第五章 医用场所的电气安全.doc

第五章 医用场所的电气安全医院医用室的电气安全直接影响医学仪器的正常使用和关系着患者、操作者的人身安全。影响医用室电气安全最重要的因素是医用室接地系统的质量。5.1 医用配电方式一般供电部门供给医院三相高压电, 由医院配电室变换为单相交流220v电源或三相380v电源, 供给各检查室、治疗室、病房。医用配电系统共有四种, 这里只介绍常用的几种配电方弍：1. 分别保护接地方式分别保护接地方式(TT系统)是把中性线和一条相线(火线)引出,作为单相220V交流电源,不接安全接地线,即两个孔的电源插座。用三相电源时,将三个相线引出,接到三孔电源插座上,在使用医用仪器时要进行分别接地,如图5-1所示。这样使用的仪器不符合IEC和我国安全标标要求，使用时现接地线可能忘接地线或连接不好，而造成电击事故。 图5-1 分别保护接地方式2. 兼用方式兼用方式(TN-C)系统供电方式如图 5-2所示,可见电源功能接地线N(即中线),同时又作安全保护接地线PE这种方式称为三相四线制,已使用多年。图5-2 兼用方式(TN-C系统)在正常情况下,当电源线(相线)绝缘损坏,壳体帶电时,电流通过零线N回路,不会产生触电危险,起到保护作用,但这种保护不夠完善,还寸有缺欠：1 旦零线N某处断路,电流不能形成回路,仪器设备的外壳就帶高压,有触电的危险。2 三相电用电不平衡的情况下,在零线上产生一定电流有电压降,仪器设备的外壳也存在较大电压,并随着用电不平衡的增大,零线电压増大,手碰到仪器设备的外壳有麻电感觉,当零线电压超过安全电压(2430V)时,将有电击危险。 在应用医用仪器易引入50Hz共模干扰。 3. 保护接地方式(TN-S系统)保护接地配电方式为三相五线制, 是医用安全供电的正確配电方式如图5-3 所示 图 5-3 保护接地方式(TN-S系统)这种供电方式是把三相供电的零线N接地, 与仪器设备外壳相连的保护接地线PE也接地,零线N和保护接地线PE连接在同一地线上或将保护接地线PE另单独接地。电源变压器输出三相,加上零线N和保护接地线PE共五条线, 故称为三相五线制, 它的优点是： 由于零线 N 和保护接地线PE分开,保护接地线 PE 在正常工作中无电流流过,因此在PE线上无电压降, 即仪器设备的外壳上无电压,这就不会发生由于三相用电不平衡使仪器设备外壳电压升高而产生触电危险 , 或因零线断路时失去保护安全的危险。(2) 大大减小 50 Hz 共模干扰。(3) 在电源线绝缘损坏时,仪器外壳带电,保护接地线PE把故障电流安全地导入大地,可避免发生触电危险。这种供电方式是目前医院应推荐的最佳接地方式。这种供电方式实际是具有双重保护功能。 TN-C-S 供电系统目前很多医院采用TN-C-S 供电系统,这是将TN-C与TN-S 两个系统相结合的一种配电方式。如图2-20 所示。 图2-20 TN-C-S 系统 图 5-4 TN-C-S 系统在该系统中,零线 N 和保护接地线PE 一部分公用, 一部分是分开的。即在每个房间中零线N和保护接地线 PE 是分开铺设的,到配电柜或配电室零线 N 和保护接地线PE接在一个公共点上,此共点即与电源的零线相接又与接地线或楼体的构钢筋相接。该供电系统虽能起到一定的保护作用,但实质上仍存在 TN-C 系统某些缺点,目前很多医院仍采用这种配线方式。被用于配电方式名称TT、TN-S、TN-C 等记号的含意,按 IEC 的规定,如表 3-6 所示。用这种记号 ,非接地配电方式应为 IT 系统。 表5-1 配电方式记号的含意第一个字母 第二个字母 第三个字母(某种场合) 系统接地方式 仪器接地方式 仪器接地方式的补充说明 I T N T C S非接地系统或 直接 接地线用配线 分别接地 中性线和接地 中性线和接地高阻抗接地 接地 方式 方式 线通用 线分开 5.2 医用室非常电源供给 医院的手术室,ICU、CCU病房以及生命维持装置如血液透析装置,呼吸机等,一旦停电将造成重大医疗事故,因而在停电时为確保上述医用室电源供给,医院应备有非常电源,非常电源分三种类型：一般,特别,瞬时特别。具体要求如下：非常电源的种类 非常电源的种类 电压確立时间 连续运行时间(最小) 用 途 一 般 40秒以内 10时间以上 重要机器、照明 特 别 10秒以内 10时间以上 生命维持装置 瞬时特别 0.5秒以内 10分以上 手术灯 5.3, 医用仪器接地的作用 接地在电气应用技术中广泛使用, 接地的作用大致分为两类, 一类是起安全保护作用, 另一类是为提高仪器的功能。 安全作用：包括供电系统接地, 仪器保护接地、等电位接地, 避雷接地等。 功能作用：包括电路用接地, 屏蔽接地等。 1,供电系统接地一般医院配电室都是用变压器将高压电变换为低压电源市电, 而低压电路侧都采用单线或中性点接地方式，把这种接地称为电源侧接地或叫供电系统接地。这种接地是为防止高压侧产生接地事故,与低压侧接触时的一种安全保护电路。要求其地线的接地电阻在 4以下。2.仪器接地 将仪器的金属外壳或金属底座等接地, 称其为仪器接地。为防止仪器绝缘变质漏电流对患者和使用人员造成电击事故。例如图5-5 所示, 在电源电路上连接一个仪器, 当仪器的绝绿变质, 引起仪器内部产生接地事故时, 接地电流路径如图中的虚线所示, 接地电流的路径如图5-6等效电路所示。仪器的接地电阻取为Re, 系统的接地电阻取为Rs, 接地事故点电阻取为Rf, 大地电阻取为Ro 图5 5 接地电流的路径 图5 6 右图的等效电路当电源电压取为E 时,则接地电流I 应为If=E/(Rf+Re+Rc+Rs) 而仪器外壳对地的电压V为: V=IfRe=ReE/(Rf+Re+Rc+Rs) 当人体接触到仪器外壳时,这个电压超过25v, 将对操作或患者造成电击, 将这个电压值称为接触电压。 为了在仪器产生接地事故时,減小对人体的电击危险, 应尽量减小仪器的接地电阻Re。另外, 采用仪器接地与供电系统接地共用方式, 如图2-23 所示, 即从系统接地引出配线连接到仪器的外壳接地端上。这样连接, 因为接地电流流过导线, 而不经过仪器接地电阻, 所以接触电压就不会大了。当然也可以使用过电流断路器，在接地电流过大时, 使电路在瞬间切断, 这种保护接地方法即为TN-S接地方式。 。 图5-7 减小仪器接触电压的地线配线法 3, 等电位接地 把医用检测室中的仪器外壳和其周围所有导电的物体, 如金属水管、煤气管、金属床和窗框、建筑物的钢筋等,全用低电阻的导线连接到一点, 然后进行接地,称其为等电位接地, 如图 2-24 所示。这样,在检测中人体可接触到的仪器外壳和金属物体之间不存在电位差,将可防止电击事故。在IEC安全标准中, 要求离患者25m 以内的范围 , 要达到等电位化,把这个安全范围称为患者环境。把为了得到等电位用的导线称为等电位接地线。 图58 等电位接地4. 仪器功能接地仪器功能接地可分为电路用接地和定电位接地。电路用接地是利用大地作为电路一部分的接地 , 如无线电的接地即为这种接地。定电位接地是为使金属外壳保持一定电位, 在其内部的电路将不受外面电磁场的影响,即所谓屏蔽接地。利用屏蔽这个特性,在医学检测中可以防止外界各种电磁场对医学检测的干扰,如常用的屏蔽室和屏蔽罩等。5.多台医用仪器共用时的接地方法在医用仪器安全标准中规定,为确保患者不受微电击,要求医用仪器在正常工作时经过患者的漏电流容许值:CF 型为 10 A,B 型和 BF 型为 100 A 。在单一故障时经过患者的漏电流容许值 :CF 型为 50 A,B 型和 BF 型为 500 A 。如果人体的电阻取为 lkO 则容许人体接触电压或人体接触的两导体间的电位差为 lo mV( 仪器正常工作时),最多为 50mV( 单一故障时 )。如此微小的电流和电压,在医用仪器使用中是不易做到的,特别是在多台仪器并用时更难做到。为此,在多台仪器并用时要解决好接地问题。(1) 多台仪器单独接地 图5-9 同一患者身上用多台仪器分别单独接地为简单起见,以使用两台仪器为例。在一个患者身上连接仪器 A 和 B, 分别进行接地,其接地电阻为 RA 、RB ，图 2-25。当从仪器A 、B 分别漏泄的电流iA 、iB、流过接地点,在患者身上通过的电流为假定在正常状态下,即使取接地电阻 RA,RB为10100, 漏电流iA 、iB 为10500A时, 通过患者的电流超过10A的危险性也极大。当仪器发生故障时,漏电流 ( 接地电流 ) 会变得更大,不仅会有微电击,还有产生强电击的危险。因而,分别单独接地方式在医学上不能使用。在同一室内不允许有不同系统的接地线。(2) 多台仪器公共接地当把多台仪器连接到同一条接地线上时,虽然每个仪器上通过的漏电流很小,但合计起来通过地线的电流却可能很大。另外在公共地线上除医用仪器外,有时还接有大功率的设备, 因而公共地线上的电阻影响就不可忽略了。如图 2-26 所示, 设有电流 IE 通过公共地线。仪器 A 、B 接到同一个患者身上, 其接地分别接到 A 、 B 点处。如果公共地线 A 、B 间的电阻为 R,则在仪器A和B 间连接的患者身上通过的电流为假若 A、B 间的电阻R 为 0.1, 电流 IE 为 10O mA,通过患者的电流则为10A。在有接地事故时 ,IE 可达 10100A 。如果事故发生在A 、B 的上游时,即使连接患者的仪器本身仍工作正常,也有对患者发生电击事故的危险。这种问题可考虑用下面方法进行防止:1) 公共地线不能拉得很长和绕圈。2) 使用粗的地线,减小地线的电阻。3) 连在同一患者身上的仪器的地线要接到公共地线的同一点上 , 一般称其为一点接地。这样就可避免在患者身上同时并用多台仪器时,造成通过患者身体的电流引起电击危险。这种方法是医用仪器安全使用中的正确接地方法 图 5-10 因公共地线引起的危险(3) 一点接地万法医用仪器的接地并不是直接连接到公共地线上,一般是连接在电源插座上的接地插孔 ( 接地极)上或者连接到墙壁上安的接地端钮上。在同一个室内的插座和接地端钮相当多的情况下,为了做到一点接地,需要考虑用接地母线 用它则可做到等电位接地,如图 2-27 所示。当在同一室内有多位患者的情况下 , 如在室内只放一个接地母线 , 把各位患者的接地线都接到 接地母线上就可以了。接到患者身上的各种仪器 , 对同一个患者只能在同一个接地母线进行接地。 连接在同一个患者身上的各种仪器,不能将地线连接到两个以上的接地母线上 , 如图 2-28 所示。 图 5-11 一点接地用的接地母线 图5-12 在同一患者身上应用的仪器不能用不同的接地母线5.4 医用室地线埋置方法一个现代化医院,其病房、手术室、治疗室、诊断室等都必须配备有良好的地线,保证医用设备能够达到安全接地要求。地线包括埋入地下的接地体,及与其相连的导线,接地体又称为接地电极, 导线又称为接地线。现简要介绍几种常用接地电极的埋置与接线方法。1,板式电极铺设板式电极,一般是取一块面积为一平方米,厚度在5mm以上的紫铜板,称为接地体，埋入距地表1.5m 或 2m 深的地下 (视土质好坏来决定其深浅,最好能挖到原土)。用截面积大于 16cm2电缆将其接入楼内实验室的安全地线插孔上 , 电缆与铜板的连接要焊接好并做防腐处理。这样就构成一个接地系统。由于埋置地点的土壤电阻率不同,应适当掌握埋置电极的深度和接地体面积为金属板式接地电极的接地电阻值大小,遵守公式 ( 垂直地面放置 ), 或 ( 与地面成水平放置)的关系,式中为电极周围的土壤电阻率,电阻率越小接地电阻值也越小,为减小电阻率, 常在埋置电极周围更换导电性能好、含水量大的土壤,或在其周围土壤中加电解质(如食盐)和炭粉等,也可放专用的接地降阻剂。公式中A为板电极的面积,面积越大电阻值就会越小,但安装成本费就增加了。另外,电极板的放置方法不同也直接影响接地电阻的大小,由公式可见对相同面积的电极板埋置在同一坑里,垂直放置的接地电阻值比水平放置要小一倍。一般这种埋置接地电极法,接地电阻可做到 140, 基本可满足安全规定要求。2 圆钢棒式电极市场上销售一种专供做接地电极的钢钎,长 2.5m, 直径 1.9cm, 一端为尖形,便于砸入地 下, 另一端焊有接线耳,便于连接,铺设时可根据当地土壤电阻和所要求的接地电阻的大小,用数根甚至数拾根钢钎, 在地上挖一个或数个圆坑,坑深1m 左右,坑的直径为 1.5m 以上,然后沿坑底砸入三根或四根钢钎,再用扁铁将钢钎焊接成一体,将电缆导线焊在接地电极上, 并将其引入实验室电源插座的安全地线孔上,成为接地系统。如果受埋设地点的限制,或为了多埋入一些钢钎,也可挖一条1m 深的沟将钢钎以每根相距 2m 的距离依次砸入沟底,然后用扁铁将其焊接在一起。取坑中心为接地线连接点,接地线用25mm2 多股铜线,焊接在接地电极上,用土夯实。一般用这种接地方法 , 其接地电阻可达13。如果并联的钢钎增多,接地电阻将随着减小,如钢钎增到20个以上 , 接地电阻有可能降至 l 以下。另外,因纲钎为棒状电极,其接地电阻值遵守公式:R = 式中 L 为钢钎长度,d 为圆钢钎的直径。可见秀在地下的钢钎, 在其周围的土壤电阻率 相同的情况下, 其越长、越粗,接地电阻值越小。3. 用建筑物基础结构作接地电极这是一种特殊的接地电极,利用建筑物地下钢筋水泥基础和铁架作为接地电极, 因为潮湿的混凝土电阻率相当低,而建筑物的地下基础面积很大,形成一个很大的接地电极。如果其在地下基础部分的表面积为 1, 周围土壤电阻率为,可由公式 R= 估算出其接地电阻值。所以近年来一些新建的医院大楼,利用大楼地下基础钢筋作为接地装置,在大楼施工的同时, 就将地下基础钢筋和铁架用电缆连接起来,直接引入到楼内各层室内,设置成室内接地中心,这种接地装置的接地电阻小,可在零点几欧以下,接地可靠,不易损坏,是当前医院中最好的接地方法。4. 在接地电极周围加长效降阻剂法用一种长效降阻防蚀剂(LRCP)产品,它为高分子化学物质,使用前为液体,用塑料桶封装,施工时加入凝固剂后倒在坑中聚合为乳白色,形成具有较好弹性的凝胶体,它可提高电极周围土壤的导电率, 而且它有很强的渗透力,能渗入到干沙岩石中,形成树枝状大面积导电区,等效扩展了接地体的接地半径,可明显地降低接地电阻,用该降阻剂不但降阻效果显著、持久性长,而且在运行的前五年 , 其阻值呈下降趋势,并且对接地电极的腐蚀甚微,既有降阻又有防腐蚀作用。有人做过对照实验,在同样地方,用两个大小相同的电极,分别埋置相同深度的两个坑中,其中一个加长效降阻剂,另一个不加。之后测量接地电阻值,用长效降阻剂的接地电阻比不用降阻剂的小一倍。5.5 接地电阻及其测量万法在医用电气设备安全规定中要求医用接地系统的接地电阻小于 4,而且越小越好,否则仪器即使连接地线也保证不了患者和医生护士的安全。另外,因为接地电阻值随时间、季节和周围环境变化较大,需要定期检测,发现不符合规定要求时,要及时补救,否则将成为医用电子仪器造成电击事故的隐患。下面介绍接地电阻的概念,它的大小与什么有关,同时介绍几种测量地线的接地电阻值 的方法。接地电阻医用仪器接地,就是把医用仪器易与人体接触的部分与大地相连接。为了仪器和大地进行电的连接,把金属接地电极(接地体)埋在地里 ( 如前节所述 )。当有电流通过地线的接地电极流入大地时, 表示其通过电流难易程度的量称为接地电阻。因为接地体埋入地下与其周围的土接触,土壤又不是一种良好的导体,具有较大的电阻率,但是大地的导电截面积较大, 而随离接地体越远导电截面积越大,所以接地电阻的特性还是比较复杂的。如图 5-12 所示,把接地电极埋置在地下,通过这个电极的电流为I,这时以大地内的无限远点为基准时 ( 电位为零 ),恻大地的电位分布如图所示。如接地电极的电位为E,则接地电极的接地电阻 R 可由下式求出: R=E/I实际上接地电阻是由接地电极的大小、形状和电极周围的土壤的电阻率等决定的。为了进一步理解接地电阻的特性 , 现以半球状金属接地电极为例 ( 为计算方便而用半球状电极),计算其埋到地下后的接地电阻。如图 5-13 所示。设半球形埋置接地电极的半球平面与表面一致,球心为0,半径为,周围的土壤组成是均勻的, 其电阻率取为。在这个电极上有电流通过时,如图中箭头所示,电流均匀地沿半径方向流动。现考虑离中心点O距离为处(),厚度为 d的薄半球壳,这个半球壳的径向电阻dR可表示为 图2-13 接地电极和地表面 图2-14 半球状电极 的电位分布 因此,以接电极的表面到半径为rd的土壤电阻Rd为 如果rd取为无限远,即到无限远处的电阻,就是该半径为r的半球形接地电极的理论接地电阻R： 即R=接地电阻R和距离为rd处的电阻Rd之比即内上式得出 电阻区域 包括在rd中的电阻比率1 02 0.5 5 0.8 10 0.9 20 0.95 50 0.98100 0.99 这个公式表示在接地电阻R中,距离为rd范围内的电阻Rd所占的比率。这个比值如上表所示。由此可见,接地电阻实际上集中在电极周围的区域内。 即在比电极半径大10倍的区域内的接地电阻值占总接地电阻的90%,大20陪的区域占总接地电阻的95%,这表明接地电阻具有集中的特性,超过20倍以外的大地电阻已对接地阻值影响极小。为减小接地电阻值,除选择适当的接地电极形状,増丈表面积外,还要尽量降低电极周围一定范围内土壤的电阻率,而较远处的土质对接地电阻值影响不大。一般测地线的接地电阻值,都是检测距接地体20m以内的接地电阻值。2, 接地电阻测量 利用零线测量接地电阻法这是一种新的接地电阻测量方法,用这种方法测量时可以直接在室内进行,解决了以往电压降测量方法,在测量高层房间内接地端子时所遇到的困难,不用布线,不用埋置辅助电极,并采用交流电源减少了电极极化对测试结果产生的影响。测量结果不仅包括了接地体的电阻还包括从室内接地端子开始到接地体连线的阻值。测量原理如图 2-15 所示。图 2-15 用零线测量接地电阻法 原理法图中 Rx 为被测接地电阻,R。为供电电网零线接地电阻, R为己知标准电阻,E为与电网共地的交流电源,E,为 R。上产生的等效电压, 当K置于1 端时,测得 RX、Ro 之间的电位差 V1 和 R 两端的电压V3, 设此时回路电流为 I1,K 置于 2 端时测得主要由电源E 的作用产生的RX 、Ro 之间的电位差 V2 和 R 两端的电压降V4 ,设此时电流为 I2, 由于K 两次换位时间很短,测量电流与电网零线电流相比很小,所以在测量过程 中可认为 E, 无变化。则有以下关系: 则： 则： 故： 則： 其中 R0是在检测现场通过零线到包括电网接地体的整个回路上的电阻, 即 ,为电网接地体的电阻, 零线电阻,因为0, 所以 Ro=, R。可用以下方法获得:先用传统的电压降法测