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手术室配电及绝缘监视系统的设计与应用

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赵斌

安科瑞电气股份有限公司   上海 嘉定  201801

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。

《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。

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

名称

型号

功能

价格(元)

绝缘监测仪

AIM-M200

具有监测IT系统绝缘电阻、负荷电流、变压器绕组温度的功能,可配合绝缘故障仪准确定位系统绝缘故障回路。采用两种现场总线通讯技术,分别用于集中报警与显示仪、测试信号发生器、绝缘故障定位仪以及上位机管理软件通讯。仪表具有断线故障监测、两路继电器输出和事件记录功能。

19600

集中报警与显示仪

AID200

采用CAN通讯,可远程显示多达16套绝缘监测系统的运行状况,也可以远程设置各类报警阀值和启动各种监测自检。仪表可实时监控监测仪通讯是否完好,并可记录20条事件记录。

900

测试信号发生器

ASG100

采用CAN总线技术,可与其他设备进行数据交互。当系统出现绝缘故障时,可产生故障定位信号注入系统中,配合故障定位仪定位故障回路,具有电网断线监测功能。

3780

绝缘故障定位仪

AIL100-4

采用CAN总线技术,可与其他设备进行数据交互。当系统出现绝缘故障时,配合信号发生器实现故障定位功能,AIL100-4可定位4个回路绝缘故障,

AIL100-8可定位8个回路绝缘故障。

6050

AIL100-8

8050

直流稳压电源

DR-60-24

为AIM-M200、ASG100、AIL100和AID200提供直流24V的稳压电源

450

电流互感器

AKH-0.66P26

和AIM-M200配套使用的保护型电流互感器,用于测量被监测IT系统当前的负荷电流。

150

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

              型号

参数

AIM-M100

AIM-M200

辅助电源

电压

AC220V(可波动范围±10%)

DC24V(可波动范围±25%)

频率

50/60Hz

最大功耗

<8VA

<3VA

 

绝缘监测

绝缘电阻测量范围

10~999kΩ

相对百分比误差

0~±10%

报警值范围

50~999kΩ

响应时间

<2s

测量电压

<12V

测量电流

<50uA

电流监测

测量范围

2.1~50A

报警值可设范围

5~50A

测量精度

5级

显示方式

百分比显示

数值和百分比显示

温度监测

热敏电阻

PT100

测量范围

-50~+200℃

报警值范围

0~+200℃

报警输出

输出方式

2路继电器输出(可编程)

2路继电器输出

(不可编程)

触点容量

AC 250V/3A   DC 30V/3A

 

通讯

2路RS485接口,

Mod bus-RTU协议

1路RS485接口,

Mod bus-RTU协议

1路CAN接口,

自定义协议

环境

工作温度

-10~+50℃

存储温度

-20~+70℃

相对湿度

5%-95%,不结露

海拔高度

≤2500m

额定冲击电压/污染等级

4KV/3

EMC电磁兼容和电磁辐射

符合IEC61326-2-4

           

 

 

表4 AITR系列隔离变压器技术参数

额定容量

3.15KVA/6.3KVA/8KVA/10KVA

 

短路电压

<3% Un

频率

50/60Hz

效率

>96%

额定输入电压

230V

最高环境温度

<40℃

输出电压

230V/115V

空载温升

<33℃

冲击电流(IE

<12In

满负荷温升

<76℃

泄漏电流

<180uA

耐压

4200V/分钟

空载输出电压(U0

<235V

绝缘等级

H

空载输出电流(I0

<3% In

噪声等级

<40dB (A)

 表5  AID系列报警与显示仪技术参数

参数              型号

AID100

AID120

AID200

辅助电源

电压

DC 24V

功耗

< 0.6W

绝缘电阻显示范围

0~999kΩ

绝缘报警范围

50~999kΩ

变压器负载率显示

百分比显示

负载电流报警设置

14A、18A、22A、28A、35A、45A

温度报警设置范围

0~+200℃

报警方式

声光报警

报警类型

绝缘故障、过负荷、超温、设备故障

通讯方式

RS485接口 MODBUS-RTU协议

CAN接口,自定义协议

显示方式

数码管显示

128×32点阵液晶显示

 

 表6  ASG100测试信号发生器技术参数

辅助电源

电压

DC24V(±25%)

最大功耗

≤2VA

被监测系统

额定电压

AC 220 V(±10%)

额定频率

45 ~ 60Hz

定位信号

定位电压

<25V a.c.r.m.s.

定位电流

<1mA r.m.s.

通讯

方式

CAN通讯 

协议

自定义协议

 

表7  AIL100绝缘故障定位仪技术参数

      项目

                    指标

AIL100-4

AIL100-8

辅助电源

电压

DC24V(±25%)

最大功耗

≤2VA

被监测系统

额定电压

AC 220 V(±10%)

额定频率

45 ~ 60Hz

定位信号

定位电压

<25V a.c.r.m.s.

定位电流

<1mA r.m.s.

故障定位

最大回路数

4路

8路

响应时间

<2s

通讯

方式

CAN通讯 

协议

自定义协议

 

表8  AKH-0.66P26电流互感器技术参数

输入电流

0.5mA~50A

 

使用频率范围

0.02-10 KHZ

输出电流

0.025~25 A

负载电阻

<200Ω

温度系数

100 ppm/℃

瞬间电流1s

200A

相移

10¢

安装固定

十字槽盘头4×10螺丝固定

工作温度

-35~+70℃

二次侧接线

单芯线>0.75mm2   最长1m

储存温度

-40~+75℃

单芯双绞线0.75mm2 最长10m

副边内阻范围

95~120Ω

隔离耐压

5000Vac

精度

0.5%

线性度

0.5%

 

 表9  ACLP10-24电源模块技术参数

输入电压

AC 220V(可波动范围±10%)

频率

50/60Hz

功率

3W

输出电压

DC 24V±5%

电压调整率

≤30%

温升

≤20℃

抗电强度

4000V AC/分钟

    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,Rf+或Rf-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

[1 ]杨成德 . 手术室配电及绝缘监视系统的设计与探讨

[2 ]王厚余 . 医院中的电气安全要求 . 建筑电气,1993(4):~7

[3 ]杨成德 . 低压配电系统的接地和接零保护 . 电工技术杂志,2000(7):23~26

[4 ]杨德成 . 医疗电气设备的供电及安全保护设计 . 供用电,2000(5):41~43

作者简介

赵斌,男,本科,安科瑞电气股份有限公司,主要研究方向为医疗供配电设计,Email:7377987@qq.com手机:13917437076  QQ:7377987


 

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