淺談IT隔離電源在手術(shù)室低壓配電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】該文介紹了手術(shù)室低壓配電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)的原理和安全性，并分析低壓配電系統(tǒng)對手術(shù)室醫(yī)護人員和患者以及醫(yī)療設(shè)備的影響，提出保護醫(yī)護人員、患者人身安全和保證醫(yī)療設(shè)備安全運行的措施。

【關(guān)鍵詞】TN－S；IT；國際電工委員會；PE線；剩余電流保護器；總等電位聯(lián)結(jié)；局部等電位聯(lián)結(jié)；IT隔離電源；隔離變壓器

0前言

手術(shù)室是為患者提供手術(shù)及搶救的場所，承擔全院患者手術(shù)治療任務(wù)。手術(shù)室的電氣配電系統(tǒng)和接地的好壞，直接影響到患者和醫(yī)護人員的人身安全及手術(shù)過程中醫(yī)療設(shè)備的正常使用。根據(jù)國家有關(guān)負荷分級及供電要求的標準，醫(yī)院手術(shù)室作為不允許中斷供電的場所，需要是一級負荷中的特別重要負荷。因此對手術(shù)室的低壓配電系統(tǒng)要求很高，既要保證電氣裝置突發(fā)故障情況下不能斷電，又要保證患者和相關(guān)醫(yī)護人員的人身安全。本研究就手術(shù)室低壓配電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)進行概述，并重點分析兩種系統(tǒng)在手術(shù)室的應(yīng)用。

1低壓配電系統(tǒng)概述

國家相關(guān)電氣安全規(guī)范要求，手術(shù)室使用間接接觸防護低壓的配電系統(tǒng)主要指TN－S系統(tǒng)和IT系統(tǒng)［1］。

1.1 TN－S系統(tǒng)

在變電所電源端引出的低壓配電系統(tǒng)是3L＋1N＋1PE線。其中N線和PE線是分開的。PE線基本不通過電流，也不帶電位；只在發(fā)生接地故障時通過故障電流。因此電氣裝置的外露可導電部分對地面平時幾乎不帶電位，比較安全。

1.2 IT系統(tǒng)

在變電所電源端不做系統(tǒng)接地或經(jīng)高電阻接地，只做保護接地，用戶端電氣裝置接地系統(tǒng)做等電位聯(lián)結(jié)的系統(tǒng)。IT系統(tǒng)平時需要使用絕緣監(jiān)測器（IMD）監(jiān)測電氣裝置的絕緣水平。當發(fā)生一次接地故障時由于故障電流沒有返回電源的通路，故障電流很小，在保護接地的接地電阻R上產(chǎn)生的對地面故障電壓很低，不致引發(fā)電擊事故，不會切斷供電電源。但IMD會發(fā)出報警信號，提示系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障，在手術(shù)完成后應(yīng)停電檢修。如果不及時檢修排除故障而繼續(xù)帶故障運行，當發(fā)生第二次接地故障時就轉(zhuǎn)變成相間短路，這是因為手術(shù)室各種醫(yī)療設(shè)備PE線相互連通，在某些情況下當?shù)谝慌_醫(yī)療設(shè)備外露可導電部分發(fā)生接地故障時，使得其接地故障電流通過PE線傳遞到相鄰醫(yī)療設(shè)備的外露可導電部分上，當?shù)诙_醫(yī)療設(shè)備外露可導電部分也發(fā)生接地故障，也就是發(fā)生第二次接地故障時，兩臺醫(yī)療設(shè)備的相線和PE線之間形成短路電流回路，導致設(shè)備的操作人員發(fā)生電擊傷害事故。IT系統(tǒng)就演變成TN系統(tǒng)或TT系統(tǒng)。只能通過過電流保護電器或剩余電流保護器（RCD）強制切斷供電電源，造成手術(shù)間停電跳閘。IT系統(tǒng)一般不引出N線，這是因為當引出N線時，IT系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，相間對地電壓將升高為380 V，N線對地電壓將為220 V，導致醫(yī)療設(shè)備的絕緣損壞；同時醫(yī)護人員的直接接觸或間接接觸的預(yù)期接觸電壓可高達380 V，電擊死亡危險變大［2］。由于沒有引出N線，不能提供220 V電源電壓，其應(yīng)用受到限制。它主要適用于對供電不間斷要求很高的地方。如醫(yī)院的手術(shù)室、重癥監(jiān)護病房（ICU）等一旦發(fā)生系統(tǒng)短路造成停電危及患者生命安全的場所。

2手術(shù)室的接地系統(tǒng)概述

手術(shù)室的接地系統(tǒng)包括總等電位聯(lián)結(jié)和局部等電位聯(lián)結(jié)?？偟入娢宦?lián)結(jié)是通過進線配電箱旁的接地母排將下級配電箱的PE線、建筑物的金屬結(jié)構(gòu)和接地裝置互相連通，形成一個大的接地系統(tǒng)。局部等電位聯(lián)結(jié)是在局部場所內(nèi)將各個可導電部分連通，也可將就近的PE線、金屬管道和建筑物金屬構(gòu)件連通，形成一個局部的接地系統(tǒng)。當發(fā)生單相接地故障時，局部等電位聯(lián)結(jié)可以進一步減少接地電阻，從而進一步降低接觸電壓，這是局部等電位聯(lián)結(jié)的優(yōu)勢所在。

3手術(shù)室低壓配電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)的應(yīng)用

按照國際電工委員會標準，醫(yī)療場所按照醫(yī)療電氣設(shè)備與人體接觸的狀況、斷電的危險程度和允許間斷供電時間的分級分為0類、1類、2類場所［3］。其中2類場所內(nèi)可以使用用于心臟手術(shù)的醫(yī)療設(shè)備或是中斷供電將導致生命危險的醫(yī)療設(shè)備。手術(shù)室就是2類場所，需要使用IT系統(tǒng)或TN－S系統(tǒng)，不允許使用TN－C系統(tǒng)。

前面提到的IT系統(tǒng)發(fā)生第一次接地故障時既不切斷電源，又不發(fā)生電擊事故，只通過絕緣監(jiān)測器發(fā)出報警信號，第一次接地故障時保護電器動作特性需滿足下列公式：

RA Id≤50V

RA—外露可導電部分的接地電阻（Ω）；Id—發(fā)生第一次接地故障時，相線和外露可導電部分阻抗可忽略不計的故障電流（A）。

為滿足上述公式的要求，應(yīng)降低接地極的接地電阻RA，或者減少設(shè)備對地正常泄漏電流以及限制線路總長度［4］。所以手術(shù)室發(fā)生第一次接地故障時接觸電壓會控制在50 V以下，對現(xiàn)場操作的醫(yī)護人員和手術(shù)患者是安全的。根據(jù)國家電氣安全的相關(guān)規(guī)范標準，在干燥環(huán)境下發(fā)生接地故障時預(yù)期接觸電壓不允許＞50 V，潮濕環(huán)境下≤25 V，水下環(huán)境≤12 V。手術(shù)間的IT系統(tǒng)故障狀態(tài)下*高允許不停電的接觸電壓只能是50 V，醫(yī)護人員接觸＞50 V就可能發(fā)生觸電危險。

手術(shù)室的進線配電箱使用的IT系統(tǒng)，但為了能提供給監(jiān)護儀、呼吸機、麻醉機等醫(yī)療設(shè)備220 V的電壓，應(yīng)使用380／220 V的變壓器，這種變壓器既起到變換電壓的作用，又有安全隔離的效果。其容量≥0.5 kVA，但≤10 kVA。在隔離變壓器后IT系統(tǒng)局部等電位聯(lián)結(jié)。醫(yī)療設(shè)備的PE線在和局部等電位聯(lián)結(jié)后仍和醫(yī)院內(nèi)TN－C－S系統(tǒng)或TN－S系統(tǒng)的PE線連通，但手術(shù)室不能再單獨打接地極，以免發(fā)生重復接地的錯誤。因為如果在別處發(fā)生單相接地短路時，當通過PE線傳遞接地故障電流經(jīng)過手術(shù)間正常使用的醫(yī)療設(shè)備上的外露可導電部分時，瞬間使得該地局部等電位聯(lián)結(jié)面上醫(yī)療設(shè)備和地的電位同時升高。相對于設(shè)備與地之間無電位差，使手術(shù)臺上的患者和相鄰操作醫(yī)療設(shè)備的醫(yī)護人員免受電擊傷害。而如果手術(shù)室出現(xiàn)重復接地時，就會因為局部等電位聯(lián)結(jié)與大地“0"電位之間出現(xiàn)電位差，對手術(shù)間人員人身安全十分不利。由于兩個接地系統(tǒng)間可能出現(xiàn)電位差，通過別處PE線傳遞過來的雜散電流會竄進監(jiān)護儀、呼吸機、麻醉機等精密醫(yī)療設(shè)備當中，干擾設(shè)備的各種參數(shù)，甚至會擊穿精密的電路板。

手術(shù)室總的進線配電箱使用的是TN－S系統(tǒng)，即3L＋1N＋1PE的接線方式。但IEC規(guī)定離手術(shù)臺周邊水平距離1.5 m，高度為2.5 m內(nèi)被稱為患者環(huán)境。圍繞著患者環(huán)境的手術(shù)臺鄰近手術(shù)間懸臂吊塔應(yīng)采用局部醫(yī)療IT系統(tǒng)供電。在懸臂吊塔上的插座主要用于維持生命或進行外科手術(shù)的醫(yī)療設(shè)備。使用1：1變比的單相隔離變壓器通過懸臂吊塔的插座給生命支持醫(yī)療設(shè)備供電，將局部醫(yī)療IT系統(tǒng)內(nèi)所有的醫(yī)療設(shè)備和隔離變壓器的PE線端子及進線配電箱的PE線端子相連通，以保證整個局部患者環(huán)境處在局部等電位聯(lián)結(jié)的保護范圍內(nèi)。手術(shù)室等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)中，局部等電位聯(lián)結(jié)端子板與插座PE線端子、醫(yī)療設(shè)備PE線端子，以及裝置外可導電部分等連接線和連接點的電阻總和≤0.2Ω，使整個手術(shù)室接地系統(tǒng)的電位差接近相等。

手術(shù)室應(yīng)將IT系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測的聲光信號安裝在合適的位置，使醫(yī)務(wù)人員在手術(shù)過程中便于監(jiān)視。應(yīng)以不同顏色的燈光顯示系統(tǒng)不同的絕緣狀況。當絕緣電阻下降時，*遲降至50 kΩ時應(yīng)發(fā)出信號。在故障未排除前不允許切斷，音響信號允許中止，但燈光信號不應(yīng)切斷。

在實際工程中，也可以在同一手術(shù)間內(nèi)分別設(shè)計TN－S系統(tǒng)和IT系統(tǒng)的插座，懸臂吊塔采用IT系統(tǒng)供電，手術(shù)間墻壁采用TN－S系統(tǒng)供電。但應(yīng)嚴格區(qū)分和標記清楚，相關(guān)醫(yī)療設(shè)備防止混插。提供生命支持的設(shè)備，如呼吸機、麻醉機、監(jiān)護儀及手術(shù)無影燈等醫(yī)療設(shè)備需要使用IT系統(tǒng)的插座，以保證在一次接地故障時保護電氣裝置不跳閘。而其他手術(shù)輔助醫(yī)療設(shè)備可使用TN－S系統(tǒng)的插座。每個系統(tǒng)有各自的過電流保護裝置和剩余電流保護器，以免TN－S系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時過電流保護裝置或剩余電流保護器跳閘殃及IT系統(tǒng)。分開設(shè)計的*大優(yōu)點就是降低隔離變壓器的容量和發(fā)熱，提高隔離變壓器的使用壽命，使隔離變壓器能更好地為IT系統(tǒng)服務(wù)。

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)

參考文獻

［1］王厚余.建筑物電氣裝置600問［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［2］賀湘琨.GB 50054－2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》與《建筑物電氣裝置》系列標準條文關(guān)聯(lián)對照表［J］.建筑電氣，2012，31（3）：58－64.

［3］洪元頤，洪元頤，張文才，等.中國電氣工程大典：建筑電氣工程［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［4］文濤.手術(shù)室低壓配電系統(tǒng)和接地系統(tǒng).

［5］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版

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，