手术室配电及绝缘监视系统的设计与应用.doc

手术室配电及绝缘监视系统的设计与应用
淮亚利
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
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
淮亚利，女，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
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