淺談醫用IT隔離電源在手術室供配電系統設計中的應用

淺談醫用IT隔離電源在手術室供配電系統設計中的應用

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】結合新修訂的國標圖集19D706-2《醫療建筑電氣設計與安裝》，對手術部、手術室的定義及設計中需參考的規范進行梳理，提出多種手術室供配電系統解決方案，同時對手術室供配電系統中的IT系統設計、UPS選型等重點及難點問題進行分析。

【關鍵詞】2類醫療場所；IT系統；微電擊；患者區域；在線式工頻UPS；潔凈手術部；自動恢復供電時間；接地故障

1概述

潔凈手術部的英文全稱是Clean Operating Department，是由潔凈手術室、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域。潔凈手術室的英文全稱是CleanOperating Room，是采用空氣凈化技術，把手術環境空氣中的微生物粒子及微?？偭拷档皆试S水平的手術室，發生電擊或中斷供電將嚴重危及患者的生命安全，因此手術室對供電安全性、可靠性要求極高。

國標圖集19D706-2《醫療建筑電氣設計與安裝》（以下簡稱《圖集》）16頁對手術部供電列舉了3種常用的示例；56~59頁對手術室配電列舉了2種常用的示例，同時對手術室電氣平面布置、手術室專用插座箱進行示例；74~75頁對手術部、手術室配電系統進行示例；128頁、137頁、144頁從產品選用角度提出了手術室配電系統的解決方案。為了讓電氣設計人員更有效地參考《圖集》內容，有必要對手術室供配電系統進行更詳細的分析。

2手術室供配電系統設計

2.1參考規范

手術室電氣設計常用的設計規范有：

a．JGJ 312-2013《醫療建筑電氣設計規范》；

b．GB 51039-2014《綜合醫院建筑設計規范》；

c．GB 50333-2013《醫院潔凈手術部建筑技術規范》；

d．GB 50052-2009《供配電系統設計規范》；

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療場所》。國內與醫院電氣設計有關的規范，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，建議大家予以關注。

2.2負荷分級、醫療場所類別及電源選擇

2.2.1負荷分級

JGJ 312-2013表4.2.1中規定，二級以上醫院手術室、術前準備室、術后恢復室、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。手術室用電負荷等級如表1所示。

2.2.2醫療場所類別

GB 51039-2014及GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710：2002對醫療場所的分類如下：

a．0類：不使用醫療電氣設備接觸部件的醫療場所；

b．1類：醫療電氣設備接觸部件需要與患者體表、體內（除2類醫療場所所述部位以外）接觸的醫療場所；

c．2類：醫療電氣設備接觸部件需要與患者體內（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療場所［2-3］。

醫療場所類別劃分中手術室屬于2類醫療場所，手術室內涉及生命安全的電氣設備及照明自動恢復供電時間t≤0.5 s，不涉及的要求自動恢復供電時間0.5 s

關于2類醫療場所，從其定義可知重點強調兩個方面：

a．微電擊：心臟或接近心臟部位，其關注點是“微電擊”。按IEC標準，進行心臟手術的醫療電氣設備正常泄漏電流不得大于10μA，當發生一個接地故障時，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條規定：要求恢復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小于3 h［1］。

GB 50333-2013對潔凈手術部供電要求如下：

a．第11.1.2條：潔凈手術部應采用獨立雙路電源供電［5］；

b．第11.1.3條：有生命支持電氣設備的潔凈手術室要設置應急電源。自動恢復供電時間應符合下列要求：①生命支持電氣設備應能實現在線切換。②非治療場所和設備應小于等于15 s。③應急電源工作時間不應小于30 min［5］。

綜合負荷分級、醫療場所類別以及自動恢復供電時間等相關要求，二級以上醫院手術部供電應采用獨立雙路電源供電+柴油發電機的供電方式。

手術部內對于要求自動恢復供電時間t≤0.5 s的負荷，應設置不間斷電源裝置（UPS），UPS應急電源工作時間不小于30 min。對于要求自動恢復供電時間0.5 s

表1醫療建筑用電負荷分級

表2醫療場所及設施的類別劃分與要求自動恢復供電的時間

注：（a）指的是涉及生命安全的電氣設備及照明。

2.3手術部整體供配電方案比較

手術部供電系統按UPS設置位置劃分，可分為集中式和分布式，按IT系統與非IT（TN-S）系統的組合方式劃分，可分為共用配電箱及分設配電箱方式。以下列舉常見的5種手術部供配電方案：

方案一：手術部集中設UPS，IT系統與非IT系統共用配電箱方案，結構示意如圖1所示。

方案二：手術室分布設UPS（總箱），IT系統與非IT系統共用配電箱方案，結構示意如圖2、圖3所示。

方案三：手術室分布設UPS（IT系統），IT系統與非IT系統共用配電箱方案，結構示意如圖4、圖5所示。

方案四：手術部集中設UPS，IT系統與非IT系統分設配電箱方案，結構示意如圖6所示。

方案五：手術部集中設UPS（IT系統），IT系統與非IT系統分設配電箱方案，結構示意如圖7所示。

手術部供電方案分析：

a．集中式UPS：適用于大型手術部的手術室，可適當考慮同時使用系數，UPS總安裝容量小，經濟性好。獨立設置的UPS間，可設置機房空調，有利于散熱、巡視、檢修、降噪等，進一步增加了供電可圖1手術部集中設UPS，IT系統與非IT系統共用配電箱方案靠性。弊端是當UPS故障時，受影響區域較大。

方案一、方案四、方案五均為集中式UPS系統。

方案一、方案四將手術部全部負荷納入UPS供電，提高了整個手術部的供電可靠性，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院建設中使用。方案五僅將手術部IT系統及1類場所納入UPS供電，既保證了供電可靠性，又體現出很高的經濟性，因此該方案在手術部的供配電設計中被廣泛使用。

圖2手術室分布設UPS（總箱），IT系統與非IT系統共用配電箱方案

圖3手術室分布設UPS（總箱），IT系統與非IT系統共用配電箱方案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，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，建議設置UPS監控系統，對運行參數及電池狀態進行遠程監控。

方案二、方案三為分布式UPS系統。方案二將手術室全部負荷納入UPS供電，提高了手術室的供電可靠性，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院建設中使用。方案三僅將手術室IT系統納入UPS供電，既保證了供電可靠性，又體現出很高的經濟性，此方案也是手術部供配電設計中經常使用的方案之一。方案二與方案三同時演化出手術部雙總箱末端互投的供配電方案（圖3、圖5），可供電氣設計人員靈活選用。IT系統與非IT系統分別設置配電箱：把手術室內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。手術部的供配電設計可根據工程實際情況，結合項目投資等因素，選擇適用的供配電方案。在設計時，需重點注意三相平衡的問題。手術部通常設有多間手術室，而IT系統為單相負荷，嚴重三相不平衡時會導致斷路器跳閘，設計時應注明每間手術室IT系統的相序，確保手術部整體三相平衡。

圖4手術室分布設UPS（IT系統），IT系統與非IT系統共用配電箱方案Ⅰ

圖5手術室分布設UPS（IT系統），IT系統與非IT系統共用配電箱方案Ⅱ

2.4手術室配電系統設計

《圖集》選用了2種典型的手術室配電系統方案。56頁為手術室IT系統與非IT系統分設配電箱方案，結構示意如圖8所示。57頁為IT系統與非IT系統，結構示意如圖9所示。2個典型的手術室配電系統方案，可與2.3節中不同的手術部供配電方案配合使用。

需要注意，醫療場所局部IT系統隔離變壓器的一次側與二次側設置短路保護，不設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害，因此沒必要因為過負荷而切斷IT系統供電電源。

圖6手術部集中設UPS，IT系統與非IT系統分設配電箱方案共用配電箱方案

1類和2類醫療場所應選擇安裝A型或B型剩余電流保護器。常規建筑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型功能的基礎上，增加脈動直流保護；B型RCD在AC型功能的基礎上，增加脈動直流保護及直流保護。

3手術室供配電系統設計重點難點問題分析

3.1 IT系統設計要點

3.1.1何處設置

根據JGJ 312-2013第5.4.4條：2類醫療場所除手術臺驅動機構、X射線設備、額定容量超過5 kVA的設備、非生命支持系統的電氣設備外，用于維持生命、外科手術、重癥患者的實時監控和其他位于患者區域的醫療電氣設備及系統的回路，均應采用醫療場所局部IT系統供電［1］。

3.1.2患者區域

在醫院的2類醫療場所內離手術臺周邊水平距離1.5 m，高度為2.5 m內的區域被稱為“患者區域”，如圖10所示。根據IT系統設置要求及“患者區域”的示意圖可知，手術室內的吊塔、治療用電插座箱、無影燈應納入IT系統供電。手術室照明、中央情報面板等與“微電擊”無關，可不納入IT系統供電，但為保證其供電連續性，建議納入UPS供電。

圖7手術部集中設UPS（IT系統），IT系統與非IT系統分設配電箱方案

圖8 IT系統與非IT系統分設配電箱方案

圖9 IT系統與非IT系統共用配電箱方案

3.1.3接地故障分析

IT系統電源端不做系統接地，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，電氣設備外露可導電部分接到電氣裝置的PE線上，并設置輔助等電位聯結。當出現接地故障時，故障電流僅為流過自隔離變壓器到手術設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，使電氣設備繼續運行，并可通過絕緣監測裝置發出報警并及時消除故障，大大提高了系統供電的可靠性。醫用IT系統需與絕緣故障監測裝置配合使用，當絕緣電阻值降至50 kΩ時發出報警，聲光報警裝置設置在護士站等便于監視的場所。第一次接地故障時，IT系統實際變成了TN系統運行，不切斷電源。但是如果不及時排除故障，當發生第二次接地故障時，相當于TN系統接地短路，斷路器動作［7］。

圖10“患者區域”示意圖

采用醫用IT系統，電氣設備的正常泄漏電流值小于10μA，發生第一個接地故障時，故障電流值小于50μA，不會對手術患者產生“微電擊”；同時，發生第一個接地故障時，絕緣監測裝置僅發出報警并不切斷電源，可充分保證生命支持系統的電氣設備持續供電，從而保證手術室的用電安全。

3.2 UPS選型

依據電路結構的不同，UPS主要分為后備式UPS、互動式UPS、在線式UPS 3種：

圖11 IT系統接地故障示意圖

a.后備式UPS和互動式UPS結構類似，市電供電時逆變器不工作，切換到蓄電池供電時，將有4 ms左右的逆變器轉換延時時間，廣泛應用于家用計算機，建筑電氣設計中涉及較少。

b．在線式UPS結構示意如圖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的電壓波動、頻率漂移等電能質量問題，真正實現了對負載的穩壓、穩頻、不間斷供電，且在市電和蓄電池間的轉換時間為零。因此，在線式UPS在醫療、通信、金融等行業應用廣泛，也是電氣設計人員應該熟悉的重點類型［8］。

按常用產品分類，UPS可分為工頻UPS、高頻UPS：

a．高頻機與工頻機*大的區別是使用IGBT替代晶閘管整流，無隔離變壓器。

b．工頻機結構示意如圖13所示，相較于高頻機，在輸入端電能質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上對后端負載提供持續、可靠穩定的電源供給。

JGJ 312-2013第4.4.6條規定：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，應設不間斷電源裝置（UPS），且宜為在線式。TN-S系統中的不間斷電源裝置（UPS）輸出端為三相時，應加裝三相隔離變壓器并做重復接地。GB 50333-2013第11.1.3條：有生命支持電氣設備的潔凈手術室要設置應急電源。自動恢復供電時間應符合下列要求：生命支持電氣設備應能實現在線切換。結合規范要求及UPS結構特點，建議手術室設計采用在線式工頻UPS。

圖12在線式UPS結構示意

圖13工頻UPS結構示意

4醫用隔離電源監控系統的選型與應用

4.1概述

隨著電子醫療設備在醫院領域的廣泛應用，漏電流對病人構成的威脅也越來越大，尤其是那些生命攸關的場所，病人在手術中或麻醉狀態下，各種電極、傳感器直接插入人體內，微小的漏電流都有可能導致病人觸電身亡。另外有些醫療設備用于維持重癥病人的生命，一旦設備停電，也會對病人的生命構成威脅。因此，對于醫療這一特殊場所的電氣設計，應嚴格按照國家標準和規范進行。安科瑞醫用IT系統絕緣監測故障定位裝置及系統適用于醫院的手術室、ICU(CCU)監護病房等重要場所，能為這類場所提供安全、連續、可靠的供電解決方案。

4.2應用場所

適用于醫院的手術室、各類重癥監護室、搶救室、內窺鏡室及造影室等醫療二類場所的醫用隔離電源系統的遠程監控及自動化。

4.3系統架構

4.4系統功能

安科瑞IT配電監控系統是基于觸摸屏軟件設計，軟件具有遠程測量、遠程參數設置和遠程自檢等多種功能，為各類場所的IT配電系統的集中監控提供了強大的系統集成工具。軟件的主要功能如下：

一次圖和現場分布顯示

系統具有一次圖及現場分布圖顯示功能，能直觀的了解并及時地發現IT供電系統的報警地點或區域，從而方便專業人員及時到達現場進行故障排查；

實時數據采集與顯示

利用安裝于各IT配電系統中絕緣監測儀表和絕緣故障定位儀表，采集各隔離電源系統的參數。采集到的數據實時顯示在監控系統界面，這些監測參量含IT系統對地絕緣電阻、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配電系統出現的各類故障，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、監測值、故障地點以及故障發生時間等信息。同時啟動監控系統的聲光報警系統，及時提醒相關人員，進行故障處理。其中，聲音報警信號可被手動消除。

遠程參數設置和查詢

通過系統，可根據要求遠程調整和設置各IT配電系統中絕緣監測儀的各類報警參數閾值，也可以任意查看這些報警參數值。參數包括絕緣報警值、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

系統可以以曲線的形式，顯示各IT配電系統的絕緣狀況、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的運行變化情況，有針對性的對某些系統進行維護和保養。

審核編輯 黃宇