手術室配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的設計與應用.doc

手術室配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的設計與應用 劉靜安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801摘 要 參考IEC標準中對手術室內電源系統(tǒng)級絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的規(guī)定和要求，結合國家有關規(guī)范和標準，對手術室配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)作了設計和應用舉例；論述了絕緣監(jiān)測儀的測量原理和應用范圍；分析IT系統(tǒng)電網(wǎng)接地故障及應用的局限性。關鍵詞 手術室配電 絕緣監(jiān)測 IT系統(tǒng)電網(wǎng) 故障目前在醫(yī)院的手術室中，大量采集電氣醫(yī)療設備，其中對接觸人體內臟（心臟）、大腦等器官的醫(yī)療電氣設備需進行絕緣監(jiān)測和特殊保護。我國的標準、規(guī)范中，設計醫(yī)療電氣設備安全保護、絕緣監(jiān)測方面的條款，不甚詳細、也不全面，暫未能與IEC 364-7-710（建筑物內的電氣安裝第7部分：對特殊區(qū)域安裝的要求）標準接軌。筆者就手術室內配電、絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的設計及設備選型，作一些探討。1 IEC 標準中對手術室電源及絕緣監(jiān)測的規(guī)定IEC 364-7-710（1997）（建筑物內的電氣安裝）第七部分：對特殊區(qū)域的特殊安裝的要求710節(jié)：醫(yī)療場所中，把醫(yī)療場所按電擊危險分組和按不間斷供電要求分級，同時屬于第2應用組的0.5級別的場所，僅有手術準備室、手術室、特別監(jiān)護室；對上述場所IEC 364-7-71041315規(guī)定：除了IEC 364-7-71041313條規(guī)定外的設備，用于維持生命或外科手術的醫(yī)療電氣設備、照明和類似照明設備，額定電壓超過AC250V或DC60V的設備，必須使用帶絕緣電阻監(jiān)測儀器的IT電源系統(tǒng)，該儀器還應滿足：內部交流絕緣電阻必須大于100K。測試電壓不大于DC25V。即使在故障條件下，測試電流不得超過1mA。最遲在絕緣電阻降至50K時，應有顯示，應提供一測試儀器測試該設備。如果接地線或電路連線松開，應有顯示。2 民用建筑電氣設計規(guī)范（JGJ/T16-2008）的規(guī)定及問題提出在民用建筑電氣設計規(guī)范（JGJ/T16-2008）（以下簡稱民規(guī)）中，僅在第14.7.6.3條提出“在電源突然中斷后，有招致重醫(yī)療危險的場所，應采用電力系統(tǒng)不接地（IT系統(tǒng)）的供電方式”。第14.2.8條：“IT系統(tǒng)必須裝設絕緣監(jiān)測儀及接地故障報警或顯示裝置”。在有的實際設計中，僅對重要的醫(yī)療場所，采用專用醫(yī)療隔離變壓器，引出IT系統(tǒng)電源，在房間配電箱內設一套絕緣監(jiān)測裝置，系統(tǒng)圖如圖1所示。圖1 IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測上述設計過于簡單，籠統(tǒng)，且有的絕緣監(jiān)測儀器的測量技術方法落后，不能準確、可靠地顯示與報警，給手術室等重要醫(yī)療場所的配電留下了極大隱患。3 手術室配電、絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的設計根據(jù)醫(yī)用電氣設備（GB9706.1-93 ）中“第一部分：安全通用要求”，結合IEC 364-7-710、民規(guī)，筆者總結以往手術室配電、絕緣監(jiān)測設計經(jīng)驗，對手術室配電及絕緣監(jiān)測作如下設計探討。3.1 設計舉例a. 監(jiān)測儀選用安科瑞電氣股份有限公司的產品。b. 由于手術室安裝大量的單相醫(yī)療電氣設備，采用IT系統(tǒng)電源，需配出N線。據(jù)民規(guī)第8.6.6.6條要求，在N線上須裝設過流保護器。因此，采用兩極（單相）低壓斷路器，在IT系統(tǒng)電源發(fā)生第二次異相接地（短路）故障時，切斷相線或N線。c. 采用AITR6300隔離變壓器，滿足單相負荷要求。d. 采用AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀，它具有如下功能：監(jiān)測絕緣阻抗，范圍為10999K。監(jiān)測負載電流，范圍為2.150A。監(jiān)測隔離變壓器溫度。在線監(jiān)測儀表和電網(wǎng)、N線、PE線的連接。在線監(jiān)測儀表與電流互感器的連接。在線監(jiān)測儀表與溫度傳感器的連接。兩路繼電器報警輸出、LED報警指示。 當AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀連接電流互感器AKH-0.66P26，可用于監(jiān)測隔離變壓器的負荷狀況；采用隔離變壓器內部的溫度傳感器PT100（見圖2、圖3中的接線端子ST），可監(jiān)測變壓器溫度狀況。e. 選用AID系列外接報警與顯示儀，安裝于手術室內信息控制面板上，顯示AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀的所有信息，并具有遠程設置AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀的報警參數(shù)等功能。f. 圖2中各儀表之間的通信通過RS485接口實現(xiàn)，圖3中各儀表之間的通信通過CAN接口實現(xiàn)。g. 選用儀表專用電源ACLP10-24，保證儀表所用電源的可靠性與穩(wěn)定性。ACLP10-24能將AC220V轉換為DC24V。3.2 手術室配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的典型設計圖例按照上述儀表選用及設計原則，手術室單相IT系統(tǒng)電源配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)圖(不帶故障定位)如圖2所示,儀表功能及報價如表1所示。圖2 單相IT系統(tǒng)電源監(jiān)視系統(tǒng)接線（不帶故障定位功能）表1 不帶故障定位功能儀表的功能及報價表名稱型號功能價格（元）絕緣監(jiān)測儀AIM-M100具有對被監(jiān)測的IT系統(tǒng)對地絕緣電阻、隔離變壓器負荷電流、變壓器繞組溫度實時監(jiān)測及故障報警功能。15600直流穩(wěn)壓電源ACLP10-24儀表專用的直流穩(wěn)壓模塊，導軌式安裝300報警與顯示儀AID100具有絕緣電阻、變壓負荷率實時顯示功能；可遠程設置絕緣監(jiān)測儀的報警閥值。900AID120電流互感器AKH-0.66P26與AIM-M100絕緣監(jiān)測儀配套使用的保護型電流互感器。最大可測電流為50A,變比為2000:1。150手術室單相IT系統(tǒng)電源配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)圖（帶故障定位功能）如圖3所示，儀表功能及報價如表2所示。圖3 單相IT系統(tǒng)電源監(jiān)視系統(tǒng)接線（帶故障定位功能）表2 帶故障定位功能儀表的功能及報價表名稱型號功能價格（元）絕緣監(jiān)測儀AIM-M200具有監(jiān)測IT系統(tǒng)絕緣電阻、負荷電流、變壓器繞組溫度的功能，可配合絕緣故障儀準確定位系統(tǒng)絕緣故障回路。采用兩種現(xiàn)場總線通訊技術，分別用于集中報警與顯示儀、測試信號發(fā)生器、絕緣故障定位儀以及上位機管理軟件通訊。儀表具有斷線故障監(jiān)測、兩路繼電器輸出和事件記錄功能。19600集中報警與顯示儀AID200采用CAN通訊，可遠程顯示多達16套絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況，也可以遠程設置各類報警閥值和啟動各種監(jiān)測自檢。儀表可實時監(jiān)控監(jiān)測儀通訊是否完好，并可記錄20條事件記錄。900測試信號發(fā)生器ASG100采用CAN總線技術，可與其他設備進行數(shù)據(jù)交互。當系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時，可產生故障定位信號注入系統(tǒng)中，配合故障定位儀定位故障回路，具有電網(wǎng)斷線監(jiān)測功能。3780絕緣故障定位儀AIL100-4采用CAN總線技術，可與其他設備進行數(shù)據(jù)交互。當系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時，配合信號發(fā)生器實現(xiàn)故障定位功能，AIL100-4可定位4個回路絕緣故障，AIL100-8可定位8個回路絕緣故障。6050AIL100-88050直流穩(wěn)壓電源DR-60-24為AIM-M200、ASG100、AIL100和AID200提供直流24V的穩(wěn)壓電源450電流互感器AKH-0.66P26和AIM-M200配套使用的保護型電流互感器，用于測量被監(jiān)測IT系統(tǒng)當前的負荷電流。1503.3 儀表的選型及安裝： A.儀表的技術數(shù)據(jù)、參數(shù)：AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀、AITR系列隔離變壓器、AID系列報警與顯示儀、ASG100測試信號發(fā)生器、AKH-0.66P26電流互感器、AIL100絕緣故障定位儀、ACLP10-24電源模塊的技術參數(shù)分別見表3表9。表3 AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀技術參數(shù) 型號參數(shù)AIM-M100AIM-M200輔助電源電壓AC220V（可波動范圍10%) DC24V（可波動范圍25%)頻率50/60Hz 最大功耗8VA 3VA絕緣監(jiān)測絕緣電阻測量范圍10999k相對百分比誤差010% 報警值范圍50999k響應時間2s 測量電壓12V 測量電流50uA 電流監(jiān)測測量范圍2.150A 報警值可設范圍550A 測量精度5級 顯示方式百分比顯示數(shù)值和百分比顯示溫度監(jiān)測熱敏電阻PT100測量范圍-50+200報警值范圍0+200 報警輸出輸出方式2路繼電器輸出（可編程） 2路繼電器輸出（不可編程）觸點容量AC 250V/3A DC 30V/3A 通訊2路RS485接口，Mod bus-RTU協(xié)議1路RS485接口，Mod bus-RTU協(xié)議1路CAN接口，自定義協(xié)議環(huán)境工作溫度-10+50 存儲溫度-20+70相對濕度5%-95%，不結露 海拔高度2500m額定沖擊電壓/污染等級4KV/3EMC電磁兼容和電磁輻射符合IEC61326-2-4表4 AITR系列隔離變壓器技術參數(shù)額定容量3.15KVA/6.3KVA/8KVA/10KVA短路電壓96%額定輸入電壓230V最高環(huán)境溫度40輸出電壓230V/115V空載溫升33沖擊電流（IE）12In滿負荷溫升76泄漏電流180uA耐壓4200V/分鐘空載輸出電壓（U0）235V絕緣等級H空載輸出電流（I0）3% In噪聲等級40dB (A)表5 AID系列報警與顯示儀技術參數(shù)參數(shù) 型號 AID100AID120AID200輔助電源電壓DC 24V功耗 0.6W絕緣電阻顯示范圍0999k絕緣報警范圍50999k變壓器負載率顯示百分比顯示負載電流報警設置14A、18A、22A、28A、35A、45A溫度報警設置范圍+200報警方式聲光報警報警類型絕緣故障、過負荷、超溫、設備故障通訊方式RS485接口 MODBUS-RTU協(xié)議CAN接口，自定義協(xié)議顯示方式數(shù)碼管顯示12832點陣液晶顯示表6 ASG100測試信號發(fā)生器技術參數(shù)輔助電源電壓DC24V(25%) 最大功耗2VA被監(jiān)測系統(tǒng)額定電壓AC 220 V(10%) 額定頻率45 60Hz 定位信號定位電壓25V a.c.r.m.s. 定位電流1mA r.m.s. 通訊方式CAN通訊 協(xié)議自定義協(xié)議表7 AIL100絕緣故障定位儀技術參數(shù) 項目 指標AIL100-4AIL100-8輔助電源電壓DC24V(25%) 最大功耗2VA被監(jiān)測系統(tǒng)額定電壓AC 220 V(10%) 額定頻率45 60Hz 定位信號定位電壓25V a.c.r.m.s. 定位電流1mA r.m.s. 故障定位最大回路數(shù)4路8路響應時間2s通訊方式CAN通訊 協(xié)議自定義協(xié)議表8 AKH-0.66P26電流互感器技術參數(shù)輸入電流0.5mA50A使用頻率范圍0.02-10 KHZ輸出電流0.02525 A負載電阻0.75mm2 最長1m儲存溫度-40+75單芯雙絞線0.75mm2 最長10m副邊內阻范圍95120隔離耐壓5000Vac精度0.5%線性度0.5%表9 ACLP10-24電源模塊技術參數(shù)輸入電壓AC 220V（可波動范圍10%) 頻率50/60Hz功率3W輸出電壓DC 24V5%電壓調整率30%溫升20抗電強度4000V AC/分鐘 B. 安裝：隔離變壓器可安裝于醫(yī)院內靠近手術室的配電間內，AID系列報警與顯示儀安裝于手術室或監(jiān)控室易于觀察和操作的位置，明裝與墻上。4 絕緣監(jiān)測儀的類型及監(jiān)測原理 絕緣監(jiān)測儀對IT系統(tǒng)電網(wǎng)的絕緣進行連續(xù)不斷的監(jiān)測，當絕緣值降至預先設計的響應值，則發(fā)出聲光報警，使絕緣故障得到及時的監(jiān)測和維修，保證了IT系統(tǒng)電網(wǎng)供電可靠性。4.1 疊加直流測量電壓法 在電網(wǎng)和保護導線之間疊加一個直流測量電壓，其正極經(jīng)高阻抗耦合電阻與電網(wǎng)連接，負極經(jīng)一電子電路與大地相連，當IT系統(tǒng)電網(wǎng)中出現(xiàn)絕緣故障，測量電路經(jīng)絕緣故障處閉合，這時直流測量電流I m經(jīng)絕緣故障處流過測量電阻R m, I m由電子電路評估。 圖4 疊加直流測量電壓法原理 該測量方法只能使用于純交流單相或三相電網(wǎng)內，如果電網(wǎng)內有直流元件、大電容，或電壓頻率的變化均會影響該方法的準確性。4.2 不對稱電壓測量法 該測量方法采用一橋電路與被監(jiān)的電網(wǎng)兩極相連接，如圖5所示。電網(wǎng)內不疊加任何電壓信號，而是使用電網(wǎng)電壓作為驅動電壓。當某相發(fā)生對地故障時，會引起電壓漂移，Rf+或Rf-驅動測量電流I m，該電流被電子電路記錄下來，當數(shù)值達到響應值時，報警繼電器動作。擔當發(fā)生一個平衡的對地短路故障，儀器則不能識別該故障。且方法不能直接顯示對地的k級的絕緣故障。該測量方法適用于直流電網(wǎng)中。 圖5 不對稱電壓測量法原理 5 IT系統(tǒng)電網(wǎng)接地故障分析 IT系統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)生第一次接地故障時，據(jù)民規(guī)第8.6.4.15條：可自動切斷電源，采用絕緣監(jiān)測儀進行聲光報警，應在最短時間內排除故障。如IT系統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)生第二次接地故障，如在圖6中，在設備發(fā)生接地故障后，設備又發(fā)生接地故障，故障點遭受線電壓，造成短路故障，危害極大。手術室、手術準備室、特別監(jiān)護室，在醫(yī)院內的地理位置如相距較遠，則醫(yī)療電氣