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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。
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
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名称
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型号
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功能
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价格（元）
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绝缘监测仪
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AIM-M100
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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。
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15600
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直流稳压电源
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ACLP10-24
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仪表专用的直流稳压模块，导轨式安装
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300
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报警与显示仪
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AID100
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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。
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900
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AID120
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电流互感器
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AKH-0.66P26
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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。
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150
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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
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名称
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型号
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功能
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价格（元）
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绝缘监测仪
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AIM-M200
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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。
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19600
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集中报警与显示仪
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AID200
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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。
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900
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测试信号发生器
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ASG100
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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。
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3780
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绝缘故障定位仪
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AIL100-4
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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。
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6050
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AIL100-8
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8050
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直流稳压电源
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DR-60-24
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为AIM-M200、ASG100、AIL100和AID200提供直流24V的稳压电源
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450
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电流互感器
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AKH-0.66P26
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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。
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150
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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
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型号
参数
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AIM-M100
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AIM-M200
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辅助电源
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电压
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AC220V（可波动范围±10%)
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DC24V（可波动范围±25%)
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频率
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50/60Hz
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—
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最大功耗
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<8VA
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<3VA
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绝缘监测
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绝缘电阻测量范围
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10～999kΩ
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相对百分比误差
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0～±10%
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报警值范围
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50～999kΩ
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响应时间
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<2s
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测量电压
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<12V
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测量电流
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<50uA
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电流监测
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测量范围
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2.1～50A
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报警值可设范围
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5～50A
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测量精度
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5级
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显示方式
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百分比显示
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数值和百分比显示
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温度监测
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热敏电阻
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PT100
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测量范围
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-50～+200℃
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报警值范围
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0～+200℃
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报警输出
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输出方式
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2路继电器输出（可编程）
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2路继电器输出
（不可编程）
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触点容量
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AC 250V/3A DC 30V/3A
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通讯
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2路RS485接口，
Mod bus-RTU协议
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1路RS485接口，
Mod bus-RTU协议
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1路CAN接口，
自定义协议
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环境
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工作温度
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-10～+50℃
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存储温度
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-20～+70℃
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相对湿度
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5%-95%，不结露
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海拔高度
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≤2500m
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额定冲击电压/污染等级
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4KV/3
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EMC电磁兼容和电磁辐射
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符合IEC61326-2-4
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表4 AITR系列隔离变压器技术参数
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额定容量
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3.15KVA/6.3KVA/8KVA/10KVA
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短路电压
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<3% Un
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频率
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50/60Hz
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效率
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>96%
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额定输入电压
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230V
|
最高环境温度
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<40℃
|
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输出电压
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230V/115V
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空载温升
|
<33℃
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冲击电流（IE）
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<12In
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满负荷温升
|
<76℃
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泄漏电流
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<180uA
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耐压
|
4200V/分钟
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空载输出电压（U0）
|
<235V
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绝缘等级
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H
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空载输出电流（I0）
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<3% In
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噪声等级
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<40dB (A)
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表5 AID系列报警与显示仪技术参数
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参数 型号
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AID100
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AID120
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AID200
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辅助电源
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电压
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DC 24V
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功耗
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< 0.6W
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绝缘电阻显示范围
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0～999kΩ
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—
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绝缘报警范围
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50～999kΩ
|
—
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变压器负载率显示
|
百分比显示
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—
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负载电流报警设置
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14A、18A、22A、28A、35A、45A
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温度报警设置范围
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０～+200℃
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报警方式
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声光报警
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报警类型
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绝缘故障、过负荷、超温、设备故障
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通讯方式
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RS485接口 MODBUS-RTU协议
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CAN接口，自定义协议
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显示方式
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数码管显示
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128×32点阵液晶显示
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表6 ASG100测试信号发生器技术参数
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辅助电源
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电压
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DC24V(±25%)
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最大功耗
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≤2VA
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被监测系统
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额定电压
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AC 220 V(±10%)
|
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额定频率
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45 ~ 60Hz
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定位信号
|
定位电压
|
<25V a.c.r.m.s.
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定位电流
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<1mA r.m.s.
|
|
通讯
|
方式
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CAN通讯
|
|
协议
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自定义协议
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表7 AIL100绝缘故障定位仪技术参数
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项目
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指标
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AIL100-4
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AIL100-8
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辅助电源
|
电压
|
DC24V(±25%)
|
|
最大功耗
|
≤2VA
|
|
被监测系统
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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.
|
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故障定位
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最大回路数
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4路
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8路
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响应时间
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<2s
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通讯
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方式
|
CAN通讯
|
|
协议
|
自定义协议
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表8 AKH-0.66P26电流互感器技术参数
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输入电流
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0.5mA～50A
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使用频率范围
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0.02-10 KHZ
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输出电流
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0.025～25 A
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负载电阻
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<200Ω
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温度系数
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100 ppm/℃
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瞬间电流1s
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200A
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相移
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10¢
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安装固定
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十字槽盘头4×10螺丝固定
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工作温度
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-35～+70℃
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二次侧接线
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单芯线>0.75mm2 最长1m
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储存温度
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-40～+75℃
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单芯双绞线0.75mm2 最长10m
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副边内阻范围
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95～120Ω
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隔离耐压
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5000Vac
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精度
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0.5%
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线性度
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0.5%
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表9 ACLP10-24电源模块技术参数
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输入电压
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AC 220V（可波动范围±10%)
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频率
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50/60Hz
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功率
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3W
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输出电压
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DC 24V±5%
|
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电压调整率
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≤30%
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温升
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≤20℃
|
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抗电强度
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4000V AC/分钟
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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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