淺談醫用IT隔離電源在手術(shù)室低壓配電系統和接地系統中的應用

更新時(shí)間：2023-05-25 　點(diǎn)擊次數： 687次

【摘要】該文介紹了手術(shù)室低壓配電系統和接地系統的原理和安全性，并分析低壓配電系統對手術(shù)室醫護人員和患者以及醫療設備的影響，提出保護醫護人員、患者人身安全和保證醫療設備安全運行的措施。

【關(guān)鍵詞】TN－S；IT；國際電工委員會(huì )；PE線(xiàn)；剩余電流保護器；總等電位聯(lián)結；局部等電位聯(lián)結；醫用IT隔離電源；隔離變壓器

0前言

手術(shù)室是為患者提供手術(shù)及搶救的場(chǎng)所，承擔全院患者手術(shù)治療任務(wù)。手術(shù)室的電氣配電系統和接地的好壞，直接影響到患者和醫護人員的人身安全及手術(shù)過(guò)程中醫療設備的正常使用。根據國家有關(guān)負荷分級及供電要求的標準，醫院手術(shù)室作為不允許中斷供電的場(chǎng)所，需要是一級負荷中的特別重要負荷。因此對手術(shù)室的低壓配電系統要求很高，既要保證電氣裝置突發(fā)故障情況下不能斷電，又要保證患者和相關(guān)醫護人員的人身安全。本研究就手術(shù)室低壓配電系統和接地系統進(jìn)行概述，并重點(diǎn)分析兩種系統在手術(shù)室的應用。

1低壓配電系統概述

國家相關(guān)電氣安全規范要求，手術(shù)室使用間接接觸防護低壓的配電系統主要指TN－S系統和IT系統［1］。

1.1 TN－S系統

在變電所電源端引出的低壓配電系統是3L＋1N＋1PE線(xiàn)。其中N線(xiàn)和PE線(xiàn)是分開(kāi)的。PE線(xiàn)基本不通過(guò)電流，也不帶電位；只在發(fā)生接地故障時(shí)通過(guò)故障電流。因此電氣裝置的外露可導電部分對地面平時(shí)幾乎不帶電位，比較安全。

1.2 IT系統

在變電所電源端不做系統接地或經(jīng)高電阻接地，只做保護接地，用戶(hù)端電氣裝置接地系統做等電位聯(lián)結的系統。IT系統平時(shí)需要使用絕緣監測器（IMD）監測電氣裝置的絕緣水平。當發(fā)生一次接地故障時(shí)由于故障電流沒(méi)有返回電源的通路，故障電流很小，在保護接地的接地電阻R上產(chǎn)生的對地面故障電壓很低，不致引發(fā)電擊事故，不會(huì )切斷供電電源。但IMD會(huì )發(fā)出報警信號，提示系統出現接地故障，在手術(shù)完成后應停電檢修。如果不及時(shí)檢修排除故障而繼續帶故障運行，當發(fā)生第二次接地故障時(shí)就轉變成相間短路，這是因為手術(shù)室各種醫療設備PE線(xiàn)相互連通，在某些情況下當第一臺醫療設備外露可導電部分發(fā)生接地故障時(shí)，使得其接地故障電流通過(guò)PE線(xiàn)傳遞到相鄰醫療設備的外露可導電部分上，當第二臺醫療設備外露可導電部分也發(fā)生接地故障，也就是發(fā)生第二次接地故障時(shí)，兩臺醫療設備的相線(xiàn)和PE線(xiàn)之間形成短路電流回路，導致設備的操作人員發(fā)生電擊傷害事故。IT系統就演變成TN系統或TT系統。只能通過(guò)過(guò)電流保護電器或剩余電流保護器（RCD）強制切斷供電電源，造成手術(shù)間停電跳閘。IT系統一般不引出N線(xiàn)，這是因為當引出N線(xiàn)時(shí)，IT系統發(fā)生單相接地故障，相間對地電壓將升高為380 V，N線(xiàn)對地電壓將為220 V，導致醫療設備的絕緣損壞；同時(shí)醫護人員的直接接觸或間接接觸的預期接觸電壓可高達380 V，電擊死亡危險變大［2］。由于沒(méi)有引出N線(xiàn)，不能提供220 V電源電壓，其應用受到限制。它主要適用于對供電不間斷要求很高的地方。如醫院的手術(shù)室、重癥監護病房（ICU）等一旦發(fā)生系統短路造成停電危及患者生命安全的場(chǎng)所。

2手術(shù)室的接地系統概述

手術(shù)室的接地系統包括總等電位聯(lián)結和局部等電位聯(lián)結?？偟入娢宦?lián)結是通過(guò)進(jìn)線(xiàn)配電箱旁的接地母排將下級配電箱的PE線(xiàn)、建筑物的金屬結構和接地裝置互相連通，形成一個(gè)大的接地系統。局部等電位聯(lián)結是在局部場(chǎng)所內將各個(gè)可導電部分連通，也可將就近的PE線(xiàn)、金屬管道和建筑物金屬構件連通，形成一個(gè)局部的接地系統。當發(fā)生單相接地故障時(shí)，局部等電位聯(lián)結可以進(jìn)一步減少接地電阻，從而進(jìn)一步降低接觸電壓，這是局部等電位聯(lián)結的優(yōu)勢所在。

3手術(shù)室低壓配電系統和接地系統的應用

按照國際電工委員會(huì )標準，醫療場(chǎng)所按照醫療電氣設備與人體接觸的狀況、斷電的危險程度和允許間斷供電時(shí)間的分級分為0類(lèi)、1類(lèi)、2類(lèi)場(chǎng)所［3］。其中2類(lèi)場(chǎng)所內可以使用用于心臟手術(shù)的醫療設備或是中斷供電將導致生命危險的醫療設備。手術(shù)室就是2類(lèi)場(chǎng)所，需要使用IT系統或TN－S系統，不允許使用TN－C系統。

前面提到的IT系統發(fā)生第一次接地故障時(shí)既不切斷電源，又不發(fā)生電擊事故，只通過(guò)絕緣監測器發(fā)出報警信號，第一次接地故障時(shí)保護電器動(dòng)作特性需滿(mǎn)足下列公式：

RA Id≤50V

RA—外露可導電部分的接地電阻（Ω）；Id—發(fā)生第一次接地故障時(shí)，相線(xiàn)和外露可導電部分阻抗可忽略不計的故障電流（A）。

為滿(mǎn)足上述公式的要求，應降低接地極的接地電阻RA，或者減少設備對地正常泄漏電流以及限制線(xiàn)路總長(cháng)度［4］。所以手術(shù)室發(fā)生第一次接地故障時(shí)接觸電壓會(huì )控制在50 V以下，對現場(chǎng)操作的醫護人員和手術(shù)患者是安全的。根據國家電氣安全的相關(guān)規范標準，在干燥環(huán)境下發(fā)生接地故障時(shí)預期接觸電壓不允許＞50 V，潮濕環(huán)境下≤25 V，水下環(huán)境≤12 V。手術(shù)間的IT系統故障狀態(tài)下*高允許不停電的接觸電壓只能是50 V，醫護人員接觸＞50 V就可能發(fā)生觸電危險。

手術(shù)室的進(jìn)線(xiàn)配電箱使用的IT系統，但為了能提供給監護儀、呼吸機、麻醉機等醫療設備220 V的電壓，應使用380／220 V的變壓器，這種變壓器既起到變換電壓的作用，又有安全隔離的效果。其容量≥0.5 kVA，但≤10 kVA。在隔離變壓器后IT系統局部等電位聯(lián)結。醫療設備的PE線(xiàn)在和局部等電位聯(lián)結后仍和醫院內TN－C－S系統或TN－S系統的PE線(xiàn)連通，但手術(shù)室不能再單獨打接地極，以免發(fā)生重復接地的錯誤。因為如果在別處發(fā)生單相接地短路時(shí)，當通過(guò)PE線(xiàn)傳遞接地故障電流經(jīng)過(guò)手術(shù)間正常使用的醫療設備上的外露可導電部分時(shí)，瞬間使得該地局部等電位聯(lián)結面上醫療設備和地的電位同時(shí)升高。相對于設備與地之間無(wú)電位差，使手術(shù)臺上的患者和相鄰操作醫療設備的醫護人員免受電擊傷害。而如果手術(shù)室出現重復接地時(shí)，就會(huì )因為局部等電位聯(lián)結與大地“0"電位之間出現電位差，對手術(shù)間人員人身安全十分不利。由于兩個(gè)接地系統間可能出現電位差，通過(guò)別處PE線(xiàn)傳遞過(guò)來(lái)的雜散電流會(huì )竄進(jìn)監護儀、呼吸機、麻醉機等精密醫療設備當中，干擾設備的各種參數，甚至會(huì )擊穿精密的電路板。

手術(shù)室總的進(jìn)線(xiàn)配電箱使用的是TN－S系統，即3L＋1N＋1PE的接線(xiàn)方式。但IEC規定離手術(shù)臺周邊水平距離1.5 m，高度為2.5 m內被稱(chēng)為患者環(huán)境。圍繞著(zhù)患者環(huán)境的手術(shù)臺鄰近手術(shù)間懸臂吊塔應采用局部醫療IT系統供電。在懸臂吊塔上的插座主要用于維持生命或進(jìn)行外科手術(shù)的醫療設備。使用1：1變比的單相隔離變壓器通過(guò)懸臂吊塔的插座給生命支持醫療設備供電，將局部醫療IT系統內所有的醫療設備和隔離變壓器的PE線(xiàn)端子及進(jìn)線(xiàn)配電箱的PE線(xiàn)端子相連通，以保證整個(gè)局部患者環(huán)境處在局部等電位聯(lián)結的保護范圍內。手術(shù)室等電位聯(lián)結系統中，局部等電位聯(lián)結端子板與插座PE線(xiàn)端子、醫療設備PE線(xiàn)端子，以及裝置外可導電部分等連接線(xiàn)和連接點(diǎn)的電阻總和≤0.2Ω，使整個(gè)手術(shù)室接地系統的電位差接近相等。

手術(shù)室應將IT系統的絕緣監測的聲光信號安裝在合適的位置，使醫務(wù)人員在手術(shù)過(guò)程中便于監視。應以不同顏色的燈光顯示系統不同的絕緣狀況。當絕緣電阻下降時(shí)，*遲降至50 kΩ時(shí)應發(fā)出信號。在故障未排除前不允許切斷，音響信號允許中止，但燈光信號不應切斷。

在實(shí)際工程中，也可以在同一手術(shù)間內分別設計TN－S系統和IT系統的插座，懸臂吊塔采用IT系統供電，手術(shù)間墻壁采用TN－S系統供電。但應嚴格區分和標記清楚，相關(guān)醫療設備防止混插。提供生命支持的設備，如呼吸機、麻醉機、監護儀及手術(shù)無(wú)影燈等醫療設備需要使用IT系統的插座，以保證在一次接地故障時(shí)保護電氣裝置不跳閘。而其他手術(shù)輔助醫療設備可使用TN－S系統的插座。每個(gè)系統有各自的過(guò)電流保護裝置和剩余電流保護器，以免TN－S系統出現接地故障時(shí)過(guò)電流保護裝置或剩余電流保護器跳閘殃及IT系統。分開(kāi)設計的*大優(yōu)點(diǎn)就是降低隔離變壓器的容量和發(fā)熱，提高隔離變壓器的使用壽命，使隔離變壓器能更好地為IT系統服務(wù)。

4醫用隔離電源監控系統的選型與應用

4.1概述

隨著(zhù)電子醫療設備在醫院領(lǐng)域的廣泛應用，漏電流對病人構成的威脅也越來(lái)越大，尤其是那些生命攸關(guān)的場(chǎng)所，病人在手術(shù)中或麻醉狀態(tài)下，各種電極、傳感器直接插入人體內，微小的漏電流都有可能導致病人觸電身亡。另外有些醫療設備用于維持重癥病人的生命，一旦設備停電，也會(huì )對病人的生命構成威脅。因此，對于醫療這一特殊場(chǎng)所的電氣設計，應嚴格按照國家標準和規范進(jìn)行。安科瑞醫用IT系統絕緣監測故障定位裝置及系統適用于醫院的手術(shù)室、ICU(CCU)監護病房等重要場(chǎng)所，能為這類(lèi)場(chǎng)所提供安全、連續、可靠的供電解決方案。

4.2應用場(chǎng)所

適用于醫院的手術(shù)室、各類(lèi)重癥監護室、搶救室、內窺鏡室及造影室等醫療二類(lèi)場(chǎng)所的醫用隔離電源系統的遠程監控及自動(dòng)化。

4.3系統架構

4.4系統功能

安科瑞IT配電監控系統是基于觸摸屏軟件設計，軟件具有遠程測量、遠程參數設置和遠程自檢等多種功能，為各類(lèi)場(chǎng)所的IT配電系統的集中監控提供了強大的系統集成工具。軟件的主要功能如下：

一次圖和現場(chǎng)分布顯示

系統具有一次圖及現場(chǎng)分布圖顯示功能，能直觀(guān)的了解并及時(shí)地發(fā)現IT供電系統的報警地點(diǎn)或區域，從而方便專(zhuān)業(yè)人員及時(shí)到達現場(chǎng)進(jìn)行故障排查；

實(shí)時(shí)數據采集與顯示

利用安裝于各IT配電系統中絕緣監測儀表和絕緣故障定位儀表，采集各隔離電源系統的參數。采集到的數據實(shí)時(shí)顯示在監控系統界面，這些監測參量含IT系統對地絕緣電阻、變壓器負荷電流、變壓器繞組溫度及絕緣故障回路等。

故障報警

將各IT配電系統出現的各類(lèi)故障，如絕緣故障、過(guò)載故障、超溫故障以及接線(xiàn)斷線(xiàn)故障等信息進(jìn)行統一處理和記錄，并可直接在顯示界面上彈出顯示故障類(lèi)型、監測值、故障地點(diǎn)以及故障發(fā)生時(shí)間等信息。同時(shí)啟動(dòng)監控系統的聲光報警系統，及時(shí)提醒相關(guān)人員，進(jìn)行故障處理。其中，聲音報警信號可被手動(dòng)消除。

遠程參數設置和查詢(xún)

通過(guò)系統，可根據要求遠程調整和設置各IT配電系統中絕緣監測儀的各類(lèi)報警參數閾值，也可以任意查看這些報警參數值。參數包括絕緣報警值、負載電流報警值和隔離變壓器溫度報警值等。