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劉細鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
【摘要】結(jié)合新修訂的國標(biāo)圖集19D706-2《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計與安裝》,對手術(shù)部、手術(shù)室的定義及設(shè)計中需參考的規(guī)范進行梳理,提出多種手術(shù)室供配電系統(tǒng)解決方案,同時對手術(shù)室供配電系統(tǒng)中的IT系統(tǒng)設(shè)計、UPS選型等重點及難點問題進行分析。
【關(guān)鍵詞】2類醫(yī)療場所;IT系統(tǒng);微電擊;患者區(qū)域;在線式工頻UPS;潔凈手術(shù)部;自動恢復(fù)供電時間;接地故障
1概述
潔凈手術(shù)部的英文全稱是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(qū)域。潔凈手術(shù)室的英文全稱是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、可靠性要求高。
國標(biāo)圖集19D706-2《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計與安裝》(以下簡稱《圖集》)16頁對手術(shù)部供電列舉了3種常用的示例;56~59頁對手術(shù)室配電列舉了2種常用的示例,同時對手術(shù)室電氣平面布置、手術(shù)室專用插座箱進行示例;74~75頁對手術(shù)部、手術(shù)室配電系統(tǒng)進行示例;128頁、137頁、144頁從產(chǎn)品選用角度提出了手術(shù)室配電系統(tǒng)的解決方案。為了讓電氣設(shè)計人員更有效地參考《圖集》內(nèi)容,有必要對手術(shù)室供配電系統(tǒng)進行更詳細的分析。
2手術(shù)室供配電系統(tǒng)設(shè)計
2.1參考規(guī)范
手術(shù)室電氣設(shè)計常用的設(shè)計規(guī)范有:
a.JGJ 312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》;
b.GB 51039-2014《綜合醫(yī)院建筑設(shè)計規(guī)范》;
c.GB 50333-2013《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》;
d.GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》;
e.GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710:
2002《建筑物電氣裝置第7-710部分:特殊裝置或場所的要求醫(yī)療場所》。國內(nèi)與醫(yī)院電氣設(shè)計有關(guān)的規(guī)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稿,建議大家予以關(guān)注。
2.2負荷分級、醫(yī)療場所類別及電源選擇
2.2.1負荷分級
JGJ 312-2013表4.2.1中規(guī)定,二級以上醫(yī)院手術(shù)室、術(shù)前準備室、術(shù)后恢復(fù)室、麻醉室、心血管造影檢查室等場所中涉及患者生命安全的設(shè)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(yī)療場所類別
GB 51039-2014及GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710:2002對醫(yī)療場所的分類如下:
a.0類:不使用醫(yī)療電氣設(shè)備接觸部件的醫(yī)療場所;
b.1類:醫(yī)療電氣設(shè)備接觸部件需要與患者體表、體內(nèi)(除2類醫(yī)療場所所述部位以外)接觸的醫(yī)療場所;
c.2類:醫(yī)療電氣設(shè)備接觸部件需要與患者體內(nèi)(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(yī)療場所[2-3]。
醫(yī)療場所類別劃分中手術(shù)室屬于2類醫(yī)療場所,手術(shù)室內(nèi)涉及生命安全的電氣設(shè)備及照明自動恢復(fù)供電時間t≤0.5 s,不涉及的要求自動恢復(fù)供電時間0.5 s<t≤15 s。手術(shù)部內(nèi)各醫(yī)療場所的類別劃分與要求自動恢復(fù)供電的時間如表2所示。
關(guān)于2類醫(yī)療場所,從其定義可知重點強調(diào)兩個方面:
a.微電擊:心臟或接近心臟部位,其關(guān)注點是“微電擊"。按IEC標(biāo)準,進行心臟手術(shù)的醫(yī)療電氣設(shè)備正常泄漏電流不得大于10μA,當(dāng)發(fā)生一個接地故障時,其故障電流不得大于50μA。因通過人體心臟的電流如果超過50μA就可能導(dǎo)致心室纖顫而死亡,被稱作微電擊致死[4]。
b.供電可靠性:電源中斷危及患者生命,強調(diào)的是中斷供電帶來的嚴重后果。
2.2.3電源選擇
JGJ 312-2013第3.0.3條規(guī)定:要求恢復(fù)供電時間小于或等于0.5 s時,自備備用電源供電維持時間不應(yīng)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(yīng)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(shè)備的潔凈手術(shù)室要設(shè)置應(yīng)急電源。自動恢復(fù)供電時間應(yīng)符合下列要求:①生命支持電氣設(shè)備應(yīng)能實現(xiàn)在線切換。②非治療場所和設(shè)備應(yīng)小于等于15 s。③應(yīng)急電源工作時間不應(yīng)小于30 min[5]。
綜合負荷分級、醫(yī)療場所類別以及自動恢復(fù)供電時間等相關(guān)要求,二級以上醫(yī)院手術(shù)部供電應(yīng)采用獨立雙路電源供電+柴油發(fā)電機的供電方式。
手術(shù)部內(nèi)對于要求自動恢復(fù)供電時間t≤0.5 s的負荷,應(yīng)設(shè)置不間斷電源裝置(UPS),UPS應(yīng)急電源工作時間不小于30 min。對于要求自動恢復(fù)供電時間0.5 s<t≤15 s的負荷,其應(yīng)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(yī)療建筑用電負荷分級
表2醫(yī)療場所及設(shè)施的類別劃分與要求自動恢復(fù)供電的時間
注:(a)指的是涉及生命安全的電氣設(shè)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(tǒng)按UPS設(shè)置位置劃分,可分為集中式和分布式,按IT系統(tǒng)與非IT(TN-S)系統(tǒng)的組合方式劃分,可分為共用配電箱及分設(shè)配電箱方式。以下列舉常見的5種手術(shù)部供配電方案:
方案一:手術(shù)部集中設(shè)UPS,IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案,結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
方案二:手術(shù)室分布設(shè)UPS(總箱),IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案,結(jié)構(gòu)示意如圖2、圖3所示。
方案三:手術(shù)室分布設(shè)UPS(IT系統(tǒng)),IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案,結(jié)構(gòu)示意如圖4、圖5所示。
方案四:手術(shù)部集中設(shè)UPS,IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設(shè)配電箱方案,結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。
方案五:手術(shù)部集中設(shè)UPS(IT系統(tǒng)),IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設(shè)配電箱方案,結(jié)構(gòu)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(dāng)考慮同時使用系數(shù),UPS總安裝容量小,經(jīng)濟性好。獨立設(shè)置的UPS間,可設(shè)置機房空調(diào),有利于散熱、巡視、檢修、降噪等,進一步增加了供電可圖1手術(shù)部集中設(shè)UPS,IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案靠性。弊端是當(dāng)UPS故障時,受影響區(qū)域較大。
方案一、方案四、方案五均為集中式UPS系統(tǒng)。
方案一、方案四將手術(shù)部全部負荷納入UPS供電,提高了整個手術(shù)部的供電可靠性,但同時增加了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(yī)院建設(shè)中使用。方案五僅將手術(shù)部IT系統(tǒng)及1類場所納入UPS供電,既保證了供電可靠性,又體現(xiàn)出很高的經(jīng)濟性,因此該方案在手術(shù)部的供配電設(shè)計中被廣泛使用。
圖2手術(shù)室分布設(shè)UPS(總箱),IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案
圖3手術(shù)室分布設(shè)UPS(總箱),IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案Ⅱ
b.分布式UPS:專用配電箱一對一配置UPS,供電可靠性高,單臺UPS故障時不影響其它手術(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(cè),散熱條件不佳,巡視、維護不方便,運維不當(dāng)有安全事故的隱患。如采用分布式UPS方案,建議設(shè)置UPS監(jiān)控系統(tǒng),對運行參數(shù)及電池狀態(tài)進行遠程監(jiān)控。
方案二、方案三為分布式UPS系統(tǒng)。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(yī)院建設(shè)中使用。方案三僅將手術(shù)室IT系統(tǒng)納入UPS供電,既保證了供電可靠性,又體現(xiàn)出很高的經(jīng)濟性,此方案也是手術(shù)部供配電設(shè)計中經(jīng)常使用的方案之一。方案二與方案三同時演化出手術(shù)部雙總箱末端互投的供配電方案(圖3、圖5),可供電氣設(shè)計人員靈活選用。IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分別設(shè)置配電箱:把手術(shù)室內(nèi)治療與非治療用電分開,是降低投資、降低三相不平衡因素的有效措施,可進一步增強安全系數(shù)。手術(shù)部的供配電設(shè)計可根據(jù)工程實際情況,結(jié)合項目投資等因素,選擇適用的供配電方案。在設(shè)計時,需重點注意三相平衡的問題。手術(shù)部通常設(shè)有多間手術(shù)室,而IT系統(tǒng)為單相負荷,嚴重三相不平衡時會導(dǎo)致斷路器跳閘,設(shè)計時應(yīng)注明每間手術(shù)室IT系統(tǒng)的相序,確保手術(shù)部整體三相平衡。
圖4手術(shù)室分布設(shè)UPS(IT系統(tǒng)),IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案Ⅰ
圖5手術(shù)室分布設(shè)UPS(IT系統(tǒng)),IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案Ⅱ
2.4手術(shù)室配電系統(tǒng)設(shè)計
《圖集》選用了2種典型的手術(shù)室配電系統(tǒng)方案。56頁為手術(shù)室IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設(shè)配電箱方案,結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。57頁為IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng),結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。2個典型的手術(shù)室配電系統(tǒng)方案,可與2.3節(jié)中不同的手術(shù)部供配電方案配合使用。
需要注意,醫(yī)療場所局部IT系統(tǒng)隔離變壓器的一次側(cè)與二次側(cè)設(shè)置短路保護,不設(shè)置動作于切斷電源的過負荷保護。過負荷的后果是劣化絕緣,并不直接引起電氣災(zāi)害,因此沒必要因為過負荷而切斷IT系統(tǒng)供電電源。
圖6手術(shù)部集中設(shè)UPS,IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設(shè)配電箱方案共用配電箱方案
1類和2類醫(yī)療場所應(yīng)選擇安裝A型或B型剩余電流保護器。常規(guī)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行剩余電流保護。A型RCD在AC型功能的基礎(chǔ)上,增加脈動直流保護;B型RCD在AC型功能的基礎(chǔ)上,增加脈動直流保護及直流保護。
3手術(shù)室供配電系統(tǒng)設(shè)計重點難點問題分析
3.1 IT系統(tǒng)設(shè)計要點
3.1.1何處設(shè)置
根據(jù)JGJ 312-2013第5.4.4條:2類醫(yī)療場所除手術(shù)臺驅(qū)動機構(gòu)、X射線設(shè)備、額定容量超過5 kVA的設(shè)備、非生命支持系統(tǒng)的電氣設(shè)備外,用于維持生命、外科手術(shù)、重癥患者的實時監(jiān)控和其他位于患者區(qū)域的醫(yī)療電氣設(shè)備及系統(tǒng)的回路,均應(yīng)采用醫(yī)療場所局部IT系統(tǒng)供電[1]。
3.1.2患者區(qū)域
在醫(yī)院的2類醫(yī)療場所內(nèi)離手術(shù)臺周邊水平距離1.5 m,高度為2.5 m內(nèi)的區(qū)域被稱為“患者區(qū)域",如圖10所示。根據(jù)IT系統(tǒng)設(shè)置要求及“患者區(qū)域"的示意圖可知,手術(shù)室內(nèi)的吊塔、治療用電插座箱、無影燈應(yīng)納入IT系統(tǒng)供電。手術(shù)室照明、中央情報面板等與“微電擊"無關(guān),可不納入IT系統(tǒng)供電,但為保證其供電連續(xù)性,建議納入UPS供電。
圖7手術(shù)部集中設(shè)UPS(IT系統(tǒng)),IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設(shè)配電箱方案
圖8 IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)分設(shè)配電箱方案
圖9 IT系統(tǒng)與非IT系統(tǒng)共用配電箱方案
3.1.3接地故障分析
IT系統(tǒng)電源端不做系統(tǒng)接地,只做保護接地。其接地故障示意圖,如圖11所示。
通過隔離變壓器二次回路導(dǎo)體不接地,電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分接到電氣裝置的PE線上,并設(shè)置輔助等電位聯(lián)結(jié)。當(dāng)出現(xiàn)接地故障時,故障電流僅為流過自隔離變壓器到手術(shù)設(shè)備之間一小段非故障線段極小的對地電容電流,不大于50μA。因此故障時可以不切斷電源,使電氣設(shè)備繼續(xù)運行,并可通過絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出報警并及時消除故障,大大提高了系統(tǒng)供電的可靠性。IT系統(tǒng)需與絕緣故障監(jiān)測裝置配合使用,當(dāng)絕緣電阻值降至50 kΩ時發(fā)出報警,聲光報警裝置設(shè)置在護士站等便于監(jiān)視的場所。第一次接地故障時,IT系統(tǒng)實際變成了TN系統(tǒng)運行,不切斷電源。但是如果不及時排除故障,當(dāng)發(fā)生第二次接地故障時,相當(dāng)于TN系統(tǒng)接地短路,斷路器動作[7]。
圖10“患者區(qū)域"示意圖
采用IT系統(tǒng),電氣設(shè)備的正常泄漏電流值小于10μA,發(fā)生第一個接地故障時,故障電流值小于50μA,不會對手術(shù)患者產(chǎn)生“微電擊";同時,發(fā)生第一個接地故障時,絕緣監(jiān)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(tǒng)的電氣設(shè)備持續(xù)供電,從而保證手術(shù)室的用電安全。
3.2 UPS選型
依據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同,UPS主要分為后備式UPS、互動式UPS、在線式UPS 3種:
圖11 IT系統(tǒng)接地故障示意圖
a.后備式UPS和互動式UPS結(jié)構(gòu)類似,市電供電時逆變器不工作,切換到蓄電池供電時,將有4 ms左右的逆變器轉(zhuǎn)換延時時間,廣泛應(yīng)用于家用計算機,建筑電氣設(shè)計中涉及較少。
b.在線式UPS結(jié)構(gòu)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、頻率漂移等電能質(zhì)量問題,真正實現(xiàn)了對負載的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、不間斷供電,且在市電和蓄電池間的轉(zhuǎn)換時間為零。因此,在線式UPS在醫(yī)療、通信、金融等行業(yè)應(yīng)用廣泛,也是電氣設(shè)計人員應(yīng)該熟悉的重點類型[8]。
按常用產(chǎn)品分類,UPS可分為工頻UPS、高頻UPS:
a.高頻機與工頻機*大的區(qū)別是使用IGBT替代晶閘管整流,無隔離變壓器。
b.工頻機結(jié)構(gòu)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(chǔ)上對后端負載提供持續(xù)、可靠穩(wěn)定的電源供給。
JGJ 312-2013第4.4.6條規(guī)定:要求中斷供電時間小于或等于0.5 s的一級負荷中特別重要的負荷,應(yīng)設(shè)不間斷電源裝置(UPS),且宜為在線式。TN-S系統(tǒng)中的不間斷電源裝置(UPS)輸出端為三相時,應(yīng)加裝三相隔離變壓器并做重復(fù)接地。GB 50333-2013第11.1.3條:有生命支持電氣設(shè)備的潔凈手術(shù)室要設(shè)置應(yīng)急電源。自動恢復(fù)供電時間應(yīng)符合下列要求:生命支持電氣設(shè)備應(yīng)能實現(xiàn)在線切換。結(jié)合規(guī)范要求及UPS結(jié)構(gòu)特點,建議手術(shù)室設(shè)計采用在線式工頻UPS。
圖12在線式UPS結(jié)構(gòu)示意
圖13工頻UPS結(jié)構(gòu)示意
4隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)的選型與應(yīng)用
4.1概述
隨著電子醫(yī)療設(shè)備在醫(yī)院領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,漏電流對病人構(gòu)成的威脅也越來越大,尤其是那些生命攸關(guān)的場所,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(nèi),微小的漏電流都有可能導(dǎo)致病人觸電身亡。另外有些醫(yī)療設(shè)備用于維持重癥病人的生命,一旦設(shè)備停電,也會對病人的生命構(gòu)成威脅。因此,對于醫(yī)療這一特殊場所的電氣設(shè)計,應(yīng)嚴格按照國家標(biāo)準和規(guī)范進行。安科瑞IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及系統(tǒng)適用于醫(yī)院的手術(shù)室、ICU(CCU)監(jiān)護病房等重要場所,能為這類場所提供安全、連續(xù)、可靠的供電解決方案。
4.2應(yīng)用場所
適用于醫(yī)院的手術(shù)室、各類重癥監(jiān)護室、搶救室、內(nèi)窺鏡室及造影室等醫(yī)療二類場所的隔離電源系統(tǒng)的遠程監(jiān)控及自動化。
4.3系統(tǒng)架構(gòu)
4.4系統(tǒng)功能
安科瑞IT配電監(jiān)控系統(tǒng)是基于觸摸屏軟件設(shè)計,軟件具有遠程測量、遠程參數(shù)設(shè)置和遠程自檢等多種功能,為各類場所的IT配電系統(tǒng)的集中監(jiān)控提供了強大的系統(tǒng)集成工具。軟件的主要功能如下:
一次圖和現(xiàn)場分布顯示
系統(tǒng)具有一次圖及現(xiàn)場分布圖顯示功能,能直觀的了解并及時地發(fā)現(xiàn)IT供電系統(tǒng)的報警地點或區(qū)域,從而方便專業(yè)人員及時到達現(xiàn)場進行故障排查;
實時數(shù)據(jù)采集與顯示
利用安裝于各IT配電系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測儀表和絕緣故障定位儀表,采集各隔離電源系統(tǒng)的參數(shù)。采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在監(jiān)控系統(tǒng)界面,這些監(jiān)測參量含IT系統(tǒng)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(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)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(jiān)測值、故障地點以及故障發(fā)生時間等信息。同時啟動監(jiān)控系統(tǒng)的聲光報警系統(tǒng),及時提醒相關(guān)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(shù)設(shè)置和查詢
通過系統(tǒng),可根據(jù)要求遠程調(diào)整和設(shè)置各IT配電系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測儀的各類報警參數(shù)閾值,也可以任意查看這些報警參數(shù)值。參數(shù)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(tǒng)可以以曲線的形式,顯示各IT配電系統(tǒng)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(tǒng)的運行變化情況,有針對性的對某些系統(tǒng)進行維護和保養(yǎng)。
4.5安科瑞產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)
5結(jié)語
手術(shù)室供配電系統(tǒng)設(shè)計不同于一般場所的設(shè)計要配電系統(tǒng)復(fù)雜,對電源安全性、可靠性要求更高,需要電氣設(shè)計人員對國家相關(guān)規(guī)范及IEC標(biāo)準有透徹的理解,更需要大家不斷學(xué)習(xí)、交流、探討,更新知識,了解*新產(chǎn)品及技術(shù)的發(fā)展,為醫(yī)院提供優(yōu)質(zhì)的手術(shù)室供配電系統(tǒng)設(shè)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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作者簡介:劉細鳳,女,安科瑞電氣股份有限公司,主要從事IT隔離電源系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用,