淺談IT隔離電源在手術(shù)室供配電系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】結(jié)合新修訂的國標圖集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體不接地，電氣設(shè)備外露可導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，當發(fā)生第二次接地故障時，相當于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)

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標準有透徹的理解，更需要大家不斷學習、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。

參考文獻

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［6］中國建筑標準設(shè)計研究院.19D706-2醫(yī)療建筑電氣設(shè)計與安裝［M］.北京：中國計劃出版社，2019.

［7］涂路.手術(shù)室及ICU電氣設(shè)計［EB/OL］.（2019-11-08）［2020-03-24］

［8］孫海龍，李后飛.手術(shù)室供配電系統(tǒng)設(shè)計探討.

［9］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，