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1、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
2、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I
3、EC 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1
4、4.7.6.3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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、 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。
10、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
11、 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
12、 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
13、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
14、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
15、 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
16、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 A
17、C 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
18、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
19、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
20、 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。
21、 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 Email：2880157850@ 手机：13524826678 QQ：2880157850
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