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针对医疗场所电源配置及供配电设计解决方案

更新时间:2023-02-27点击次数:587次
针对医疗场所电源配置及供配电设计解决方案
任运业
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:针对不同医疗场所,结合医疗负荷分级,从维持供电时间和恢复供电时间的角度分析相应的电源配置和配电措施,以构建适合医疗场所的可靠供配电系统。
关键词:医疗场所;电源配置;安全电源;维持供电;负荷分级;恢复供电;主结线;配电措施
0前言
     医疗建筑用电设备种类繁多,用途各异,为确保对患者实施及时的诊断、抢救、治疗,供电的可靠性要求高于普通建筑;同时,在整个诊断、抢救、治疗过程中,患者和医务人员都会面对不同的医疗电气设备,如何保障安全用电显得尤为重要。医疗建筑中电气系统须以安全、可靠为原则。在对患者实施诊断、抢救、治疗以及医院的整个营运过程中,从维持 
供电时间和恢复供电时间的角度,需要采取相应的电源配置及配电措施,确保重要负荷供电的连续性,避免对生命安全、人身安全造成影响。
 
1医疗场所电源配置及供配电系统原则
     医疗场所分类及自动恢复供电时间参照了现行国家标准GB16895. 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》 和 IEC 60364 - 710: 2018 《Requirements for special installations or locations - Medical locations》。 
     医疗场所分类体现了医疗场所在电气安全方面对患者的影响。如果正常电源发生故障,安全电源应通电,以在规定的时间内和预定的转换期内,为安全设施供电[1]。从恢复供电时间要求角度,把医疗场所安全电源分为 4 类,见表 1。对于医疗场所的电源配置和供电措施具有具体指导意义和实际可操作性。
     而国内标准 JGJ 312 - 2013《医疗建筑电气设计规范》则结合负荷分级、自动恢复供电时间和维持供电时间的角度对医疗场所电源配置及供配电措施提出要求,以满足医疗场所内自动恢复供电时间及供电可靠性要求。负荷分级是国内电气设计一个通行原则。 
    可以说负荷分级从电源配置和供电系统的角度对医疗场所的供电安全和系统造价予以约定,而医疗场所自动恢复供电时间则从配电措施角度,对医疗场所允许中断供电时间予以明确,二者相互补充。在实际项目中,应将二者兼顾构建合理的电气系统。
表1 医疗场所安全电源分类
2医疗场所电源类型
     JGJ 312 - 2013 将医疗场所供电电源分成工作电源、备用电源、应急电源 3 大类。根据不同项目规模、医院等级,3 种电源有不同的组合方式,如图 1 所示。
2.1备用电源
     根据 JGJ 312 规定医疗场所备用电源可以是另一路市电或自备应急电源。而自备应急电源可以是独立于正常电源的柴油发电机组、蓄电池、干电池。备用电源在 GB 16895. 24 - 2005、GB 51039 - 2014 《综合医院建筑设计规范》 和 IEC 60364 - 710:2018 中又称为安全电源。备用电源需满足以下 3 个条件: 
      a.电容容量。作为备用电源,当正常电源故障时,其电源容量应能满足医疗场所中全部一、二级负荷的供电容量。
图1 医疗场所的电源配置类型
     b. 恢复供电时间。备用电源恢复供电时间应满足医疗场所中自动恢复供电的时间要求;IEC 60364- 710:2018 附录 B 及 JGJ 312 - 2013 表 3. 0. 2 中有具体描述和要求。 
     c. 维持供电时间。对于要求恢复供电时间不大于0. 5s的设备对应的医疗场所一般可以在3 h 内完成医疗处理工作,故要求其备用电源供电维持时间不应小于 3 h。
2.1.1第二路市电作为备用电源
     当第二路市电作为备用电源时,其电源容量及维持供电时间能比较容易满足备用电源要求。在于恢复供电时间的要求,通常对于 0. 5 级负荷,会采用增设 UPS 供电。而 15 级的负荷,其供电方案视市电的运行情况而定。当市电为同时工作互为备用运行方式时,对于 15 s 内自动恢复供电的设备采用分别来自两台变压器的 2 个供电回路,末端进行双电源切换供电,能满足 15 级负荷的切换时间要求;当市电为一用一备运行方式,备用电源则需考虑设置备自投,否则不能满足 15 级负荷的恢复供电时间要求。
2.1.2柴油发电机作为备用电源
     当采用柴油发电机作为备用电源时,柴油发电机容量为满足容量要求,机组容量相对来讲会比较大。无特殊情况下,对于规模较大的医院不考虑此方案。从恢复时间角度,发电机在 15 s 内启动带载,可满足15 级负荷要求。从维持时间角度,需考虑设置室外储油罐或协议供油的方式,以满足 24 h 供电时间要求。
2.2应急电源
     JGJ 312 - 2013 要求,三级医院应设置应急柴油发电机组,二级医院宜设置应急柴油发电机组作为应急电源。应急电源的供电容量应保证一级负荷中特别重要的负荷用电,并宜保证一级负荷的用电。可见,应急电源是针对于特别重要负荷而设置,同时其他重要负荷亦可接入发电机供电系统。对于柴油发电机组的供油时间,三级医院应大于 24 h,二级医院宜大于12 h,二级以下医院宜大于 3 h;因二级以下医院主要考虑生命支持系统,这与备用电源对于要求恢复供电时间不大于 0. 5 s 场所及设备需维持 3 h 的要求是吻合的。
     当市电作为备用电源时,柴油发电机组作为应急电源,此时柴油发电机组供电容量应保证一级负荷中特别重要的负荷用电,并宜保证一级负荷的用电。 
     当柴油发电机组作为备用电源时,柴油发电机组兼顾备用电源及应急电源角色,其情况与第2.1.1条相同。
2.3 医疗场所典型电源配置方案
     由于备用电源、应急电源的切换有固有时间需求,医疗场所中对于恢复供电时间为0.5级的特别重要负荷 (生命支持设备)和恢复供电时间 0级设备(主要指医疗电子设备) 需要另行配置UPS电源来作为供电连续性的保障。结合前文分析,医疗场所典型电源配置方案见表2。
3 典型医疗场所供配电措施
     以表2方案一为例,其对应的供配电系统主结线方案如图 2 所示。该方案可满足大型三级医疗建筑的供电要求,系统主要有以下特点:
表 2 医疗场所典型电源配置方案
 
图 2 典型医疗场所供配电主结线示意图
表 3 典型医疗场所的配电措施
注:表中标注“*"的部分为高于规范要求的措施,在实际项目中基于医院要求可能会采用该配置方式,具体实施工程中可与医院进行沟通和讨论。
    a. 从电源配置的角度:采用双重 10 kV 电源+ 柴油发电机,市电运行方式为同时工作,互为备用。柴油发电机作为应急电源,主要供特别重要负荷和部分一级负荷。 
    b. 从电源维持时间的角度:正常情况市电作为备用可满足 24 h 要求。柴油发电机可采用设置室外储油罐或协议供油方式,满足应急电源的维持供电时间要求。 
    c. 从负荷分级及恢复供电时间的角度:低压系统采用单母线分段接线,并设置独立的消防应急段、普通负荷保障母线段、特别重要负荷母线段。 
    ① 对于消防负荷采用双电源末端切换供电,其中备用回路取自消防应急段,负荷 G。 
    ② 对于一级负荷,采用双电源末端切换供电(负荷 B)。若一级负荷需要发电机保障,则其备用回路取自普通负荷保障段 (负荷 D);若一级负荷恢复供电时间为 0. 5 s 或 0 s,末端需设置 UPS (负荷 F)。 
    ③ 对于特别重要负荷,设置特别重要负荷保障母线段,采用双电源末端切换供电,其中备用回路取自特别重要负荷保障段 (负荷 C)。 
    ④ 满足运营要求的非一级负荷,采用油机保障段单回路供电 (负荷 E)。 
    ⑤ 对于恢复供电时间为 15 s 的非一级负荷,采用来自 2 台变压器的回路末端切换供电 (负荷 A)。 
    ⑥ 对于二、三级负荷,采用单回路供电。根据前面分析,基于表 2 和图 2,针对大型三级 
医疗建筑典型医疗场所的配电措施,如表 3 所示 (见上页)。表中包含典型医疗场所用电设备以及公用设施设备。医疗场所参照 JGJ 312 - 2013 表 3. 0. 2 进行划分。
4安科瑞AcrelEMS-MED医院能源管理平台
4.1平台概述
     AcrelEMS-MED医院能源管理平台充分结合《医疗建筑电气设计规范》《绿色医院建筑评价标准》、《医院建筑能耗监管系统建设技术导则》等行业规范、根据医院用户需求以及能源管理部门要求,采集分析能源、能耗、能效数据,监测以电能质量、智慧用电相关指标以及其他用能指标,并与国家能源政策与用能模式改革结合。能够辅助医院后勤管理人员进行能源供应系统及设备的运行管理工作,帮助医院管理层实时掌握医院的能耗情况,为医院能源信息化建设和节能管理提供了良好的技术平台。
4.2平台组成
     安科瑞医院能源管理系统建立基于云平台的“监、控、维"一体化的能源管理系统,从数据采集、设备控制、数据分析、异常预警、运维派单、系统架构和综合数据服务等方面的设计,帮助医院后勤管理部门了解医院能源运行情况,关注消防和电气安全,及时预警异常情况,提高运维效率。它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所运维云平台,配电房综合监控系统,能耗管理系统,智能照明控制系统,智慧消防平台,电气火灾监控系统,消防设备电源监控系统,防火门监控系统,消防应急照明和疏散指示系统,充电桩管理系统,电能质量治理解决方案,医疗隔离电源解决方案。
4.3平台拓扑图
4.4平台子系统
4.4.1医院电力监控解决方案
     电力监控系统实现对变压器、柴油发电机、断路器以及其它重要设备进行监视、测量、记录、报警等功能,并与保护设备和远方控制中心及其他设备通信,实时掌握供电系统运行状况和可能存在的隐患,快速排除故障,提高医院供电可靠性。
     电力监控系统主要针对开闭所和10/0.4kV变电所,对高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控,对0.4kV出线配置多功能计量仪表,用于测控出线回路电气参数和用能情况。同时对医院重要设备如柴油发电机、无功补偿装置、有源滤波装置、UPS、隔离电源系统状态进行监测。
 
 
4.4.2医院变电所运维云平台解决方案
     AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力传感器、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术,通过智能网关采集现场数据并存储在本地,再定时向云平台推送数据。平台采集的数据包括变电所回路电气参数和变压器温度、环境温湿度、浸水、烟雾、视频、门禁等信息,有异常发生10S内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到工作人员手机上,并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环,提高运维效率,即时发现运行缺陷并做消缺处理。
 
4.4.3医院配电房综合监控系统解决方案
      Acrel-2000E配电室综合监控系统,可实现开关柜运行监控、高压开关柜带电显示、母线及电缆测温监测、环境温湿度监测、有害气体监测、安防监控,可对灯光、风机、除湿机、空调控制等设备进行联动控制。实现动力环境各数据的检测与设备控制,优化动力环境,避免运行环境的失控导致配电设备运行故障,保证维护人员安全,延长设备使用寿命,实现配电动力环境的分布式远程管理。
4.4.4医院能耗管理系统解决方案
     对建筑各类耗能设备能耗数据进行实时测量,对采集数据进行统计和分析。能够合理的确定各科室建筑能耗经济指标及绩效考核指标,发现能源使用规律和能源浪费情况,提高人员主动节能的意识。
     ① 搭建医院智慧能源管理系统的基本框架,对各个用能环节进行实时监测;
     ② 排碳数据化:通过系统可实现建筑单位内人均能耗分析(包括水、电、能量),实现低碳办公数据化;
     ③ 区域能效比:实现建筑单位内区域能耗对比,方便能耗考核;
     ④ 同期能效比:实现同年、同期、同一区域能耗对比,方便节能数据分析;
     ⑤ 能耗评估管理:按照能源消耗定额标准约束值、标准值、引导值进行分析单位面积能耗和人均能耗指标;
     ⑥ 能耗竞争排名:各个科室能耗对比,实现能耗排名,增强全院工作人员的节能意识;
     ⑦ 对能耗的使用数据进行综合的分析、统计、打印和查询等功能,并根据能耗监测管理系统的需要可选择不同样式报表的打印。为能耗运营管理部门提供可靠的依据;
     ⑧ 能耗数据采集,随时查询,并根据采集数据进行统计分析,监测异常能源用量,对能源智能仪表故障进行报警,提高系统信息化、自动化水平。
 
4.4.5医院智能照明控制系统解决方案
     医院人流比较密集,科室较多,照明用电在医院电能消耗中约占到15%左右。所以合理使用照明控制系统,在提升医生和患者的体验情况下大程度使用自然光照明,通过感应控制做到人来灯亮,人走灯灭或保持地强度照明,尽量解决照明用电。
      ASL1000智能照明控制系统可以实现场景控制、时间控制、区域控制、光照度感应控制以及红外感应控制等多种控制方式,能有效避免公共区域的照明浪费,还可以帮助医院管理照明。
系统在配电箱内的模块主要有总线电源、开关驱动器、IP网关、耦合器、干接点输入模块等。这些模块使用35mm标准导轨安装。
      安装在控制现场的模块主要有光照度传感器、红外传感器和智能面板。有人经过可以设定红外感应控制亮灯,人离开后在设定的时间内熄灯,智能面板等手动控制设备,可实现自动控制、现场控制和值班室远程控制相结合。
4.4.6医院智慧消防平台解决方案
     智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术,将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络,并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位,实时动态采集消防信息,通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析,帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防,实现智慧消防“自动化"、“智能化"、“系统化"需求。从火灾预防,到火情报警,再到控制联动,在统一的系统大平台内运行,用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况,并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下,在几秒时间内,相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段,就迅速能够迅速通知到达相关人员。
4.4.7医院电气火灾监控系统解决方案
     电气火灾监控系统作为火灾自动报警系统的预警子系统,由电气火灾监控主机、电气火灾监控单元、剩余电流式电气火灾探测器以及测温式电气火灾探测器组成,通过现场总线构成一套完整的预防电气火灾的监控系统,数据可集成至企业消控室监控系统。
   医院电气火灾监控系统以建筑为单位设置,采集数据后上传至值班室监控主机,实现对建筑电气安全预警。现场设置的传感器监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度,异常时实时发出报警信号,关注门诊楼、住院楼、医技楼等区域漏电或者电缆发热等问题。
4.4.8医院消防设备电源监控系统解决方案
     医院消防安全非常重要,消防设备比较多,消防设备电源监控系统主要功能就是用于监测消防设备的工作电源是否正常,保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。
消防设备电源监控监控系统采用消防二总线,以建筑为单位设置区域分机采集消防设备电源状态,区域分机通过二总线接收多台传感器的电压、电流信息和开关状态信息,以此实现对消防设备电源工作状态的实时监视。
4.4.9医院防火门监控系统解决方案
     医院防火门数量比较多,由于部分区域经常有人走动,常开常闭防火门数量都不少,防火门监控系统的作用就是监测防火门开闭状态,在发生火灾后自动关闭常开防火门,防止烟雾扩散。防火门监控系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来,用于监测和控制防火门状态,当防火门发生异常位置信号时,防火门监控器能发出故障报警信号,指示故障报警部位并保存故障报警信息。发生火灾时,关闭事故区域所有常开防火门,防止烟雾向安全区域扩散。
4.4.10医院消防应急照明和疏散指示系统解决方案
     医院人员流动性强,密度大,消防比较复杂,一旦发生火灾,疏散指示系统非常重要。消防应急照明和指示系统可以和火灾报警系统联动,提供应急照明和疏散路径指示,指引人群快速找到疏散出口,并可以一键选择疏散应急预案,提升人员逃生概率。
4.4.11医院有源谐波治理系统解决方案
     都是谐波源,比如X光机、CT机等都会产生大量谐波,谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。对于医院的精密化验设备可能会产生干扰。
     为了消除配电系统谐波对医院设备的影响,方案配置AnSinI有源滤波器,滤除电网2~31次谐波干扰。
AnSinI系列有源电力滤波装置,以并联方式接入电网,通过实时检测负载的谐波和无功分量,采用PWM变流技术,从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统,从而实现谐波治理和无功补偿。
4.4.12医院充电桩系统解决方案
     医院停车场有电动汽车和电动自行车,均需要提供充电桩。充电桩管理系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控,解决物业、用电管理部门的充电桩使用、监控问题。电动自行车充电可采用投币、扫码充电方式,电动汽车支持IC卡和扫码充电方式。远程充电桩系统可实时远程完成启动充电、强制停止、单价设置等控制指令,用户可通过APP、微信、支付宝小程序扫描二维码,进行支付后,系统发起充电请求,控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警;能够远程控制,提供财务报表和数据分析等功能。
4.4.13医院医疗隔离电源解决方案
    《民用建筑电气设计规范》14.7.6.3条明确规定:在电源突然中断后,重大医疗危险的场所,应采用电力系统不接地(IT系统)的供电方式。同时《医院洁净手术部建筑技术规范》GB50333-2002中规定:2类医疗场所在维持患者生命,外科手术和其他位于患者周围的电气装置均应采用医用IT系统。如:抢救室(门诊手术室)、手术室、心脏监控治疗室、导管介入室、血管照影检查室等。
      安科瑞电气股份有限公司的医疗隔离电源解决方案是针对医疗Ⅱ类场所的供电需求而开发设计的,能够很好的满足各类手术室和重症监护室对电源安全性和可靠性的要求,并符合国家相关标准。
 
4.5相关平台部署硬件选型清单
4.5.1电力监控系统硬件配置
 
 
 
 
 
4.5.2变电所运维云平台硬件配置
 
 
 
4.5.3电房综合监控系统硬件配置方案
 
 
 
4.5.4能耗管理系统硬件配置方案
 
 
4.5.5智能照明控制系统硬件配置方案
 
 
 
 
 
4.5.6智慧消防平台硬件配置方案
 
 
4.5.7电气火灾监控系统硬件配置方案
 
4.5.8消防设备电源监控系统硬件配置方案
 
 
4.5.9防火门监控系统硬件配置方案
 
 
4.5.10消防应急照明和疏散指示系统硬件配置方案
 
 
 
 
4.5.11有源谐波治理系统硬件配置方案
英寸大屏慕彩色触摸屏以实现参数设置和控制,使用方便,易于操作和维护。
 
4.5.12充电桩运营收费平台硬件配置方案
 
 
4.5.13医疗隔离电源解决方案硬件配置方案
 
 
6结束语
     医疗场所供电安全是医疗建筑电气设计内容之一,本文根据医疗场所自动恢复供电时间和医疗场所负荷分级的要求,从电源配置及配电措施的角度进行分析,并给出典型医疗场所电源配置方案和典型医疗场所配电措施供行业电气设计人员参考。文中仅以大型三级医院为例,且由于医疗场所多样性,表 3 中亦未包括完整,具体应用时应根据医疗场所对电源安全性和连续性需求进行分析,合理配置相应电源及配电措施。

参考文献
[1]郑宇.医疗场所电源配置及供配电措施.
[2]王甫,于妍.医疗建筑负荷等级及应急供电方案[J]智能建筑电气技术2019(1):62 - 66.
[3]蔡英琪,黄舒予. 医疗建筑电气设计要点分析[J]建筑电气2017(7):28 - 35.
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.
作者简介:
任运业,男,现任职于安科瑞电气股份有限公司。主要从事医院能源管理系统的研发与应用。


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