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浅析医疗场所接地系统的设计方案与应用

  • 发布日期:2020-07-24      浏览次数:25
    • 摘 要: 根据不同类别医疗场所的安全要求,总结医院电气设计中采用的接地系统型式,介绍了 IT 接地系统在医疗场所中的作用,并提出 IT 接地系统在应用中需注意的几点问题。
      关键词: 医疗场所; 接地系统; 医用 IT 系统; 电位差

      0 引 言

        随着医疗科技的不断进步,在现代医疗诊断与临床治疗中,医疗电气设备和电子仪器得到了越来越多地应用,医疗设备使用过程中的电气安全显得尤为重要,既要防止医院人员受到设备剩余电流引起的电击伤害,也要保证设备的可靠运行[1]。因此,医疗场所接地系统的正确选用必须在电气设计中引起足够的重视。

      1 医疗场所的分类

        在诊疗中医疗电气设备与病人身体接触的情况不同,发生剩余电流故障对人体的伤害也有区别。按照电气防护的要求,依据医疗电气设备的部件与人体接触的程度以及场所停电对患者造成的影响,医院医疗场所分为如下三类:
        (1)0 类: 不使用医疗电气设备接触部件的医疗场所,如普通门诊诊室、推拿室、石膏室、病理科、检验科等。 
        (2)1 类: 医疗电气设备接触部件需要与患者体表、体内( 除2类医疗场所所述部位外) 接触的医疗场所,如病房、治疗室、透析室、内镜检查、超声检查、影像科等。
        (3)2 类: 医疗电气设备接触部件需要与患者体内( 指心脏或接近心脏部位) 接触、手术室以及电源中断或故障后将危及患者生命的医疗场所,如手术室、重症监护室、急诊抢救室、心血管造影检查室等。
        在以上三类场所中,2 类场所对电气安全防护的要求高,此类场所内基本均为高危病人或者手术患者,往往运行有多台需进入病人体内进行治疗以及维持病人生命的设备,哪怕有较小的剩余电流导致的微电击,都会对人体产生ji大的危险,同时又要保证在监护或手术中保持可靠的系统供电,不能因接地故障出现而发生断电的情况。

      2 医疗场所接地系统型式的选择

        建筑物中的接地型式主要包括 TN-S、TN-C、 IT、TT 系统,其中 TT 系统是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统,主要应用于保护点较分散的室外场所。而根据 JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》[2]中第9. 3. 1 条规定: “医疗场所配电系统的接地形式严禁采用 TN-C 系统”,这是由于 TN-C 系统中中性线( PE) 和保护线( N)共用,当非故障状态下三相负荷不平衡或发生接地故障时,TN-C 系统的保护中性导体( PEN) 有电流通过,另外还有一些医疗设备引起的谐波电流也会注入 PEN,这些电流会产生电压降,导致设备的金属外壳带电,危及医疗场所的人身安全。目前,医院医疗场所中常用的接地系统类型主要是TN-S和IT系统。
        医院的 0 类和 1 类场所的配电系统一般采用 TN-S 的接地型式,从医院变电室的低压配电柜出线开始,系统的中性线( N) 与保护线( PE) 完全分开,PE 线首末端做重复接地,以减少 PE 线断线造成的危险。医疗设备所接插座的配电回路均带剩余电流动作保护装置,动作电流一般为30 mA,当医疗设备带电部分接触到金属外壳或发生漏电时,与 PE 线形成单相回路,引发过电流保护装置动作,切断电源,则可有效避免触电事故的发生。同时变压器中性点接地,设备外露部分与中性线相连,当中性线断开,如三相负荷不平衡状况发生,中性点电位将升高,但是设备外壳和 PE 线都无电位,不会导致触电事故。可见,在电气设备不与患者体内接触的非 2 类医疗场所,采用 TN-S 接地系统可以满足电气安全的要求。通常的做法是在这些场所内设置局部等电位联结箱,将用电设备的可导电部位与之连接,并将局部等电位联结箱接至大楼的共用接地极。 
        TN-S 接地系统不能适用于医院的 2 类场所,这是由于 TN-S 系统中剩余电流动作保护装置的动作响应值为 mA 级,一般为 30 mA,远大于 IEC国际标准规定的医疗设备允许通过患者心脏的剩余电流值 10 μA,对心脏造成微电击而引发危险。同时由于 2 类场所对供电可靠性的高标准要求,又要求系统不能只要一出现剩余电流现象就引发开关动作切断供电,因此在 2 类医疗场所,如手术室、重症监护室中,配电系统应当采用IT 接地型式[3-4]。

      3 IT 系统在医疗场所中的应用

        IT 系统的电源中性点不与大地直接连接( 或通过高阻抗电阻接地) ,其用电设备的金属外壳通过保护线直接接地。系统中如果出现单相接地故障,对地剩余电流只能经过系统剩余电流电容对系统相线构成回路,而系统剩余电容引起的容抗总是远大于 TN 系统中的接地电阻,故障剩余电流仅为极小的对地电容电流,引起故障场所内不同部位的电位差很小,不会因其接地电流的存在而引起过电流,导致开关动作,保证系统能够带故障运行。根据 JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》中第 5. 4. 4 要求,2 类医疗场所用于维持生命、外科手术、重症患者的实时监控和其他位于患者区域的医疗电气设备及系统的回路,均应采用医疗场所局部 IT 系统供电。
        医疗 IT 系统又称为医用隔离电源系统,一般由隔离变压器、绝缘监测装置、过负荷和超温监测装置、外接报警装置等设备组成。将 TN 系统引来的供电电源通过隔离变压器的二次侧线圈引出 IT 系统的电源,由绝缘监测装置监测单相接地故障的发生,并通过外接报警装置发出故障报警[3-4]。医疗 IT 系统应用于 2 类医疗场所中,可以起到以下作用: 
        (1)隔离电源系统为中性点不接地系统,用电医疗设备发生接地故障时对地不构成回路,降低接触电压和电网对地的剩余电流,可有效控制剩余电流对患者人体的伤害,避免发生微电击医疗事故。
        (2)通过隔离变压器的二次侧供电,可防止大楼接地系统内其他供电回路中的剩余电流进入到 2 类场所与患者接触的医疗电气设备上而产生危险。 
        (3)当系统内出现di一个对地剩余电流绝缘故障时,不会引发断路器或熔断器动作,保证供电的连续可靠性。 
        (4)降低对地剩余电流,从而提高防火安全性。
        医疗 IT 系统在应用中,还应注意如下问题: 
        (1)隔离变压器的一次侧与二次侧应设置短路保护,不应设置动作于切断电源的过负荷保护,这是为了维持供电的连续性,线路短时间过负荷并不会立即引起灾害,在某些情况下可让导线超过允许温度运行,即使影响使用寿命,也要优先保证重要负荷的不间断供电。
        (2)单相隔离变压器的二次侧应设置双极开关保护电器,这是因为 IT 系统不配出中性线,系统中单相负荷所需的 220 V 电源由 TN 系统中单相 220 V 电源经 1∶ 1 隔离变压器的二次侧提供,所以 IT 系统中的配电线路均为带电导线,需采用双极开关作为短路保护。 
        (3)必须配置绝缘监测装置,当系统内出现di一个接地故障时可带故障继续供电,同时绝缘监测装置报警,提示故障发生,提醒工作人员及时维修处理,如果没有监测及报警设备,发生二次及多次接地故障会引发过电流保护装置动作,导致供电中断,甚至会产生相间短路。 
        (4)在手术室等 2 类医疗场所还应设置局部等电位联结,将场所内的 PE 线、设备外露可导电部分、安装了抗电磁干扰场的屏蔽物、防静电地板下的金属物、隔离变压器的金属屏蔽层等进行等电位联结,消除场所内的电位差。 
        (5)IT 系统应与建筑物的 TN-S 系统共用同一接地装置,即利用建筑物底板钢筋作为共同的接地极,不应为 IT 系统另设人工接地极,否则两个接地装置之间产生电位差,也在医疗场所中会引发电击。
      某手术室的 IT 配电系统如图 1 所示。

       

      图1 某手术室IT配电系统图

        不同的手术室可能同时实施不同的手术,使用不同的医疗电子仪器,为避免医疗设备相互干扰,每间需要设置 IT 系统的手术室,都应单独设置隔离变压器。隔离变压器的位置应尽量缩短与手术室插座端的距离,并方便通风散热与检修,一般安装在手术室的非洁净走廊的外墙上,并在附近预留接地端子箱,作为 IT 系统的接地端。所有手术室的接地端子箱宜由单独的接地干线联结,不应与其他接地系统的接地干线混用,并与大楼的总等电位接地箱相连。为施工及日后管理方便,在实际工程设计中,可将各不同用途、不同型式的接地干线分别由总等电位经由各区域电气竖井引至末端,可以保证建筑物内所有电气设备都接至同一接地装置上,避免出现电位差。

      4 安科瑞医疗IT系统介绍

      4.1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。
      4.2 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di一时间内做出判断,并根据现场情况进行处理。
      4.2.1 系统拓扑图

       

      图2产品拓扑图

      4.2.2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3:

       

      图3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4;

       

      ■ 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5。

       

      ■ 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。

      4.3 产品选型


      表1 医用 IT 系统绝缘监测及故障定位产品

      5 结 语

        随着我国医疗卫生事业的不断发展,医院的建设规模逐年增长,必须重点考虑医疗场所未来运营的安全性。电气设计人员在设计过程中应严格依据国家相关规范与标准,采用合理的电气接地系统,为病人和医护工作者提供安全、可靠的医疗环境。
      参考文献
      [1] 民用建筑电气设计规范: JGJ 16—2008[S]
      [2] 刘建,医疗场所接地系统的设计与应用
      [3] 安科瑞IT系统绝缘监测故障定位装置及监控系统(中英文)2020.01

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