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浅谈医院手术室供配电的设计与应用

更新时间:2021-06-04      点击次数:1079

摘 要:参考国际及国外对医疗领域的相应标准,结合我国有关的规范﹑标准,对手术室供配电系统作出了探讨;论述了IT配电系统在医院的应用范围;分析了IT系统接地故障的特点;提出了医院手术室IT电源系统的基本配置。 
关键词:手术室配电系统、故障、绝缘监视、漏电;防雷;接地
1 引言
随着医疗、电子、电器技术的飞速发展,现代医疗日益依赖于电气和电子设备。人们对医院手术室的环境要求越来越高,过去的一些设计远不能满足人们对安全保障的要求。尤其是手术室中大量设备触及人体内脏和大脑等器官,如发生电气漏电故障,很容易发生电气事故。如何保护医院的病人以及医护人员不受漏电事故的伤害已经变得非常重要,已经受到了国内外的继电保护专家和医生们的普遍关注。许多国家和国际标准都对医疗领域,尤其是那些生命攸关的场所,如手术室﹑重症监护室心﹑脏监护室等处的医用配电系统做出了特殊规定,其目的就是保证为该场所内的医疗电器设备提供一个安全可靠的电源,以确保病人的安全。
2 电击对人体的伤害
电流流入人体主要有三种后果。首先是灼伤,特别是在电流流入和流出人体的地方。其次是肌肉的麻痹,它可能短暂地使呼吸停止。第三是电击造成心脏发生心室纤维性颤动,这种心室纤维性颤动会造成心室和心瓣膜的失调,从而使血液循环停止。前两种结果会使人感到不适,但很少造成持久性损伤,而发生心室纤维性颤动则需尽快进行处理,否则会造成脑损伤或死亡。
电击对人体造成伤害的程度取决于两个因素:流过人体的电流大小、电流流过人体的时间。IEC标准中明确标出了15~100Hz的交流电对人体的影响与时间和电流大小的关系。 
在正常情况下,人体对电击的自 然反映可以避免或减少电流对人体的伤害。一,人体的皮肤电阻可以限制流过人体的流量。二,肌肉在受到电击时会收缩,一般能够使人体迅速脱离电源。
3 相关规范对医院手术室配电系统的规定
国外相关标准有德国的DINVDE0107﹑法国的NFC15-211﹑美国的NFPA99-1993﹑IEC(国际电工协会)60364-7-710.在国际电工协会IEC60364标准中规定,在医疗领域,由电网电源供电,用于维持生命或外科手术的医疗电器设备﹑以及用于手术室照明和类似照明设备﹑额定电压超过AC25V或DC60V的设备,需要使用带绝缘电阻监视仪的IT电源系统。
同时我国《民用建筑电气设计规范》中14.7.6.3中规定在电源突然中断后,有招致重大医疗危险的场所,应采用电力系统不接地(IT系统)的供电方式;14.2.8中规定IT系统需要装设绝缘监视及接地故障报警系统或显示装置。以及我国2002年11月26日发布,
12月1日开始实施的《医疗洁净手术部建筑技术规范》8.3.1.3中规定洁净手术部用电应从本建筑物配电中心专线供给。根据使用场所的要求,主要选用TN-S系统和IT系统两种形式;8.3.2.3中规定洁净手术室内的电源宜设置漏电检测报警装置;8.3.4.2中规定心脏外科手术室需要设置有隔离变压器的功能性接地系统等相关规定。
4 IT系统,即中性点不接地配电系统的特点
(1)IT系统降低了接触电压和电网对地漏电流,人身触电危险降到最小程度;众所,当用电设备对人体心脏直接漏电电流大于10uA时,就会导致病人死亡,在医学上称之为微电击。而在一般通用建筑中所用的RCD等对地漏电保护开关,其动作响应值是m*(30mA),远远不能满足医疗领域的需要。因此,现在国际上对医疗领域中的手术室﹑ICU﹑CCU等重要场所,除了按要求做部等电位联结外,配电系统通常采用局部中性点不接地的供电系统(即IT系统或称隔离电源系统)供电。通过单相3KVA-10KVA的隔离变压器给这些场所供电,首先可以防止其它回路中的漏电电流通过接地线窜入手术室﹑ICU﹑CCU的医疗电气设备上对病人的安全构成威胁;另外,一旦隔离电源上所接负载(如各种医疗电气设备) 出现对地故障,因对地不能构成电气回 路,所以只能产生一个很小的容性漏电 流,可有效控制对心脏等器官的直接漏 电流,大大地保护了病人免造漏电流的 伤害。
(2)IT系统保证供电的连续性,当电网负载出现一个绝缘故障时,不会引起电源自动开关动作;在医疗领域,某些场所对供电连续性要求很高,故设计为两路(甚至三路)电源(TN-S系统)自动切换,以保证这些特殊场所的供电连续性。但此种配电系统如果在负载端出现相对绝缘故障时,故障电流将经过电源中性点对地构成电气回路,从而形成一个较大的接地故障电流,使上一级自动开关或熔断器动作,最终导致供电中断。不能满足重要设备用电的可靠性。而如果在这些场所局部采用IT配电系统时,因其电源中性点不接地,当负载端出现一点相对绝缘故障时,因其对地构不成电气回路,只能产生一个很小的容性漏电电流,对人体不会产生危害,同时也不会导致开关动作,从而保证了特殊场所的供电的连续性。依据规范IT系统需要装设绝缘监视及接地故障报警装置,提醒绝缘故障的发生,以便维修人员及时发现问题,排除故障,防止IT系统电源二次异相接地故障时切断电源。
(3)IT系统降低了对地漏电电流,因此也提高了整个配电系统的防火安全性。
5、医院配电系统的选择
在医疗过程中,为了进行各种目的的测量、诊断或治疗,病人常常和各种电气设备连接,电极有可能进入人体或牢固地附着在人体表面(如:心电图、脑电图),还可能从人体内导出液体,经过处理后再输入体内(如:肾透析),这些将使人体失去皮肤电阻的保护。当病人处于麻醉状态,或因痛觉丧失失去了对电击的自然反映,会导致人体不能自行脱离电源。
除上述情况外,在一些手术过程中,导电体会直接触及心脏(如:埋置心脏起搏器或打开心脏的手术)。
5.1.在医疗领域所有以检查或治疗为目的的,与病人直接接触的设备,有三种应用情况;
(1)应用组0类:没有医疗电气设备与人体接触的场所。例如:门诊室、候诊室、按摩室等。此类型场所没有增加被电击的风险,且电力中断不会对病人造成危害。
(2)应用组1类:使用医疗电气设备进行诊断或治疗的场所,这些设备需要与人体接触,与病人身体之间有能量交换,监视病人体内的能量交换。在此类场所医疗设备电源中断不会引起病人生命危险,医疗设备因停电而重新开始不会影响对病人的诊断。例如:病房、产房、X光室等。
在0类和1类场所允许采用带漏电保护的接地系统供电(脱扣电流30mA,脱扣时间100mS),既TT或TN-S系统,禁止使用三相四线制接地系统,即TN-C系统。
(3)应用组2类:在这类场合使用的医疗电气设备包括:在病人体表或体内使用的实时监控仪器;用于手术的仪器设备;维持病人生命和躯体功能的设备;用于打开心脏、大脑的设备。在此类场合医疗设备电源中断会引起病人生命危险;微弱的漏电流会产生“微电击”。在2类场所中每个房间需要至少配备一套医用IT电源供电(隔离供电电源),该电源系统需要安装绝缘监视仪。例如:麻醉室﹑手术室﹑手术准备室﹑手术石膏室﹑手术恢复室﹑心脏导管插入室﹑重症监护室心﹑脏监护室﹑血管造影检查室﹑早产婴儿监护室等。均属于2类场所在应用组2类的医疗场所,需要使用带绝缘监视的隔离电源系统,即IT系统。
5.2.建议接入医用IT电源系统的用电设备:
A)呼吸B)恒温培养箱C)透析设备D)麻醉设备E)病人监护设备F)高频外科设备G)输液泵H)注射泵I)心肺机J)心力记录仪K)脉压泵L)心律电子脉冲调节器等。 
5.3.手术室/ICU病房/CCU病房IT电源系统的基本配置应包括:隔离变压器﹑绝缘监视仪﹑变压器负载和温度监视设备﹑外接报警显示设备等。
6 接地与安全
对于医院来说,电气安全显得特别重要,现代的医疗方法日益依赖于电气和电子设备,特别是在医院的手术室中,对病人进行手术时,有时需要用电子医疗设备深入到病人的身体内部,病人由于处在麻醉状态,在普通接地的导体之间流过的细微电流会造成微电击的发生。微电击时的电流值若超过50uA时即有发生电室纤颤的危险,如不采取相应的措施,就有可能危及病人的安全,造成医疗事故的发生。
《民用建筑电气设计规范》中14.7.6.2条规定,使用插入体内接近心脏或直接插入心脏内的医疗电气设备的器械,应采取防止微电击保护措施。
14.7.6.3条规定,在电源突然中断后,有招致重大医疗危险的场所,应采用电力系统不接地(IT系统)的供电方式。
14.7.6.8条规定,手术室及抢救室应根据需要采取防静电措施。
防微电击措施宜采用等电位接地方式,在某医疗中心的电气设计中采用等电位联接,将包括室内给水管、金属窗框、病床的金属框架及患者可能在2.5m范围内直接或间接接触及到的各部分金属部件均用6m2铜芯绝缘导线穿PVC管与等电位联结端子板联结。用于上述部件进行等电位联接的保护线(或接地线)的电阻值,应使上述金属导体相互间的电位差限制在10mV以下。
在某医疗中心的电气设计中低压配电系统采用TN-S型式,洁净手术室采用局部电力系统不接地(IT系统)的供电方式,设置隔离变压器并装设绝缘监视及接地故障报警或显示装置。中心监护室、急诊抢救室、产房、血透等处设置漏电检测装置;装设漏电检测装置时
考虑到配电线路和用电设备的固有泄漏电流,线路长度控制在一定范围之内。除了上述场所之处,其它用电插座回路均设置漏电保护开关。在放射科设备机房、手术室、产房、中心监护室、血透、各功能检查科室设置局部等电位联结接地端子箱,来满足医疗设备的各种电气接地要求。医院建筑的接地一般情况下采用共用接地的方式,接地电阻不大于1Ω。
7 防雷系统
本文是在医院总体防雷系统完善情况下仅考虑手术室内防雷。
为预防雷电电磁脉冲引起的过电流和过电压,在下列部位装设电涌保护器(SPD):
1)在手术室电源总进线处加装一组SPD。SPD支线上应设短路保护电器,并且与主进断路器之间应有选择性。
2)手术室采用IT不接地系统供电,当一次接地时,发出声光预报警信号。
3)手术室内作等电位连接,将所有手术室内的用电设备的金属外壳,进出手术室内的金属管道、金属构件、接地干线等与等电位端子做可靠连接(放热焊接工艺)。
8 手术室设备设计举例
某公司的漏电保护产品
应用于2类医疗场所的隔离供电系统隔离变压器E14,绝缘及过载监视器E05.
工作原理:单端出现对地故障不会造成漏电,LIOM持续监控输出线路对地绝缘。仅在输出线L1、L2之间存在220V电压,当其中一条线发生对地短路故障时,没有实际的漏电流通过。另外还可以防止接地系统内的漏电流窜入与病人连接的设备回路。一旦发生一端接地的故障后,绝缘监视器就能够检测到这个故障并发出报警,而此时电源不会被切断,保证了供电的连续性。医护人员可以根据监视器上显示的预期漏电流大小和手术的实际情况及时处理,因而人身触电的危险被降低到了最小。
产品特性:电源:220Vac,50Hz;环境温度:10°C到35°C;显示器:面板上有10格显示表,最的一格指示灯始终亮着,表示已连通电源。显示表的其他部分亮起表示测得的PHC值(PHC:预期危险电流);PHC报警:表示所测得的PHE已超过5mA的报警标准,当动作时表示为淡黄色灯闪亮;过负荷报警LED:显示变压器的二次侧电流已至少连续三
秒钟超过隔离变压器的额定值。当动作时,表示为淡黄色灯闪亮。15A或20A的组件分别用于3.6kVA和4.8kVA的变压器;双音频报警器:两个不同频率的振荡器轮流驱动一个信号发生器,声音大小由生产厂在印刷线路板上设定:1米的距离82dB(标准的);音频按扭:按下此按扭声音报警即停止。同时启动静音发光二极管,当报警状态取消后,静音的功能即恢复;停止报警发光二极管:表示报警已经停止下来,动作时表示为淡黄色灯恒亮;测试按钮:按下此按钮隔离系统与地之间的试验阻抗线路就会接通,试验阻抗的PHC近似7.5mA,同时E05反映出此数值,使它的报警器发出声音,同时PHC报警LED闪亮;外接报警继电器:根据报警电路情况驱动报警继电器去驱动一个外接报警器,这个继电器不受静音功能的影响,并有失压转接继电器触头,其额定容量为5A220Vac。
9 安科瑞医疗IT系统介绍
9.1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。
安科瑞医用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。
9.2 医用隔离电源监控系统
医用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,由专业的电气人员进行监控,一旦某套IT系统出现故障,电气维护人员也能在一时间内做出判断,并根据现场情况进行处理。
9.2.1 系统拓扑图

 

图1产品拓扑图


9.2.2软件功能
安科瑞医用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2:

图2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,从而方便专业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3;

 

■ 故障报警
将各医用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医用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4。

■ 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。
9.3 产品选型
表1医用IT系统绝缘监测及故障定位产品

 

10 结束语
医疗建筑的电气设计是一个大有可为的领域,它不同于写字楼、商住楼或住宅小区的建筑电气设计,需要按照医疗建筑的特点和特殊性来进行科学、、完整的设计,体现“以病人为中心”的医疗服务宗旨。手术室内的电气设计尤为重要,优秀的医疗建筑电气设计将会提升整个医院水平,在提高管理水平的同时,增强社会效益。
参考文献
[1]《建筑物防雷设计规范》《民用建筑电气设计规范》《民用建筑照明设计标准》
[2]张学文,浅谈医院手术室供配电系统的设计.
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版.