手術室配電及絕緣監視系統的設計與應用

分類：技術教程日期：2015-01-19 12:32:02 來源：江蘇安科瑞電器制造有限公司

摘要

參考IEC標準中對手術室內電源系統級絕緣監視系統的規定和要求，結合國家有關規范和標準，對手術室配電及絕緣監視系統作了設計和應用舉例；論述了絕緣監測儀的測量原理和應用范圍；分析IT系統電網接地故障及應用的局限性。

目前在醫院的手術室中，大量采集電氣醫療設備，其中對接觸人體內臟（心臟）、大腦等器官的醫療電氣設備需進行絕緣監測和特殊保護。我國的標準、規范中，設計醫療電氣設備安全保護、絕緣監測方面的條款，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：對特殊區域安裝的要求）標準接軌。筆者就手術室內配電、絕緣監視系統的設計及設備選型，作一些探討。

1 IEC 標準中對手術室電源及絕緣監測的規定

IEC 364-7-710（1997）（《建筑物內的電氣安裝》）第七部分：對特殊區域的特殊安裝的要求710節：醫療場所中，把醫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、特別監護室；對上述場所IEC 364-7-710•413•1•5規定：除了IEC 364-7-710•413•1•3條規定外的設備，用于維持生命或外科手術的醫療電氣設備、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測儀器的IT電源系統，該儀器還應滿足：①內部交流絕緣電阻必須大于100KΩ。②測試電壓不大于DC25V。③即使在故障條件下，測試電流不得超過1mA。④最遲在絕緣電阻降至50KΩ時，應有顯示，應提供一測試儀器測試該設備。⑤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范》（JGJ/T16-2008）的規定及問題提出

在《民用建筑電氣設計規范》（JGJ/T16-2008）（以下簡稱《民規》）中，僅在第14.7.6.3條提出“在電源突然中斷后，有招致重醫療危險的場所，應采用電力系統不接地（IT系統）的供電方式”。第14.2.8條：“IT系統必須裝設絕緣監測儀及接地故障報警或顯示裝置”。在有的實際設計中，僅對重要的醫療場所，采用專用醫療隔離變壓器，引出IT系統電源，在房間配電箱內設一套絕緣監測裝置，系統圖如圖1所示。

圖1 IT系統絕緣監測

上述設計過于簡單，籠統，且有的絕緣監測儀器的測量技術方法落后，不能準確、可靠地顯示與報警，給手術室等重要醫療場所的配電留下了極大隱患。

3 手術室配電、絕緣監測系統的設計

根據《醫用電氣設備》（GB9706.1-93 ）中“第一部分：安全通用要求”，結合IEC 364-7-710、《民規》，筆者總結以往手術室配電、絕緣監測設計經驗，對手術室配電及絕緣監測作如下設計探討。

3.1 設計舉例

a. 監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療電氣設備，采用IT系統電源，需配出N線。據《民規》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系統電源發生第二次異相接地（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系列絕緣監測儀，它具有如下功能：①監測絕緣阻抗，范圍為10～999KΩ。②監測負載電流，范圍為2.1～50A。③監測隔離變壓器溫度。④在線監測儀表和電網、N線、PE線的連接。⑤在線監測儀表與電流互感器的連接。⑥在線監測儀表與溫度傳感器的連接。⑦兩路繼電器報警輸出、LED報警指示。

當AIM-M系列絕緣監測儀連接電流互感器AKH-0.66P26，可用于監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系列絕緣監測儀的所有信息，并具有遠程設置AIM-M系列絕緣監測儀的報警參數等功能。

f. 圖2中各儀表之間的通信通過RS485接口實現，圖3中各儀表之間的通信通過CAN接口實現。

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定性。ACLP10-24能將AC220V轉換為DC24V。

3.2 手術室配電及絕緣監視系統的典型設計圖例

按照上述儀表選用及設計原則，手術室單相IT系統電源配電及絕緣監視系統圖(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系統電源監視系統接線（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

手術室單相IT系統電源配電及絕緣監視系統圖（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系統電源監視系統接線（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

3.3 儀表的選型及安裝：

A.儀表的技術數據、參數：AIM-M系列絕緣監測儀、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分別見表3～表9。

表3 AIM-M系列絕緣監測儀技術參數

表4 AITR系列隔離變壓器技術參數

表5 AID系列報警與顯示儀技術參數

表6 ASG100測試信號發生器技術參數

表7 AIL100絕緣故障定位儀技術參數

表8 AKH-0.66P26電流互感器技術參數

表9 ACLP10-24電源模塊技術參數

B. 安裝：隔離變壓器可安裝于醫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控室易于觀察和操作的位置，明裝與墻上。

4 絕緣監測儀的類型及監測原理

絕緣監測儀對IT系統電網的絕緣進行連續不斷的監測，當絕緣值降至預先設計的響應值，則發出聲光報警，使絕緣故障得到及時的監測和維修，保證了IT系統電網供電可靠性。

4.1 疊加直流測量電壓法

在電網和保護導線之間疊加一個直流測量電壓，其正極經高阻抗耦合電阻與電網連接，負極經一電子電路與大地相連，當IT系統電網中出現絕緣故障，測量電路經絕緣故障處閉合，這時直流測量電流I _m經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內，如果電網內有直流元件、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的電網兩極相連接，如圖5所示。電網內不疊加任何電壓信號，而是使用電網電壓作為驅動電壓。當某相發生對地故障時，會引起電壓漂移，R_f+或R_f-驅動測量電流I _m，該電流被電子電路記錄下來，當數值達到響應值時，報警繼電器動作。擔當發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kΩ級的絕緣故障。該測量方法適用于直流電網中。

圖5 不對稱電壓測量法原理

5 IT系統電網接地故障分析

IT系統電網發生第一次接地故障時，據《民規》第8.6.4.15條：可自動切斷電源，采用絕緣監測儀進行聲光報警，應在最短時間內排除故障。如IT系統電網發生第二次接地故障，如在圖6中，在設備Ⅰ發生接地故障后，設備Ⅱ又發生接地故障，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、特別監護室，在醫院內的地理位置如相距較遠，則醫療電氣設備外漏導電部分均各自接地；如相距距離較近或統一室內有數臺醫療電氣設備，應采用共同接地。