手术室配电及绝缘监视系统的设计与应用

手术室配电及绝缘监视系统的设计与应用 刘静 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 364-7-71041315规定：除了IEC 364-7-71041313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：内部交流绝缘电阻必须大 于100K。测试电压不大于DC25V。即使在故障条件下，测试电流不得超过1mA。最 迟在绝缘电阻降至50K时，应有显示，应提供一测试仪器测试该设备。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：监测绝缘阻抗，范围为 10999K。监测负载电流，范围为2.150A。监测隔离变压器温度。在线监测仪 表和电网、N线、PE线的连接。在线监测仪表与电流互感器的连接。在线监测仪表与温 度传感器的连接。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 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 19600 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 AID100 报警与显示仪 AID120 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 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 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。 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 AIL100-4 6050 绝缘故障定位仪 AIL100-8 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。 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 电压 AC220V（可波动范围10%) DC24V（可波动范围25%) 频率 50/60Hz 辅助电源 最大功耗 96% 额定输入电压 230V 最高环境温度 0.75mm 2 最长 1m 储存温度 -40+75 二次侧接线 单芯双绞线 0.75mm2 最长 10m 副边内阻范围 95120 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 24V5% 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。 G绝 缘 监 测 仪Rs滤 波 器 ImRFPET系 统LN 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 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 k 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，在设备发生接地故障后，设备又发生接地故障，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