医疗IT隔离电源系统的设计及注意事项

关键词：医疗IT系统    绝缘监视仪     医疗场所
0 引言
       目前，对于医院供配电系统的可靠性和安全性要求越来越高，需要按JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》（以下简称《民规》）附录A中医院设备的负荷分级确定设备的负荷等级，且医疗场所内病人和医护人员的安全以及供电的连续性非常重要。
医疗场所需要更高的电气安全性原因：
       1）医院病人属于在生理上和智力上有缺陷的人，在电击等危险情况下的反应比正常人迟钝，更需要特别保护。病人在手术或插入导管时，表皮阻抗降低，电击的危险性增大。特别是胸腔手术，人体50uA的接触电流或50mV的接触电压就可致人死命。
       2）外科手术等不可以中断，ICU房间的某些医疗设备要持续供电，保证病人的安全。
针对上述上一条，剩余电流动作保护器对这种微电击无能为力，必须安装隔离变压器另设一局部的医疗IT系统来有效限制接触电流和接触电压。当然，还需辅以高要求的辅助等电位联结。对于维持生命的电气医疗设备，即使发生单相接地故障时也不能马上切断电源，IT系统相对于接零保护系统（TN）、保护接地系统（IT系统）而言，可以提供不间断的连续供电，防止突然断电对病人生命的威胁。
1医疗场所内接地系统的选择
       对于医疗场所的分类，根据《建筑物电气装置》中特殊装置或场所的要求将医疗场所分为0类、1类和2类场所。医疗场所和建筑的主配电盘出线不可以使用TN-C系统。因为在TN-C系统中，N线与PE线合用为一根，正常工作时，PEN线中有不平衡电流和单相负荷电流通过，造成设备外露可导电部分带电。如果PEN线断线，外露可导电部分带电会存在人身触电的危险。另外，PEN线电流会对医疗设备产生电磁干扰。所以TN-C系统不适合于医疗场所内对安全性要求高的场合。
在2类医疗场所中，TN系统仅用于下列回路：手术台驱动机构的供电电路；X光机回路（移入2类场所的移动式X光机）；额定功率大于5kV·A的大型设备回路；不重要的电气设备回路。IT统用于下列回路：医疗电气设备回路；支持生命的系统回路；外科手术设备回路；其他处于“患者区域”的电气设备回路。选择IT系统来达到更高的可靠性和安全性的原因如表1所示。
表1 TN系统与IT系统比较
 
 
2 医疗IT系统的设计与注意事项
1. 医疗IT系统的结构
       IT系统的电源要使用独立电源，例如：配电/隔离变压器、发电机组、电池和UPS。通常使用较多的是隔离变压器。图1为医疗IT系统的结构框图，隔离变压器后为IT系统，IT系统内带电导体和地之间没有直接的连接，所有设备的外露可导电部分要与地连接。在单相IT系统中，变压器二次侧无所谓相线和 N线之分，都是带电导体。
 
 
图1 IT 系统结构
2.设计注意事项
（1）常用单相IT系统，慎用三相IT系统
       在GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710:2002规定："用于移动式和固定式设备的医疗IT系统应采用单相变压器。如果也需要通过IT系统供电给三相系统，则应采用单独的三相变压器供电，其输出线电压不应超过250V。”一般在2类医疗场所中，IT系统的负荷为照明、医疗设备，都为单相用电设备。如果在某些场所需要三相IT负荷，就需要增加380/220V的降压变压器。但是当三相IT系统一相发生单相接地故障时，非故障相对地电压升高到原来相电压的√3倍，也就是380V。这样在选择线缆和设备时要特别关注耐压水平。目前在医疗IT系统中很少使用三相IT系统。
（2）绝缘监视仪的使用
 1）绝缘监视仪的工作原理。绝缘监视仪在连接带电导体和地之间叠加了一个测量电压UM，当发生绝缘故障时，绝缘故障RF产生一个与绝缘故障成正比的测量电流IM。测量电路在测量电阻RM上产生一个相应的电压降，这个测量电阻是通过绝缘监视仪的电子电路估算的。如果UM超过特定的值（相当于绝缘电阻降到特定值），就要输出报警信号。绝缘监视仪在发生单相接地故障时，绝缘监视仪报警。当发生第二次接地故障时（此时即为两相短路），保护电气设备动作，切断电路。
 2）绝缘监视仪响应值的设定。工作原理如图2所示。当操作绝缘监视仪的时候，要保证相关IT系统的全部绝缘电阻被测量。这个绝缘电阻的计算要加上所有并联引出线的接地电阻漏电流。绝缘监视仪的响应值应该近似按100Ω/V进行设定。如果绝缘监视仪安装于现有系统中，建议将响应值近似按50Ω/V进行设定。提及一个值得注意的问题，绝缘监视仪会在不是真正发生绝缘故障的时候报警，这可能是由于潮湿引起的（在绝缘监视仪很长时间没有使用的情况下）。一旦绝缘监视仪恢复到正常的工作状态后，通常会由于操作温度达到要求后潮湿情况的消失，绝缘电阻会自动升高。如表2所示列举了不同国家标准对绝缘电阻响应值的要求。在设计中遵循国标的要求，当绝缘电阻降至50kΩ时，应发出报警信号。
 
图2 绝缘监视仪工作原理
表2 不同国家标准对绝缘电阻响应值的要求
 
3）绝缘监视仪的保护。大多数绝缘监视仪都是通过两条导线与系统相连，在原理上，绝缘监视仪需要用熔断器进行保护。如果线缆上没有接头和插座设备，过载现象不会发生，所以不需要过载保护，只需要短路保护。对于本德尔公司的绝缘监视仪，建议用6A的熔断器保护。
4）绝缘监视仪与地的连接。绝缘监视仪要可靠接地，否则无法对绝缘电阻进行监测。本德尔公司的绝缘监视仪需要用两条独立的导线连接E 和NE端子到母排上。
（3）变压器的保护与负载的保护
       BG 16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002规定：“医疗IT系统变压器的进出线不允许装设过载保护，但可以用熔断器做短路保护。”如果用断路器做短路保护，要选择单磁型的断路器。目前ABB公司的260M断路器与施耐德公司的
C65H ICB微型断路器可以满足短路保护但不能满足过载保护。图1中变压器进线处和终端负载回路都用单磁型断路器。另外绝缘监视仪需要对变压器的过负荷和温度进行监视。
（4）IT系统必须配出PE线
       IT系统的本质是设备外露可导电部分要接地，所以IT柜要配出PE线。在医疗IT系统的设计中，有人提出这根PE线是否可以与TN—S系统的PE线合用，能否单独敷设IT系统的PE线到整个建筑的MEB，经过本文作者与国际电工委员会（IEC）编者的沟通，这根PE线可以跨接隔离
变压器与TN—S系统合用，TN—S系统不会对IT系统产生影响。
（5）绝缘故障定位
       医疗场所的IT系统安全级别要求很高，一旦发生绝缘故障，迅速找出故障点往往是用户比较关心的问题。这样就需要在绝缘监视仪报警后，更快地实现故障定位。绝缘故障定位可以防止电击、避免火灾的危险及避免控制回路的故障。
绝缘故障定位常用的方法是手动定位和自动定位。手动定位是电气维护人员使用专用仪器到现场进行测试，找出故障点；自动定位就是将绝缘故障定位仪器安装于IT系统内，实现在线式监测，减少人力。选择绝缘故障定位方式，应实现既可以快速找出故障点，又可以减少投资，使用IT系统的医疗场所为手术室、ICU 和CCU等，在设计中，一般一个手术室配一个 &; 配电柜，发生绝缘故障时范围比较小，采用手动定位的方式很快就能查到故障点。如果是面积比较大的ICU病房，采用自动定位的方式比较好，可以迅速地定位故障，便于维护人员排除故障。
（6）辅助等电位联结
       从安全防护角度出发1类和2类医疗场所的辅助等电位联结也是必需的。医疗IT系统要配以辅助等电位联结来保证“患者区域”内不同金属导体的电位相等。
3.安科瑞医疗IT系统的介绍及选型
3.1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，对于医院这一特殊场所的电气设计，应严格按照国家标准和规范要求，采用IT系统供电。
安科瑞医疗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。
3.2 隔离电源监控系统
       隔离电源监控系统用于集中监控医疗大楼内所有医疗２类场所医疗IT系统的运行状况。这种集中监控系统可以设置在医院电气运行和维护人员的值班室内，也可以集成在其它电力监控系统中，由电气人员进行监控，一旦某套IT系统出现故障，电气维护人员也能马上做出判断，并根据现场情况进行处理。
3.2.1 系统拓扑图
 
图3产品拓扑图
3.2.2软件功能
       安科瑞隔离电源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，为医院2类场所隔离电源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图4：
 
图4软件的主要功能
■ 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，从而方便工作人员及时到达现场进行故障排查；
■ 实时数据采集与显示
       利用安装于各隔离电源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如图5；
 
■ 故障报警
       将各隔离电源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隔离电源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如图6。
 
■ 图形显示功能：
       系统可以以曲线的形式，显示各套隔离电源系统的绝缘状况、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。
3.3 产品选型
表3 IT 系统绝缘监测及故障定位产品

 

名称及型号	产品图片	说明
AITR 系列隔离变压器		AITR 系列隔离变压器专用于医疗 IT 系统，铁芯采用日本进口的硅钢片叠加而成，损耗很小。绕组间采用了双重绝缘处理，并设有静电屏蔽屏，减少了绕组间的电磁干扰。线包内安装了 PT100 温度传感器，用于监测变压器温度。整体采用真空浸漆处理，增加了机械强度和抗腐蚀性。产品具有很好的温升性能和很低的噪声。
AIM-M200 医疗智能绝缘监测仪		AIM-M200 医疗智能绝缘监测仪采用先进的微控制器技术，集成度高，体积小巧，安装方便，集智能化、数字化、网络化于一身，是手术室、重症监护室等医疗2 类场所隔离电源系统绝缘监测的理想选择。
AKH-0.66P26 电 流互感器		AKH-0.66P26 型电流互感器是与 AIM-M200 绝缘监测仪配套使用的保护型电流互感器，可测电流为60A，变比是 2000：1，电流互感器采用螺丝直接固定的方式装于机柜内部，二次侧通过接线柱引出，安装和使用方便。
AIL100-4/AIL100-8绝缘故障定位仪		AIL100-4/AIL100-8 绝缘故障定位仪采用高灵敏度互感器配合高精度的信号检测电路，检测 ASG100 测试信号发生器注入系统中的信号，准确定位绝缘故障所在的回路。其中 AIL100-4 绝缘故障定位仪能定位 4 个回2路的绝缘故障，AIL100-8 绝缘故障定位仪能定位 8 个回路的绝缘故障。
ASG100 测试信号发生器		ASG100 测试信号发生器采用 32 位微处理器芯片和高精度的信号产生电路，实现特定测试信号的产生。当被监测的 IT 系统出现绝缘故障时，能及时启动并产生测试信号，配合绝缘故障定位仪实现绝缘故障定位。
DR-60-24 电源模块		DR-60-24 直流稳压电源可同时为 AIM-M200 智能绝缘监测仪、ASG100 测试信号发生器、AIL100 系列绝缘故障定位仪和 AID200 集中报警与显示仪等仪表提供直流 24V 电源。该电源功率大、电压输出稳定、安装方便，可满足上述仪表的供电要求，是推荐的电源产品。
AID200 集中报警与显示仪		AID200 集中报警与显示仪采用 LCD 液晶显示，采用自定义协议的 CAN 通讯接口与 AIM-M200 医疗智能绝缘监测仪实现数据信息交换，可实时监控多路 AIM-M200医疗智能绝缘监测仪的数据。

 

4.结束语
       医疗IT系统的可靠性和安全性决定了其设计要严格遵循国标的规定。对于医疗场所供电的其他要求，例如供电电源的切换时间要求，在JGJ16—2008《民用建筑电气设计规范》条文说明与BG 16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002附录B中有详细的要求。需要提及的是，《民用建筑电气设计规范》条文说明中的内容更详尽，在设计中，我们要依据《民用建筑电气设计规范》的要求进行设计。
【参考文献】
[1] 范丽丽，医疗IT系统的设计与应用
[2] 安科瑞医疗隔离电源监控系统设计与应用图集.2018.9版
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
 
作者介绍：王蒙蒙，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事工业绝缘监测的研发与应用。