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浅谈医用IT隔离电源系统在医疗场所的应用及设计

时间:2020-09-03 点击次数:55

 周颖

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要:结合某工程设计实例对IT系统特点、构成及医疗IT系统相关规范要求进行了详细阐述,并提供了医疗IT系统的工程设计经验,旨在推动医疗IT系统的发展。

关键词:医疗IT系统,隔离变压器,绝缘监测,电击

    随着电子工业与医疗技术的发展,越来越多的医疗电气设备介入到患者诊断、治疗过程中,而供配电系统的型式选择与低压电气设备可靠运行以及医护人员和患者人身安全密切相关,因此必须根据医疗场所实际情况合理选择供配电系统型式。

1 概述

   当人遭受工频交流电击时可能受到不同程度的伤害,例如灼伤、肌肉麻痹、停止呼吸、心室纤维性颤动等。

   根据 GB/T 13870.1—2008电流通过人体的效应一部分:通用部分表11及图20可知接地故障电流持续时间 0.1S且不大于50mA,接地故障电流路径是一手到双脚,此时流经人体的接地故障电流使人产生不自主肌肉收缩,但通常没有有害的电生理学效应;当故障路径是胸膛至左手时,若使故障电流不对人产生伤害,要求故障电流不大于33mA。

   因此故障电流路径不一样,若使故障电流不对人造成伤害,要求故障电流限值也不同。此外,如果漏电断路器保护动作时间大于0.1S,即故障电流持续时间大于0.1S,要求故障电流限值更小才能保证不对人产生伤害。

   电击对人造成严重伤害的是微电击。当故障电流路径不经过人体皮肤阻抗而流进心脏组织内部的电流所引起的人体电流效应就是微电击。例如手术时体外医用电子器件直接接触人体内部组织、器官。10μA~50μA或者50mV(距离心脏越近阈值越低)的微电击即可引发致命的心室颤动。

   通常情况下,医疗电气设备220V电源就近引自插座或配电箱预留回路,这些回路漏电断路器的额定剩余电流一般为30mA,无法满足此情况下的电击安全防护要求。

2 IT 系统简介

2.1 IT 系统定义

   GB 14050—2008系统接地的型式及安全技术要求对IT系统的定义是:电源端的带电部分不接地或有一点通过阻抗接地,电气装置的外露可导电部分直接接地。IT系统的系统图参见图1。

图1 IT系统示意图

2.2 IT 系统特点

   1) IT系统电源端无接地的中性线或经过阻抗接地,单相接地故障情况下通过非故障相的对地电容形成接地故障电流回路,接地故障电流很小,接地故障电压Uf很低,可带故障持续运行,供电连续性及安全性高。

   IT系统具有预防性、修复性的特点。

   在绝缘下降但未出线接地故障时,通过监测供电线路对地绝缘变化情况,在一次接地故障发生前及时处理隐患。

   即使一次接地故障隐患未处理,其发生后并不会对系统运行造成危害。但一次接地故障发生后并未处理,又发生二次接地故障时要求切断供电电源。因此,二次接地故障发生前发现并处理一次接地故障,以确保故障点对地电压及故障电流不会对人员造成伤害。IT系统故障电压计算可参见 GB/T 16895.10—2010低压电气装置第4-44部分:安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护表44.A1中Uf值。IT系统Uf值更完整内容参见GB 16895.11—2001电气装置对暂时过电压和高压系统与地之间的故障的防护图44D至图44K。2)IT系统不同于常见的TN,TT系统,其系统特性决定必须设置对地漏电流监测装置,工矿企业660V的IT系统常用漏电继电器,医疗场所IT系统常用绝缘监测器(IMD) 。

3 IT 系统在医疗场所的应用

3.1 国内外背景

   国际、国内均有关于手术室、ICU,CCU等医疗场所配电系统的相关规范。目的就是为了确保医疗场所用电的安全性、可靠性,见表1。

   国外IT系统应用更为成熟及广泛,我国IT系统仅应用于10kV及35kV的高压系统和矿山、井下的某些低压供电系统。

3.2 国内相关规范要求及应用

   GB 16895.24—2005建筑物电气装置第7-710部分: 特殊装置或场所的要求 医疗场所、JGJ 16—2008民用建筑电气设计规范和JGJ 312—2013医疗建筑电气设计规范均对医疗场所进行了分类: 医疗场所分为0类场所、1类场所和2类场所。其中0类场所、1类场所医疗电气设备不接触患者、接触躯体外部或断电不危及生命的非重要治疗场所。2 类场所为医疗电气设备接触部件用于诸如心内诊疗室、手术室及断电危及生命的重要治疗场所。具体医疗场所内各个功能房间的类别划分详见JGJ 312—2013医疗建筑电气设计规范表3.0.2。

   0类场所及1类场所可以采用TN-S系统供电。但应满足电击安全防护相关要求,具体参见GB 50054—2011第5节相关内容。

   JGJ 16—2008民用建筑电气设计规范明确规定: 2类场所内用于维持生命、外科手术和其他位于“患者区域”内的医用电气设备和系统的供电回路,均应采用医疗IT系统。JGJ 312—2013医疗建筑电气设计规范也有类似要求。

   JGJ 16—2008民用建筑电气设计规范明确规定:医疗用途相同且相邻的一个或几个房间内,至少应设置一个独立的医疗场所局部IT系统,除只有一台设备并由单台专用的医疗场所局部IT 隔离变压器供电外,每个房间应配置绝缘故障监测装置,且应符合下列规定: 交流内阻不应小于100kΩ;测量电压不应超过直流25V; 测试电流在故障条件下峰值不应大于1mA; 应设置绝缘故障报警,在绝缘电阻迟降至50kΩ时应能报警、显示,并应配置试验设施。医疗IT变压器应装设过负荷和过热的监测装置。

   实际应用中,一般是一间手术室设一台隔离变压器及一套绝缘监测系统,这样发生绝缘故障的范围小,便于手动查找和维护。面积较大的2类场所可选用带自动定位功能的漏电监测系统。目前我国医疗IT系统电压还是以220V为主。主要原因是术室接触设备负荷不大,220V能满足用电需求。380V的IT系统发生单相接地故障时非故障相电压升高为正常电压1.732倍,由此会带来设备、线缆的耐压问题、安全问题,故380V较220V的IT系统很少使用。此问题GB 16895.24及相关文献也有描述。

   目前医疗场所配电系统绝大多数是以TN-S配电系统为主,个别2类场所通过隔离变压器采用局部医疗IT系统。GB 50333—2013洁净手术部建筑技术规范11.1.6条要求“心脏外科手术室用电系统须设置隔离变压器”且为强条,可见隔离变压器作为间接接触防护措施的有效性及重要性。

3.3 医疗 IT 系统构成

   1) 隔离变压器。隔离变压器一次、二次线圈分别设置,内部设温度传感器,可将温度信号传至绝缘监测系统,实现超温报警。具体要求应满足GB 16895.24第710.512.1.6条对隔离变压器的要求。

   2) 绝缘监测系统。绝缘监测系统主要包括绝缘监测仪、报警显示仪、电流互感器,24 V 直流电源,另外可选配绝缘故障定位仪。

   3) 显示报警单元。一般与绝缘监视仪相互通信,在绝缘故障时可发出声光报警。

4 设计实例

4.1 工程项目背景

   阳煤集团职业病防治中心大楼属一类高层,地下1层地10层,总建筑面积13555.51m2,2 类场所包括3间手术室及5间ICU。以手术室配电系统为例进行说明。

4.2 医疗 IT 系统设计

   本项目手术室独立配电箱系统图见图2。

图 2 手术室配电箱系统图

图中各编号说明如下:

   1) 手术专用插座箱回路、手术室塔吊回路、中央情报控制面板回路、手术室 PC 平台回路、备用回路。

   2) 无影灯回路、手术中门灯回路、观片灯回路、电动门回路、书写台灯回路、手术室照明回路、备用回路。

   3) UPS,置于手术室外。

   4) 医用单相隔离变压器,ES710。

   5) 负荷监视用电流互感器。

   6) 仪器专用电源,AN450。

   7) 绝缘监视仪,107TD47。

   8) 外接报警显示和测试仪器,MK2007CBM-CN。

   9) 控制按钮,位于中央情报控制面板。

   10) 剩余电流评估仪,RCMS490-D。

   本项目各个手术室、ICU面积较小,分布在不同楼层,故每间手术室及ICU分别设置独立配电箱,嵌墙安装于各自手术室的清洁走道内,上级电源引自本层双电源动力箱。另外在隔离变压器一次侧增设一台UPS柜,作为双电源的后备电源。UPS柜在电缆井内落地安装。所有供电线路均为低烟无卤阻燃或低烟无卤耐火电力电缆。

   独立配电箱采用IT系统与TN-S系统相结合的型式,手术接触部件采用IT系统,不与患者接触部件及手术台电机回路采用TN-S系统。IT系统设绝缘监视器,可实现绝缘监视、负荷监视和隔离变压器温度监视等功能,并与报警显示测试仪相互通信,发生接地故障时可发出声光报警。TN-S系统设剩余电流评估仪,监控本系统内各回路漏电流情况,各回路额定剩余电流30mA,动作时间 0.1S。

   各手术室、ICU分别部等电位箱,局部等电位箱不与TN- S系统接地网连接,使2类场所各个单独房间内可导电部分形成等电位,进一步降低接触电压,保证人身安全。

5 安科瑞医用IT隔离电源系统的介绍及选型

5.1 概述

   随着电子医疗设备在医院领域的广泛应用,漏电流对病人构成的威胁也越来越大,尤其是那些生命攸关的场所,病人在手术中或麻醉状态下,各种电极、传感器直接插入人体内,微小的漏电流都有可能导致病人触电身亡。另外有些医疗设备用于维持重症病人的生命,一旦设备停电,也会对病人的生命构成威胁。因此,对于医疗这一特殊场所的电气设计,应严格按照国家标准和规范进行。

   安科瑞医用IT系统绝缘监测故障定位装置及系统适用于医院的手术室、ICU(CCU)监护病房等重要场所,能为这类场所提供安全、连续、可靠的供电解决方案。

5.2 医用隔离电源系统

   医用隔离电源监控系统用于集中监控医疗大楼内所有医疗2类场所医疗IT系统的运行状况。这种集中监控系统可以设置在医院电气运行和维护人员的值班室内,也可以集成在其它电力监控系统中,由专业的电气人员进行监控,一旦某套IT系统出现故障,电气维护人员也能在一时间内做出判断,并根据现场情况进行处理。

系统拓扑图

5.3 软件功能

  安科瑞医用隔离电源监控系统是基于触摸屏软件设计,软件具有远程测量、远程参数设置和远程自检等多种功能,为医院2类场所隔离电源系统的集中监控提供了强大的系统集成工具。软件的主要功能如下:

■ 一次图和现场分布显示

  系统具有一次图及现场分布图显示功能,能直观的了解并及时地发现IT供电系统的报警地点或区域,从而方便专业人员及时到达现场进行故障排查;

■ 实时数据采集与显示

  利用安装于各隔离电源系统中绝缘监测仪表和绝缘故障定位仪表,采集各隔离电源系统的参数。采集到的数据实时显示在监控系统界面,这些监测参量含IT系统对地绝缘电阻、变压器负荷电流、变压器绕组温度及绝缘故障回路等;

■ 故障报警

  将各医用隔离电源系统出现的各类故障,如绝缘故障、过载故障、超温故障以及接线断线故障等信息进行统一处理和记录,并可直接在显示界面上弹出显示故障类型、监测值、故障地点以及故障发生时间等信息。同时启动监控系统的声光报警系统,及时提醒相关人员,进行故障处理。其中,声音报警信号可被手动消除。

■ 远程参数设置和查询

  通过系统,可根据要求远程调整和设置各医用隔离电源系统中绝缘监测仪的各类报警参数阈值,也可以任意查看这些报警参数值。参数包括绝缘报警值、负载电流报警值和隔离变压器温度报警值等。

■ 图形显示功能:

  系统可以以曲线的形式,显示各套隔离电源系统的绝缘状况、负载状况,以及隔离变压器的温升状况,以及它们的变化趋势,以便于分管理人员了解和分析各电源系统的运行变化情况,有针对性的对某些系统进行维护和保养。

5.4 安科瑞医用IT系统四件套选型

医用IT系统绝缘监测产品(四件套)包括AITR S系列医用隔离变压器、AIM-M10医疗智能绝缘监测仪、AKH-0.66P26电流互感器和AID系列(AID10、AID150)外接报警与显示仪等,产品表2所示。

表2 医用IT系统绝缘监测产品(四件套)

6 结语 

   医疗场所内各个功能房间电气设备供电的可靠性和安全性直接决定就诊患者的生命安全,这使得电气安全问题相比于其他场所更为重要。医疗场所如何实现更加可靠、安全的供电,应当引起广大建筑电气设计人员的高度重视,避免因电气设计缺陷造成医护人员与患者人身安全隐患。

参考文献

[1] 王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].第3版.北京:中国电力出版社,2012: 5.

[2] 花植,谈IT系统在医疗场所的应用及设计实例.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版.

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