IT配电系统在医疗场所中的应用———IT配电系统在医疗场所中的应

［编辑简介］：阐述了IT系统的定义、组成及该系统在医疗场所应用使用中应注意的问题等事项。介绍了IT系统绝缘监测功能的扩展：IT系统过负荷检测，IT系统隔离变压器温度检测，IT系统接地故障定位检测，以及绝缘监测、各类检测的中央监控系统。［摘要］：阐述了IT系统的定义、组成及该系统在医疗场所应用使用中应注意的问题等事项。介绍了IT系统绝缘监测功能的扩展：IT系统过负荷检测，IT系统隔离变压器温度检测，IT系统接地故障定位检测，以及绝缘监测、各类检测的中央监控系统。［关键词］：IT系统　医疗场所　应用　绝缘监测　过负荷检测
   
  1　引言
   
  目前，我国大型综合医院配电系统的接地形式多采用TN系统。该系统接地故障多为金属性短路。因故障电流较大，使断路器等过电流保护装置动作，造成停电。显然TN系统不能满足医院中一些重要场所对不间断供电的使用要求。《民用建筑电气设计规范》（以下简称民规）14.7.6.3条明确规定：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。
  IT系统具有泄漏电流小，可带故障运行等优点，因此在医疗场所、地下矿井、化工企业、船舶、电信、冶金、石油化工及交通工程等领域，IT系统得到了广泛的应用。
  
  2　IT系统及其特点
  2.1 IT系统的定义及组成
  《民规》14.2.1.3对IT系统是这样阐述的：电力系统的带电部分与大地间无直接连接（或有一点经足够大的阻抗接地），受电设备的外露可导电部分通过保护线（PE）接至接地极。国际电工委员会IEC标准中，强烈建议IT系统不应配出中性线。这是IT系统与我们熟知的TN/IT接地系统的主要区别。在实际应用中，IT系统一般与TN或TT系统通过隔离变压器进行隔离。
  在正常情况下，系统中仅存在线路对地电容的微小泄漏电流。随着时间的推移，配电线路及电气设备的绝缘水平不断下降。图1所示为IT系统发生第一次接地故障示意图，当系统发生第一次单相接地故障时，故障电流为两非故障相对地电容电流的相量和Id ，由于这个电流值甚小，不会造成人身电击或者其它事故，也不会切断电源，保证了系统供电的连续性。但是如果不及时排除故障，当第二次另一相发生接地故障时，相当于形成相间短路，使过电流保护装置动作，引起供电的中断，这对于重要的供电场所来说，是不允许的。
   
  这样当系统发生第一次接地故障时，绝缘监测器就能及时检测出该接地故障，并通过报警装置发出报警信号（通常是声光报警信号），提醒工作人员赶在第二次发生异相接地故障前及时排除故障，消除隐患，从而有效地保证系统供电的连续性。
  为了保证系统供电的连续性，国家《建筑物电气装置 第7-710部分：特殊装置或场所的要求-医疗场所》GB16895.24-2005 / IEC60364-7-710:2002 710.53.1条规定：“……医用IT系统的变压器进出线回路不允许设置过负荷保护……”，以防止系统过负荷时保护开关切断电源。这就要求系统中的绝缘监测器必须同时还具有负荷检测和过负荷报警功能。在一些重要的场所，由于隔离变压器持续不断地工作，可能温度过高而导致隔离变压器工作异常。因此绝缘监测器还需要实时检测变压器的温度，当其温度过高时，应有相应的超温报警信号，以提醒相关人员及时处理。
  由上面的分析可知，例如安科瑞（Acrel）公司的医疗IT系统，其组成设备主要包括：隔离变压器、绝缘监测器、电流互感器，以及外接报警与显示仪，见图2。
  
  系统中，绝缘监测仪具有系统绝缘检测、系统过负荷检测和变压器温度检测功能，以及相应故障的报警与显示功能，一般安装在现场的终端配电柜中。外接报警与显示仪则用于集中显示相应的检测值，并具有超限报警功能，一般安装在位置明显的地方，方便人员查看，如手术室IT系统的外接报警与显示仪通常安装在医院手术室的情报面板上。
  带绝缘监视的医用IT系统各部分的功能
  １）医用隔离变压器
  ①IT系统须由专用的医用隔离变压器供电。
  ②《建筑物电气装置第7-710部分：特殊装置或场所的要求-医疗场所》GB16895.24-2005 / IEC60364-7-710:2002 710.512.1.6中规定:医用隔离变压器应符合IEC61558-2-15的要求。
  ③单相医用隔离变压器二次线圈的额定电压应不超过230V。
  ④医用隔离变压器的金属外壳需与局部等电位联结端子板联结。
  ⑤根据最新报批的《综合医院建筑设计规范》，医用隔离变压器额定功率应为3.15～8kVA。
  ⑥三相隔离变压器在最新报批的《综合医院建筑设计规范》中被禁止使用。
  ⑦医用隔离变压器的上级和下级馈电回路不允许装设过负荷保护，可用熔断器作短路保护。
  2）绝缘监视器
  ①《建筑物电气装置 第7-710部分：特殊装置或场所的要求-医疗场所》GB16895.24-2005 / IEC60364-7-710:2002 710.413.1.5中规定:医用绝缘监视仪应符合IEC61557-8的要求。
  ②医用绝缘监视仪交流内阻抗应至少为100kΩ。
  ③测量电压不应大于直流25V。
  ④即使在故障情况下，其注入电流的峰值不应大于1mA。
  ⑤最迟在绝缘电阻降至50 kΩ时，应发出信号。应配置试验此功能的器具。
  ⑥监视IT系统中隔离变压器的绕组温度及负载电流。
  ⑦外接报警显示和测试单元
  安装在病人或医务工作者的工作场所。用来显示医疗场所内监视仪器的测量数据和报警情况，通知IT系统的使用者关于系统的运行情况。它能显示绝缘监视仪的所有信息，还可并联多个外接报警显示器和测试单元，通过RS485接口实现通信。
  2.2 IT系统的特点
  a. 由于系统电源端带电导体不接地，即使系统发生单相接地故障也只能通过系统对地电容构成回路，故障回路阻抗极大，故障电流极小，发生电击的危险很小，所以不必及时切断电源来防电击，从而维持供电的不间断，只有在发生第二次接地故障时才要求切断电源。同时，安装在系统中的绝缘监测器能及时地检测并给出系统绝缘故障报警信号，提醒工作人员及时排除故障。因此IT系统是一个连续、可靠的供电系统。
  b. IT系统中的绝缘监测器，一方面实时监测系统的绝缘状态，另一方面还检测系统的过负荷和变压器的温升状态，一旦出现异常立即报警。因此IT系统能够减少因系统发热、漏电等原因引起的电气火灾事故，大大提高了系统的防火安全性。
  c. 在IT系统中，提高回路的绝缘阻抗、降低回路对地电容，是提高系统安全性与可靠性的关键。因此在系统设计时要尽量缩短系统配电线路的长度，减小系统容量，减少系统分支回路数，并做好线路的绝缘防护措施。这也就限制了IT系统仅能用在重要的局部的供电场所，如化工、制药企业的一些程序控制生产线，医疗场所的手术室、重症监护室等场所。
  3　IT系统在医疗场所的应用
  医疗IT系统是IT系统应用的一个典型实例。医院因其职能的特殊性，对其配电方式有特殊的要求。如外科手术室、重症监护室等，都需要采用IT系统，以提供一个安全、可靠、连续的配电系统。
  3.1医疗IT系统的应用
  根据国标《建筑物电气装置  第7 - 710部分：特殊装置或场所的要求--医疗场所》（GB 16895.24–2005 / IEC 60364–7– 710：2002），将医疗场所划分为0类场所、1类场所和2类场所。由于0类和1类场所不使用与病人直接接触的医疗器械，或者所使用的设备断电后不会对病人造成危害，因此可以使用TN-S系统，但须配有剩余电流动作保护器，在发生接地故障时，能及时断开故障回路。并可同时配置剩余电流监测设备，实时监测系统各回路的泄漏电流值，在保护设备动作前发出报警信号，避免造成回路断电，引起严重后果。对于2类医疗场所，医疗设备的断电或接地故障将会危及病人生命安全。根据相关的标准和规范，这类场所必须使用医疗IT系统，来保证系统供电的连续性和安全性。
  最新报批的《综合医院建筑设计规范》参照我国等同采用的IEC标准，根据我国具体国情，制定出了IT系统在医院中应用场所的详细规定，其严格规定了应用组2类（也称为2类场所）为以下场所：急诊抢救室；中心手术部的所有手术室；所有CU室（包括ICU，CCU，NICU，PICU，SICU等等）；心脏导管介入室和心血管造影室。每个房间应配有独立的隔离电源系统。对于多个这类场所，可以采用如图3所示的配电方案。
  
  图中各个手术室和重症监护室分别采用独立的IT供电系统，所有的IT系统由手术部与ICU总配电柜通过TN-S系统配电。各IT系统的绝缘监测器及总配电柜内的剩余电流监测设备又通过基于Modbus协议的RS485总线将各个监测信号反馈到手术部的中央监控室内，并由中央控制室的上位机通过中央控制系统软件进行集中监控。各个IT系统与TN-S系统的运行状态，都可以显示在中央监控室的上位机上，方便工作人员对系统进行集中监控与管理。
  各类手术室和重症监护室根据各系统容量分别配置单独的IT系统，主要的医疗仪器、无影灯、多功能吊塔等用电设备须从IT系统中取电。照明灯、观片灯和电动门等可以不从IT系统取电。 图4为采用医疗隔离电源系统的手术室或ICU配电系统图。绝缘监测仪时刻监测IT系统的绝缘状态，并在系统出现故障时给出报警信号，外接的报警与显示仪通过RS485接口与绝缘监测仪进行实时的数字通信，显示绝缘监测仪的检测结果，并在报警时发出声光报警信号。除了绝缘监测设备外，系统还配置了绝缘故障测试仪和绝缘故障评估仪。绝缘故障测试仪能够在线查找故障发生的回路，它和绝缘监测仪一起工作，当绝缘监测仪探测到系统绝缘故障后，绝缘故障测试仪立即开始故障定位，由绝缘故障评估仪周期性地送出一个特殊的测试电流，测试电流流经故障部位，由电流互感器探测，并由电子评估仪对故障回路进行评估，评估的结果送报警与显示仪中显示。
  
   
  医疗IT系统同时还配置了绝缘故障定位设备，在发现系统绝缘故障的同时，能及时定位出现故障的回路，这极大地方便了工作人员了解系统状态并及时排查故障，从而有效地保证了医疗IT系统的安全性与可靠性。
  许多国内厂家参照IEC标准，结合国情，也制定出了IT系统在医院中应用场所的详细规定，并相继推出了专门用于医院的带绝缘监测装置的IT系统设备。如上海安科瑞(ACREL)公司的：“医用隔离电源”,其产品符合IEC的标准并具有更优的性能。
  安科瑞（Acrel）公司的隔离电源系统主要包括以下部件：
  1）AIM-M100绝缘监视仪
  2）AITR系列隔离变压器
  3）AID100外接报警和显示仪
  4）ACLP10-24型的仪用直流稳压电源
   3.2主要产品型号规格及配置
  安科瑞（Acrel）公司的医用隔离电源柜是针对医疗2类场所的供电需求而设计的具有局部IT系统的配电柜，IT系统装设绝缘监测装置来监测系统的绝缘状况，各输出回路采用了具有短路保护功能的断路器；其它系统输出回路则采用了具有漏电保护功能的断路器。产品根据使用场所的不同分为GGF-O系列手术室用隔离电源柜和GGF-I系列ICU/CCU等病房用隔离电源柜两大类，能够很好的满足各类手术室和重症监护室对电源安全性和可靠性的要求，并符合GB16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002《建筑物电气装置第7-710部分：特殊装置或场所的要求-医疗场所》和GB7251.1-2005/IEC 60439-1:1999《低压成套开关设备和控制设备》等标准。
  3.2.1 ICU、CCU病房配电解决方案（以GGF-I8隔离配电柜系统图为例）
  
  
   
  3.2.2 手术室配电解决方案（以GGF-O8隔离配电柜系统图为例）
  
  
  由于医疗场所具有其特殊性，因此在进行医疗IT系统设计时应特别注意以下几点：
  a.医疗IT系统必须采用医疗场所供电用隔离变压器，并应符合国标《电力变压器、电源装置和类似产品的安全  第16部分：医疗场所供电用隔离变压器的特殊要求》的要求。
  b.为了降低医疗系统对地电容，提高绝缘强度， IT系统的配电箱要尽量安装在使用场所附近，并尽可能减小系统容量以及系统分支数，尽量缩短系统配电线路的长度。
  c.对于心脏手术等手术设备与人体心脏直接接触的手术室，要充分做好防电击措施。有时候仅靠带绝缘监测的IT系统是不够的，还应做好局部等电位联结，使保护区内所有可导电的部分都处于同一电位水平上。
  4　结束语
  随着我国国力的不断增强，医疗卫生事业的不断发展，将要新建一批现代化的医院。原有一些医院，因不能满足使用要求，也面临着改扩建。带有绝缘监测的IT系统能够为局部场所提供安全、可靠、连续的供电，这是其它系统无法媲美的。因此在一些重要的生产加工场所、医疗场所，以及重要的设备运行场所，可以优先考虑使用IT系统。目前我国还没有出台关于IT系统绝缘监测产品方面的规范、标准，国内用于IT系统绝缘监测和故障点定位的产品也为数不多。作为电气设计人员，一方面期待着国家有关规范、行业标准与国际接轨，进一步完善。另一方面在设计过程中，应推广采用先进技术，体现“以人为本、安全第一”的设计理念，为病人和医护人员提供一个技术先进、功能齐全、安全可靠的医疗环境。相信在不久的将来，随着人们对IT系统的充分认识，IT系统也会得到越来越广泛的应用。
   
  参考文献：
  [1]上海安科瑞电气股份有限公司产品资料，2011.03版.
  [2]王厚余. 低压电气装置的设计安装和检验. 第二版. 北京：中国电力出版社，2007：48 - 52 .
  [3]邵建勋. 医用IT系统在医疗场所的应用. 信息管理, 2008(6): 32 - 39.
  作者简介
  张晓丽：（1984-）女 汉族 毕业于安徽理工大学测控技术与仪器专业，研究方向为医疗场所智能变配电系统。TEL：13918924310 邮箱：acrelzxl@163.com