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浅谈医用IT隔离电源在手术室低压配电系统和接地系统中的应用

更新时间:2023-05-24点击次数:876次
浅谈医用IT隔离电源在手术室低压配电系统和接地系统中的应用

任运业

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】该文介绍了手术室低压配电系统和接地系统的原理和安全性,并分析低压配电系统对手术室医护人员和患者以及医疗设备的影响,提出保护医护人员、患者人身安全和保证医疗设备安全运行的措施。

【关键词】TN-S;IT;国际电工委员会;PE线;剩余电流保护器;总等电位联结;局部等电位联结;医用IT隔离电源;隔离变压器

0前言

手术室是为患者提供手术及抢救的场所,承担全院患者手术治疗任务。手术室的电气配电系统和接地的好坏,直接影响到患者和医护人员的人身安全及手术过程中医疗设备的正常使用。根据国家有关负荷分级及供电要求的标准,医院手术室作为不允许中断供电的场所,需要是一级负荷中的特别重要负荷。因此对手术室的低压配电系统要求很高,既要保证电气装置突发故障情况下不能断电,又要保证患者和相关医护人员的人身安全。本研究就手术室低压配电系统和接地系统进行概述,并重点分析两种系统在手术室的应用。

1低压配电系统概述

国家相关电气安全规范要求,手术室使用间接接触防护低压的配电系统主要指TN-S系统和IT系统[1]。

1.1 TN-S系统

在变电所电源端引出的低压配电系统是3L+1N+1PE线。其中N线和PE线是分开的。PE线基本不通过电流,也不带电位;只在发生接地故障时通过故障电流。因此电气装置的外露可导电部分对地面平时几乎不带电位,比较安全。

1.2 IT系统

在变电所电源端不做系统接地或经高电阻接地,只做保护接地,用户端电气装置接地系统做等电位联结的系统。IT系统平时需要使用绝缘监测器(IMD)监测电气装置的绝缘水平。当发生一次接地故障时由于故障电流没有返回电源的通路,故障电流很小,在保护接地的接地电阻R上产生的对地面故障电压很低,不致引发电击事故,不会切断供电电源。但IMD会发出报警信号,提示系统出现接地故障,在手术完成后应停电检修。如果不及时检修排除故障而继续带故障运行,当发生第二次接地故障时就转变成相间短路,这是因为手术室各种医疗设备PE线相互连通,在某些情况下当第一台医疗设备外露可导电部分发生接地故障时,使得其接地故障电流通过PE线传递到相邻医疗设备的外露可导电部分上,当第二台医疗设备外露可导电部分也发生接地故障,也就是发生第二次接地故障时,两台医疗设备的相线和PE线之间形成短路电流回路,导致设备的操作人员发生电击伤害事故。IT系统就演变成TN系统或TT系统。只能通过过电流保护电器或剩余电流保护器(RCD)强制切断供电电源,造成手术间停电跳闸。IT系统一般不引出N线,这是因为当引出N线时,IT系统发生单相接地故障,相间对地电压将升高为380 V,N线对地电压将为220 V,导致医疗设备的绝缘损坏;同时医护人员的直接接触或间接接触的预期接触电压可高达380 V,电击死亡危险变大[2]。由于没有引出N线,不能提供220 V电源电压,其应用受到限制。它主要适用于对供电不间断要求很高的地方。如医院的手术室、重症监护病房(ICU)等一旦发生系统短路造成停电危及患者生命安全的场所。

2手术室的接地系统概述

手术室的接地系统包括总等电位联结和局部等电位联结。总等电位联结是通过进线配电箱旁的接地母排将下级配电箱的PE线、建筑物的金属结构和接地装置互相连通,形成一个大的接地系统。局部等电位联结是在局部场所内将各个可导电部分连通,也可将就近的PE线、金属管道和建筑物金属构件连通,形成一个局部的接地系统。当发生单相接地故障时,局部等电位联结可以进一步减少接地电阻,从而进一步降低接触电压,这是局部等电位联结的优势所在。

3手术室低压配电系统和接地系统的应用

按照国际电工委员会标准,医疗场所按照医疗电气设备与人体接触的状况、断电的危险程度和允许间断供电时间的分级分为0类、1类、2类场所[3]。其中2类场所内可以使用用于心脏手术的医疗设备或是中断供电将导致生命危险的医疗设备。手术室就是2类场所,需要使用IT系统或TN-S系统,不允许使用TN-C系统。

前面提到的IT系统发生第一次接地故障时既不切断电源,又不发生电击事故,只通过绝缘监测器发出报警信号,第一次接地故障时保护电器动作特性需满足下列公式:

RA Id≤50V

RA—外露可导电部分的接地电阻(Ω);Id—发生第一次接地故障时,相线和外露可导电部分阻抗可忽略不计的故障电流(A)。

为满足上述公式的要求,应降低接地极的接地电阻RA,或者减少设备对地正常泄漏电流以及限制线路总长度[4]。所以手术室发生第一次接地故障时接触电压会控制在50 V以下,对现场操作的医护人员和手术患者是安全的。根据国家电气安全的相关规范标准,在干燥环境下发生接地故障时预期接触电压不允许>50 V,潮湿环境下≤25 V,水下环境≤12 V。手术间的IT系统故障状态下*高允许不停电的接触电压只能是50 V,医护人员接触>50 V就可能发生触电危险。

手术室的进线配电箱使用的IT系统,但为了能提供给监护仪、呼吸机、麻醉机等医疗设备220 V的电压,应使用380/220 V的变压器,这种变压器既起到变换电压的作用,又有安全隔离的效果。其容量≥0.5 kVA,但≤10 kVA。在隔离变压器后IT系统作局部等电位联结。医疗设备的PE线在和局部等电位联结后仍和医院内TN-C-S系统或TN-S系统的PE线连通,但手术室不能再单独打接地极,以免发生重复接地的错误。因为如果在别处发生单相接地短路时,当通过PE线传递接地故障电流经过手术间正常使用的医疗设备上的外露可导电部分时,瞬间使得该地局部等电位联结面上医疗设备和地的电位同时升高。相对于设备与地之间无电位差,使手术台上的患者和相邻操作医疗设备的医护人员免受电击伤害。而如果手术室出现重复接地时,就会因为局部等电位联结与大地“0"电位之间出现电位差,对手术间人员人身安全十分不利。由于两个接地系统间可能出现电位差,通过别处PE线传递过来的杂散电流会窜进监护仪、呼吸机、麻醉机等精密医疗设备当中,干扰设备的各种参数,甚至会击穿精密的电路板。

手术室总的进线配电箱使用的是TN-S系统,即3L+1N+1PE的接线方式。但IEC规定离手术台周边水平距离1.5 m,高度为2.5 m内被称为患者环境。围绕着患者环境的手术台邻近手术间悬臂吊塔应采用局部医疗IT系统供电。在悬臂吊塔上的插座主要用于维持生命或进行外科手术的医疗设备。使用1:1变比的单相隔离变压器通过悬臂吊塔的插座给生命支持医疗设备供电,将局部医疗IT系统内所有的医疗设备和隔离变压器的PE线端子及进线配电箱的PE线端子相连通,以保证整个局部患者环境处在局部等电位联结的保护范围内。手术室等电位联结系统中,局部等电位联结端子板与插座PE线端子、医疗设备PE线端子,以及装置外可导电部分等连接线和连接点的电阻总和≤0.2Ω,使整个手术室接地系统的电位差接近相等。

手术室应将IT系统的绝缘监测的声光信号安装在合适的位置,使医务人员在手术过程中便于监视。应以不同颜色的灯光显示系统不同的绝缘状况。当绝缘电阻下降时,*迟降至50 kΩ时应发出信号。在故障未排除前不允许切断,音响信号允许中止,但灯光信号不应切断。

在实际工程中,也可以在同一手术间内分别设计TN-S系统和IT系统的插座,悬臂吊塔采用IT系统供电,手术间墙壁采用TN-S系统供电。但应严格区分和标记清楚,相关医疗设备防止混插。提供生命支持的设备,如呼吸机、麻醉机、监护仪及手术无影灯等医疗设备需要使用IT系统的插座,以保证在一次接地故障时保护电气装置不跳闸。而其他手术辅助医疗设备可使用TN-S系统的插座。每个系统有各自的过电流保护装置和剩余电流保护器,以免TN-S系统出现接地故障时过电流保护装置或剩余电流保护器跳闸殃及IT系统。分开设计的*大优点就是降低隔离变压器的容量和发热,提高隔离变压器的使用寿命,使隔离变压器能更好地为IT系统服务。

4医用隔离电源监控系统的选型与应用

4.1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。

4.2应用场所

适用于医院的手术室、各类重症监护室、抢救室、内窥镜室及造影室等医疗二类场所的医用隔离电源系统的远程监控及自动化。

4.3系统架构

4.4系统功能

安科瑞IT配电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,为各类场所的IT配电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:

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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IT配电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IT配电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IT配电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IT配电系统的绝缘状况、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。

4.5安科瑞产品功能和技术参数

参考文献

[1]王厚余.建筑物电气装置600问[M].北京:中国电力出版社,2013.

[2]贺湘琨.GB 50054-2011《低压配电设计规范》与《建筑物电气装置》系列标准条文关联对照表[J].建筑电气,2012,31(3):58-64.

[3]洪元颐,洪元颐,张文才,等.中国电气工程大典:建筑电气工程[M].北京:中国电力出版社,2009.

[4]文涛.手术室低压配电系统和接地系统.

[5]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,安科瑞电气股份有限公司,主要从事医用IT隔离电源系统的研发与应用。


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