手术室配电及绝缘监视系统的设计与应用

摘  要   参考IEC标准中对手术室内电源系统级绝缘监视系统的规定和要求，结合国家有关规范和标准，对手术室配电及绝缘监视系统作了设计和应用举例；论述了绝缘监测仪的测量原理和应用范围；分析IT系统电网接地故障及应用的局限性。

关键词   手术室配电  绝缘监测  IT系统电网  故障

目前在医院的手术室中，大量采集电气医疗设备，其中对接触人体内脏（心脏）、大脑等器官的医疗电气设备需进行绝缘监测和特殊保护。我国的标准、规范中，设计医疗电气设备安全保护、绝缘监测方面的条款，不甚详细、也不全面，暂未能与IEC 364-7-710（建筑物内的电气安装第7部分：对特殊区域安装的要求）标准接轨。笔者就手术室内配电、绝缘监视系统的设计及设备选型，作一些探讨。

1 IEC 标准中对手术室电源及绝缘监测的规定

IEC 364-7-710（1997）（《建筑物内的电气安装》）第七部分：对特殊区域的特殊安装的要求710节：医疗场所中，把医疗场所按电击危险分组和按不间断供电要求分级，同时属于第2应用组的0.5级别的场所，仅有手术准备室、手术室、特别监护室；对上述场所IEC 364-7-710?413?1?5规定：除了IEC 364-7-710?413?1?3条规定外的设备，用于维持生命或外科手术的医疗电气设备、照明和类似照明设备，额定电压超过AC250V或DC60V的设备，必须使用带绝缘电阻监测仪器的IT电源系统，该仪器还应满足：①内部交流绝缘电阻必须大于100KΩ。②测试电压不大于DC25V。③即使在故障条件下，测试电流不得超过1mA。④最迟在绝缘电阻降至50KΩ时，应有显示，应提供一测试仪器测试该设备。⑤如果接地线或电路连线松开，应有显示。

2 《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-2008）的规定及问题提出

在《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-2008）（以下简称《民规》）中，仅在第14.7.6.3条提出“在电源突然中断后，有招致重医疗危险的场所，应采用电力系统不接地（IT系统）的供电方式”。第14.2.8条：“IT系统必须装设绝缘监测仪及接地故障报警或显示装置”。在有的实际设计中，仅对重要的医疗场所，采用专用医疗隔离变压器，引出IT系统电源，在房间配电箱内设一套绝缘监测装置，系统图如图1所示。

图1 IT系统绝缘监测

上述设计过于简单，笼统，且有的绝缘监测仪器的测量技术方法落后，不能准确、可靠地显示与报警，给手术室等重要医疗场所的配电留下了极大隐患。

3 手术室配电、绝缘监测系统的设计

根据《医用电气设备》（GB9706.1-93 ）中“第一部分：安全通用要求”，结合IEC 364-7-710、《民规》，笔者总结以往手术室配电、绝缘监测设计经验，对手术室配电及绝缘监测作如下设计探讨。

3.1 设计举例

a. 监测仪选用安科瑞电气股份有限公司的产品。

b. 由于手术室安装大量的单相医疗电气设备，采用IT系统电源，需配出N线。据《民规》第8.6.6.6条要求，在N线上须装设过流保护器。因此，采用两极（单相）低压断路器，在IT系统电源发生第二次异相接地（短路）故障时，切断相线或N线。

c. 采用AITR6300隔离变压器，满足单相负荷要求。

d. 采用AIM-M系列绝缘监测仪，它具有如下功能：①监测绝缘阻抗，范围为10～999KΩ。②监测负载电流，范围为2.1～50A。③监测隔离变压器温度。④在线监测仪表和电网、N线、PE线的连接。⑤在线监测仪表与电流互感器的连接。⑥在线监测仪表与温度传感器的连接。⑦两路继电器报警输出、LED报警指示。

    当AIM-M系列绝缘监测仪连接电流互感器AKH-0.66P26，可用于监测隔离变压器的负荷状况；采用隔离变压器内部的温度传感器PT100（见图2、图3中的接线端子ST），可监测变压器温度状况。

e. 选用AID系列外接报警与显示仪，安装于手术室内信息控制面板上，显示AIM-M系列绝缘监测仪的所有信息，并具有远程设置AIM-M系列绝缘监测仪的报警参数等功能。

f. 图2中各仪表之间的通信通过RS485接口实现，图3中各仪表之间的通信通过CAN接口实现。

g. 选用仪表专用电源ACLP10-24，保证仪表所用电源的可靠性与稳定性。ACLP10-24能将AC220V转换为DC24V。

3.2 手术室配电及绝缘监视系统的典型设计图例

按照上述仪表选用及设计原则，手术室单相IT系统电源配电及绝缘监视系统图(不带故障定位)如图2所示,仪表功能及报价如表1所示。

图2 单相IT系统电源监视系统接线（不带故障定位功能）

表1 不带故障定位功能仪表的功能及报价表

名称	型号	功能	价格（元）
绝缘监测仪	AIM-M100	具有对被监测的IT系统对地绝缘电阻、隔离变压器负荷电流、变压器绕组温度实时监测及故障报警功能。	15600
直流稳压电源	ACLP10-24	仪表专用的直流稳压模块，导轨式安装	300
报警与显示仪	AID100	具有绝缘电阻、变压负荷率实时显示功能；可远程设置绝缘监测仪的报警阀值。	900
	AID120
电流互感器	AKH-0.66P26	与AIM-M100绝缘监测仪配套使用的保护型电流互感器。最大可测电流为50A,变比为2000:1。	150

 

手术室单相IT系统电源配电及绝缘监视系统图（带故障定位功能）如图3所示，仪表功能及报价如表2所示。

图3 单相IT系统电源监视系统接线（带故障定位功能）

表2 带故障定位功能仪表的功能及报价表

3.3 仪表的选型及安装：

    A.仪表的技术数据、参数：AIM-M系列绝缘监测仪、AITR系列隔离变压器、AID系列报警与显示仪、ASG100测试信号发生器、AKH-0.66P26电流互感器、AIL100绝缘故障定位仪、ACLP10-24电源模块的技术参数分别见表3～表9。

表3 AIM-M系列绝缘监测仪技术参数

表4 AITR系列隔离变压器技术参数

 表5  AID系列报警与显示仪技术参数

 表6  ASG100测试信号发生器技术参数

表7  AIL100绝缘故障定位仪技术参数

表8  AKH-0.66P26电流互感器技术参数

表9  ACLP10-24电源模块技术参数

    B. 安装：隔离变压器可安装于医院内靠近手术室的配电间内，AID系列报警与显示仪安装于手术室或监控室易于观察和操作的位置，明装与墙上。

4  绝缘监测仪的类型及监测原理

   绝缘监测仪对IT系统电网的绝缘进行连续不断的监测，当绝缘值降至预先设计的响应值，则发出声光报警，使绝缘故障得到及时的监测和维修，保证了IT系统电网供电可靠性。

4.1 叠加直流测量电压法

   在电网和保护导线之间叠加一个直流测量电压，其正极经高阻抗耦合电阻与电网连接，负极经一电子电路与大地相连，当IT系统电网中出现绝缘故障，测量电路经绝缘故障处闭合，这时直流测量电流I _m经绝缘故障处流过测量电阻R _m, I _m由电子电路评估。

 

   图4  叠加直流测量电压法原理

    该测量方法只能使用于纯交流单相或三相电网内，如果电网内有直流元件、大电容，或电压频率的变化均会影响该方法的准确性。

4.2 不对称电压测量法

   该测量方法采用一桥电路与被监的电网两极相连接，如图5所示。电网内不叠加任何电压信号，而是使用电网电压作为驱动电压。当某相发生对地故障时，会引起电压漂移，R_f+或R_f-驱动测量电流I _m，该电流被电子电路记录下来，当数值达到响应值时，报警继电器动作。担当发生一个平衡的对地短路故障，仪器则不能识别该故障。且方法不能直接显示对地的kΩ级的绝缘故障。该测量方法适用于直流电网中。                         

 图5  不对称电压测量法原理

5  IT系统电网接地故障分析

   IT系统电网发生第一次接地故障时，据《民规》第8.6.4.15条：可自动切断电源，采用绝缘监测仪进行声光报警，应在最短时间内排除故障。如IT系统电网发生第二次接地故障，如在图6中，在设备Ⅰ发生接地故障后，设备Ⅱ又发生接地故障，故障点遭受线电压，造成短路故障，危害极大。手术室、手术准备室、特别监护室，在医院内的地理位置如相距较远，则医疗电气设备外漏导电部分均各自接地；如相距距离较近或统一室内有数台医疗电气设备，应采用共同接地。

      

 图6  IT系统绝缘监测

参考文献