医疗IT配电系统洁净手术室电源的探讨

摘  要：阐述了医疗IT配电系统洁净手术室电源的电气设计及必要性，介绍了IT系统绝缘监测功能的扩展：IT系统过负荷检测，IT系统隔离变压器温度检测，IT系统接地故障定位检测，以及绝缘监测、各类检测的中央监控系统。
关键词：洁净手术室　医疗IT系统　绝缘监测　医用隔离电源柜　　

1　前言
随着医疗电子电器技术的飞速发展，现代医疗日益依赖于电气和电子设备。人们对医院手术室的环境要求越来越高，过去的一些设计远不能满足人们对安全保障的要求。尤其是手术室中大量设备触及人体内脏和大脑等器官，如发生电气漏电故障，很容易发生电气事故。如何保护医院的病人以及医护人员不受漏电事故的伤害已经变得非常重要，已经受到了国内外的继电保护专家和医生们的普遍关注。许多国家和国际标准都对医疗领域，尤其是那些生命攸关的场所，如手术室﹑重症监护室﹑心脏监护室等处的医用配电系统做出了特殊规定，其目的就是保证为该场所内的医疗电器设备提供一个安全可靠的电源，以确保病人的安全。

2　医疗IT配电系统的必要性
2.1 电击对人体的伤害
电流流入人体主要有三种后果。首先是灼伤，特别是在电流流入和流出人体的地方。其次是肌肉的麻痹，它可能短暂地使呼吸停止。第三是电击造成心脏发生心室纤维性颤动，这种心室纤维性颤动会造成心室和心瓣膜的失调，从而使血液循环停止。前两种结果会使人感到不适，但很少造成持久性损伤，而发生心室纤维性颤动则需尽快进行处理，否则会造成脑损伤或死亡。
在正常情况下，人体对电击的自然反映可以避免或减少电流对人体的伤害。第一，人体的皮肤电阻可以限制流过人体的流量。第二，肌肉在受到电击时会收缩，一般能够使人体迅速脱离电源。但是众所周知，当用电设备对人体心脏直接漏电电流大于10uA时，就会导致病人死亡，在医学上称之为微电击。在医疗过程中，为了进行各种目的的测量、诊断或治疗，病人常常和各种电气设备连接，电极有可能进入人体或牢固地附着在人体表面（如：心电图、脑电图），还可能从人体内导出液体，经过处理后再输入体内（如：肾透析），这些将使人体失去皮肤电阻的保护。当病人处于麻醉状态，或因痛觉丧失失去了对电击的自然反映，会导致人体不能自行脱离电源，从而对病人造成生命危险。
2.2 医疗IT配电系统设计的相关规定
一般通用建筑中所用的RCD等对地漏电保护开关，其动作响应值是mA级（30mA），远远不能满足医疗领域的需要。因此，现在国际上对医疗领域中的手术室﹑ICU﹑CCU等重要场所，除了按要求做局部等电位联结外，配电系统通常采用局部中性点不接地的供电系统（即IT系统或称隔离电源系统）供电。通过单相3KVA-10KVA的隔离变压器给这些场所供电，首先可以防止其它回路中的漏电电流通过接地线窜入手术室﹑ICU﹑CCU的医疗电气设备上对病人的安全构成威胁；另外，一旦隔离电源上所接负载（如各种医疗电气设备）出现对地故障，因对地不能构成电气回路，所以只能产生一个很小的容性漏电流，可有效控制对心脏等器官的直接漏电流，极大地保护了病人免造漏电流的伤害。
国内同样也出台了相对应的安全设计规范。《民用建筑电气设计规范》第12.8.6 条规定：在2 类医疗场所内，用于维持生命、外科手术和其他位于“患者区域”内的医用电气设备和系统的供电回路，均应采用医疗IT 系统。另《医院洁净手术部建筑技术规范》第8.3.4 条第2 款规定：心脏外科手术室必须设置有隔离变压器的功能性接地系统。国标《建筑物电气装置第7 - 710部分：特殊装置或场所的要求——医疗场所》（GB 16895.24–2005 / IEC 60364–7– 710：2002），对医疗场所做了相应的划分。在病人体表或体内使用的实时监控仪器；用于手术的仪器设备；维持病人生命和躯体功能的设备；用于打开心脏、大脑的设备。在此类场合医疗设备电源中断会引起病人生命危险；微弱的漏电流会产生‘微电击’。在2类场所中每个房间必须至少配备一套医用IT电源供电（隔离供电电源），该电源系统必须安装绝缘监视仪。例如：麻醉室﹑手术室﹑手术准备室﹑手术石膏室﹑手术恢复室﹑心脏导管插入室﹑重症监护室﹑心脏监护室﹑血管造影检查室﹑早产婴儿监护室等。均属于2类场所在应用组2类的医疗场所，必须使用带绝缘监视的隔离电源系统，即IT系统。
2.3 医疗IT配电系统的特点
a. 由于系统电源端带电导体不接地，即使系统发生单相接地故障也只能通过系统对地电容构成回路，故障回路阻抗极大，故障电流极小，发生电击的危险很小，所以不必及时切断电源来防电击，从而维持供电的不间断，只有在发生第二此接地故障时才要求切断电源 。同时，安装在系统中的绝缘监测器能及时地检测并给出系统绝缘故障报警信号，提醒工作人员及时排除故障。因此IT系统是一个连续、可靠的供电系统。
b. IT系统中的绝缘监测器，一方面实时监测系统的绝缘状态，另一方面还检测系统的过负荷和变压器的温升状态，一旦出现异常立即报警。因此IT系统能够减少因系统发热、漏电等原因引起的电气火灾事故，大大提高了系统的防火安全性。
c. 在IT系统中，提高回路的绝缘阻抗、降低回路对地电容，是提高系统安全性与可靠性的关键。因此在系统设计时要尽量缩短系统配电线路的长度，减小系统容量，减少系统分支回路数，并做好线路的绝缘防护措施。这也就限制了IT系统仅能用在重要的局部的供电场所，如化工、制药企业的一些程序控制生产线，医疗场所的手术室、重症监护室等场所。

3　医疗IT洁净手术室的供配电的设计
医疗IT系统是IT系统应用的一个典型实例。医院因其职能的特殊性，对其配电方式有特殊的要求。如外科手术室、重症监护室等，都需要采用IT系统，以提供一个安全、可靠、连续的配电系统。
3.1 医疗IT供配电系统
根据《民用建筑电气设计规范》第12.8.6 条的规定：在2 类医疗场所内， 用于维持生命、外科手术和其他位于“患者区域”内的医用电气设备和系统的供电回路，均应采用医疗IT 系统。另《医院洁净手术部建筑技术规范》第8.3.4 条第2 款规定：心脏外科手术室必须设置有隔离变压器的功能性接地系统。
当手术室采用IT 系统后，手术室供医用电气设备使用的电路采用隔离变压器供电，当电气设备绝缘损坏时，其故障电流仅是系统范围内较小的对地电容电流，可不切断电源继续进行手术，病人安全也得以保障。局部IT 系统必须装设剩余电流动作检测报警装置，以便及早发现和排除故障，防止第二次异相接地而形成相间短路。

图1　手术室配电系统图

　　各类手术室和重症监护室根据各系统容量分别配置单独的IT系统，主要的医疗仪器、无影灯、多功能吊塔等用电设备须从IT系统中取电。照明灯、观片灯和电动门等可以不从IT系统取电。图1为采用医疗隔离电源系统的手术室配电系统图。绝缘监测仪时刻监测IT系统的绝缘状态，并在系统出现故障时给出报警信号，外接的报警与显示仪通过RS485接口与绝缘监测仪进行实时的数字通信，显示绝缘监测仪的检测结果，并在报警时发出声光报警信号。除了绝缘监测设备外，系统还配置了绝缘故障测试仪和绝缘故障评估仪。绝缘故障测试仪能够在线查找故障发生的回路，它和绝缘监测仪一起工作，当绝缘监测仪探测到系统绝缘故障后，绝缘故障测试仪立即开始故障定位，由绝缘故障评估仪周期性地送出一个特殊的测试电流，测试电流流经故障部位，由电流互感器探测，并由电子评估仪对故障回路进行评估，评估的结果送报警与显示仪中显示。
3.2主要产品型号规格及配置
安科瑞（Acrel）公司的医用隔离电源柜是针对医疗2类场所的供电需求而设计的具有局部IT系统的配电柜，IT系统装设绝缘监测装置来监测系统的绝缘状况，各输出回路采用了具有短路保护功能的断路器；其它系统输出回路则采用了具有漏电保护功能的断路器。产品根据使用场所的不同分为GGF-O系列手术室用隔离电源柜和GGF-I系列ICU/CCU等病房用隔离电源柜两大类，能够很好的满足各类手术室和重症监护室对电源安全性和可靠性的要求，并符合GB16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002《建筑物电气装置第7-710部分：特殊装置或场所的要求-医疗场所》和GB7251.1-2005/IEC 60439-1:1999《低压成套开关设备和控制设备》等标准。

3.2.1 ICU、CCU病房配电解决方案（以GGF-I8隔离配电柜系统图为例）

表1  方案配置表

3.2.2 手术室配电解决方案（以GGF-O8隔离配电柜系统图为例）

表2  方案配置表

3.3 医疗IT供配电系统设计的注意事项
（1）必须装设绝缘监视及接地故障报警或显示装置。在ＩＴ系统的配电线路中，当发生第一次接地故障时，应由绝缘监视器发出音响或灯光信号，其动作电流应符合Ra×Id≤50V；当IT系统的配电线路发生第二次异相接地故障时，应切断故障电路，并符合下列要求：
①当IT系统不引出N线，应在0.4s内切断故障回路，并符合Zs×Ia≤Uo；
②当IT系统引出N线，应在0.8s内切断故障回路，并符合Zs×Ia≤0.5Uo。公式中，Zs:相线和ＰＥ线故障回路阻抗(Ω)；Ia:保护电器切断故障回路的动作电流(A)；Uo:相线对地标称电压（V）［1］。建议IT系统不引出N线。
（2）隔离变压器需设置过载和温度监测器。
（3）尽量减少系统容量，减小系统线路的长度；手术室内常规照明灯电源不必通过隔离变压器。
（4）采用≤30mA的RCD保护的设备不必通过隔离变压器。
（5）增加线路的绝缘等级,辅助以局部等电位接地，等电位干线保证在16mm2，支线在6mm2以上。IT系统的PE线仍是医院内TNS系统的PE线延伸，也即IT系统和TNS系统共用同一个保护接地的接地装置，切勿另打单独的接地极，引入另一PE线给手术室内电气设备进行接地，以防止2个接地装置间可能存在的电位差对人身安全造成威胁。

4　结束语
黄金有价，生命无价。随着人民生活水平的不断提高，涉及人身安全的洁净手术室的电气设计，将会越来越完善。带有绝缘监测的IT系统能够为局部场所提供安全、可靠、连续的供电，这是其它系统无法媲美的。因此在一些重要的生产加工场所、医疗场所，以及重要的设备运行场所，可以优先考虑使用IT系统。目前我国还没有出台关于IT系统绝缘监测产品方面的规范、标准，国内用于IT系统绝缘监测和故障点定位的产品也为数不多。因此，在期待国家标准尽快出台的同时，尚需努力开发出各类用于IT系统的绝缘监测设备与故障点定位设备。相信在不久的将来，随着人们对IT系统的充分认识，IT系统也会得到越来越广泛的应用。

参考文献：
[1]安科瑞电气股份有限公司产品资料，2011.03版.
[2]王厚余.低压电气装置的设计安装和检验.第二版.北京：中国电力出版社，2007：48 - 52.
[3]邵建勋.医用IT系统在医疗场所的应用. 信息管理,2008(6):32 -39.