單元
   《民規》(jgj 16-2008)12.8.6.3規定,每個醫用it系統所配置的聲光報警系統應具有下述功能 :
  1)應以綠燈亮表示工作正常 ;
  2)當絕緣電阻下降到小整定值時,黃燈應點
亮,且應不能消除或斷開該亮燈指示 ;
  3)當絕緣電阻下降到小整定值時,可音響報
警動作。該音響報警可解除 ;
  4)當故障被清除恢復正常后,黃色信號應熄滅。
  外接報警測試面板需接專用電源,可由醫療it系統設備商配套供應。在設計中較易選用。并和絕緣檢測儀輸出端相接,以便實時提供各種檢測信號。按上述報警顯示和測試單元動作功能,醫務人員可 根據手術或搶救現場實際情況,在不影響病人救治的前提下做出是否繼續工作或什么時間進行檢修的安排。
4 醫療場所 it 系統的接地
4.1 接地系統的選用
   醫院的醫療場所和與其關聯的場所內不允許采用tn -c 接地系統,通常采用tn -s 可避免以上這些問題,而在手術室局部范圍內應采用it 系統。一般電擊情況下,帶電導體與人體皮膚接觸,僅有很少部分通過心臟,所以通過人體總電流不超過30μa,就不會因發生心室纖顫而導致死亡。如果電流直接全部通過心臟,電流超過50μa 就有心室纖顫的危險而導致死亡。iec 標準規定 :醫療設備允許通過患者心臟的漏電電流正常狀態為10μa 以下,單一故障狀態為50μa 以下,相應地手術室內電位正常時為10mv,單一故障狀態為50mv。所以對特殊的醫療設備不宜采用漏電電流動作保護,而應采取防止微電擊的保護措
施,即采用醫療it 系統。
4.2 局部輔助等電位聯結
   醫院內的手術室,心血管x 線造影室,心臟手術室及檢查室等,應具有嚴格的防電擊保護措施。這僅靠帶絕緣監視的it 系統是不夠的,還應輔以局部輔助等電位聯結,使保護區內所有可導電部分都處于同一電位。同時,絕緣監視儀監視并測量隔離電源相對地的絕緣阻值,在絕緣監視儀的測量回路中,大地為pe 線,即等電位接地線。如果系統中缺少等電位接地線,那么負載端出現的對地故障電流就不能對絕緣監視儀的測量回路構成回路,將影響絕緣監視儀的響應靈敏度。只有這樣才能保證供電的安全可靠性,防止心臟手術及檢查中發生的電擊和微電擊。
為防止電擊和微電擊應采取輔助等電位聯接,聯接部件應包括室內給水管,金屬窗框,病床的金屬框架及患者可能在2.5m 內直接或間接觸及到的各部分金屬部件。用于上述部件進行等電位聯結的保護線阻值,應使上述金屬導體相互間的電位差小于10mv??稍诜块g墻上設置等電位聯結箱,箱內的等電位聯結板與等電位聯結干線相連接。
筆者認為,it 系統內的局部等電位聯結不應與tn 系統的pe 線有任何通路聯結,此條在醫療it 系統專業廠家的技術樣本中也無明確要求。相反,有的專業廠家樣本提供的圖例中卻將tn-s 系統的pe 保護接地排和it 系統的pa 輔助等電位接地排連接在一起,往往容易造成混淆?!睹褚帯罚╦gj 16-2008)12.3.4.3條對此明確規定 :采用電氣隔離保護方式的電氣設備外露可導電部分及外界可導電部分嚴禁保護接地。
  同一醫療場所尚有tn -s 或it 系統供電的插座時,醫用it 系統的插座應為其它系統用的插頭無法插入,并具有明顯的可供區別的標志。具體輔助等電位聯結可按照《民規》(jgj 16-2008)12.8.10 的規定執行。
  規范規定,在1 類和2 類醫療場所內,應安裝輔助等電位聯結導體,并應將其連接到位于“患者區域”內的等電位聯結母線上,實現下列部分之間的等電位 :
  1) 保護導體
  2) 外界可導電部分
  3) 抗電磁干擾的屏蔽物
  4) 導電地板網絡
  5) 隔離變壓器的金屬屏蔽層
  在實際施工時,在配電箱內設置pe 保護接地母排,pa 輔助等電位接線母排可設置于該配電箱內或其鄰近,兩個接線排相互獨立。
  注1 :輔助等電位聯結母線應位于醫療場所內或靠近醫療場所。在每個配電盤內或在其附近應裝設附加的等電位聯結母線,應將輔助等電位導體和保護接地導體與該母線連接。
   注2 :在2 類醫療場所內,電源插座的保護導體端子、固定設備的保護導體端子或任何外界可導電部分,這些部分和等電位聯結母線之間的導體的電阻(包括接頭的電阻在內)不應超過0.2ω。
  手術室內設置輔助等電位聯結如圖4 所示。
圖4 手術室等電位聯結平面圖
手術室與手術室之間可按圖4 所示的進行等電位連接。
  而其他非“患者區域”內的醫療設備的可導電金屬外殼及門、窗等的金屬護欄、一般照明及插座的接地線均應和pe 母排相連接。
5 安科瑞it系統介紹
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,由專業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第一時間內做出判斷,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供電系統的報警地點或區域,從而方便專業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,產品如圖5所示。
圖5 醫用it系統絕緣監測產品(四件套)
6 結束語
   綜上所述,在電流突然中斷后,在有可能導致重大醫療危險的場所,應采用電力系統不接地(it系統)的供電方式。設計方式為 :設一臺醫用隔離變壓器,在隔離變壓器的次級引出it系統的電源,以防止產生接地故障電流。將it 系統引入2 類醫療場所手術室、急救室、重癥監護室(icu 病房)等,應設在醫務人員可以經常監視的位置,醫療it 系統配電箱內設一套漏電檢測裝置(絕緣監視裝置),當單相接地故障時(一般當系統絕緣水平低于50kω 時)發出故障報警。同時,為防止微電擊應采取輔助等電位接地措施,在確保病人安全的前提下不切斷電源,繼續進行手術。
參考文獻
[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會. gb16895.24-2005 建筑物電氣裝置- 特殊裝置或場所的要求- 醫療場所[s]. 北京: 中國標準出版社, 2005.
[2] 張寬、杜會陵,淺談醫療it系統的供電與接地設計
[3] 安科瑞it系統絕緣監測故障定位裝置及監控系統2020.01版

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