淺析醫(yī)療場所接地系統(tǒng)的設計方案與應用

徐霜
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要: 根據(jù)不同類別醫(yī)療場所的安全要求，總結醫(yī)院電氣設計中采用的接地系統(tǒng)型式，介紹了 IT 接地系統(tǒng)在醫(yī)療場所中的作用，并提出 IT 接地系統(tǒng)在應用中需注意的幾點問題。
關鍵詞: 醫(yī)療場所; 接地系統(tǒng); 醫(yī)用 IT 系統(tǒng); 電位差

0 引 言

  隨著醫(yī)療科技的不斷進步，在現(xiàn)代醫(yī)療診斷與臨床治療中，醫(yī)療電氣設備和電子儀器得到了越來越多地應用，醫(yī)療設備使用過程中的電氣安全顯得尤為重要，既要防止醫(yī)院人員受到設備剩余電流引起的電擊傷害，也要保證設備的可靠運行［1］。因此，醫(yī)療場所接地系統(tǒng)的正確選用必須在電氣設計中引起足夠的重視。

1 醫(yī)療場所的分類

  在診療中醫(yī)療電氣設備與病人身體接觸的情況不同，發(fā)生剩余電流故障對人體的傷害也有區(qū)別。按照電氣防護的要求，依據(jù)醫(yī)療電氣設備的部件與人體接觸的程度以及場所停電對患者造成的影響，醫(yī)院醫(yī)療場所分為如下三類:
  （1）0 類: 不使用醫(yī)療電氣設備接觸部件的醫(yī)療場所，如普通門診診室、推拿室、石膏室、病理科、檢驗科等。 
  （2）1 類: 醫(yī)療電氣設備接觸部件需要與患者體表、體內( 除2類醫(yī)療場所所述部位外) 接觸的醫(yī)療場所，如病房、治療室、透析室、內鏡檢查、超聲檢查、影像科等。
  （3）2 類: 醫(yī)療電氣設備接觸部件需要與患者體內( 指心臟或接近心臟部位) 接觸、手術室以及電源中斷或故障后將危及患者生命的醫(yī)療場所，如手術室、重癥監(jiān)護室、急診搶救室、心血管造影檢查室等。
  在以上三類場所中，2 類場所對電氣安全防護的要求高，此類場所內基本均為高危病人或者手術患者，往往運行有多臺需進入病人體內進行治療以及維持病人生命的設備，哪怕有較小的剩余電流導致的微電擊，都會對人體產(chǎn)生ji大的危險，同時又要保證在監(jiān)護或手術中保持可靠的系統(tǒng)供電，不能因接地故障出現(xiàn)而發(fā)生斷電的情況。

2 醫(yī)療場所接地系統(tǒng)型式的選擇

  建筑物中的接地型式主要包括 TN-S、TN-C、 IT、TT 系統(tǒng)，其中 TT 系統(tǒng)是指將電氣設備的金屬外殼直接接地的保護系統(tǒng)，主要應用于保護點較分散的室外場所。而根據(jù) JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》［2］中第9． 3． 1 條規(guī)定: “醫(yī)療場所配電系統(tǒng)的接地形式嚴禁采用 TN-C 系統(tǒng)”，這是由于 TN-C 系統(tǒng)中中性線( PE) 和保護線( N)共用，當非故障狀態(tài)下三相負荷不平衡或發(fā)生接地故障時，TN-C 系統(tǒng)的保護中性導體( PEN) 有電流通過，另外還有一些醫(yī)療設備引起的諧波電流也會注入 PEN，這些電流會產(chǎn)生電壓降，導致設備的金屬外殼帶電，危及醫(yī)療場所的人身安全。目前，醫(yī)院醫(yī)療場所中常用的接地系統(tǒng)類型主要是TN-S和IT系統(tǒng)。
  醫(yī)院的 0 類和 1 類場所的配電系統(tǒng)一般采用 TN-S 的接地型式，從醫(yī)院變電室的低壓配電柜出線開始，系統(tǒng)的中性線( N) 與保護線( PE) *分開，PE 線首末端做重復接地，以減少 PE 線斷線造成的危險。醫(yī)療設備所接插座的配電回路均帶剩余電流動作保護裝置，動作電流一般為30 mA，當醫(yī)療設備帶電部分接觸到金屬外殼或發(fā)生漏電時，與 PE 線形成單相回路，引發(fā)過電流保護裝置動作，切斷電源，則可有效避免觸電事故的發(fā)生。同時變壓器中性點接地，設備外露部分與中性線相連，當中性線斷開，如三相負荷不平衡狀況發(fā)生，中性點電位將升高，但是設備外殼和 PE 線都無電位，不會導致觸電事故?？梢?，在電氣設備不與患者體內接觸的非 2 類醫(yī)療場所，采用 TN-S 接地系統(tǒng)可以滿足電氣安全的要求。通常的做法是在這些場所內設置局部等電位聯(lián)結箱，將用電設備的可導電部位與之連接，并將局部等電位聯(lián)結箱接至大樓的共用接地。 
  TN-S 接地系統(tǒng)不能適用于醫(yī)院的 2 類場所，這是由于 TN-S 系統(tǒng)中剩余電流動作保護裝置的動作響應值為 mA 級，一般為 30 mA，遠大于 IEC標準規(guī)定的醫(yī)療設備允許通過患者心臟的剩余電流值 10 μA，對心臟造成微電擊而引發(fā)危險。同時由于 2 類場所對供電可靠性的高標準要求，又要求系統(tǒng)不能只要一出現(xiàn)剩余電流現(xiàn)象就引發(fā)開關動作切斷供電，因此在 2 類醫(yī)療場所，如手術室、重癥監(jiān)護室中，配電系統(tǒng)應當采用IT 接地型式［3-4］。

3 IT 系統(tǒng)在醫(yī)療場所中的應用

  IT 系統(tǒng)的電源中性點不與大地直接連接( 或通過高阻抗電阻接地) ，其用電設備的金屬外殼通過保護線直接接地。系統(tǒng)中如果出現(xiàn)單相接地故障，對地剩余電流只能經(jīng)過系統(tǒng)剩余電流電容對系統(tǒng)相線構成回路，而系統(tǒng)剩余電容引起的容抗總是遠大于 TN 系統(tǒng)中的接地電阻，故障剩余電流僅為小的對地電容電流，引起故障場所內不同部位的電位差很小，不會因其接地電流的存在而引起過電流，導致開關動作，保證系統(tǒng)能夠帶故障運行。根據(jù) JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》中第 5． 4． 4 要求，2 類醫(yī)療場所用于維持生命、外科手術、重癥患者的實時監(jiān)控和其他位于患者區(qū)域的醫(yī)療電氣設備及系統(tǒng)的回路，均應采用醫(yī)療場所局部 IT 系統(tǒng)供電。
  醫(yī)療 IT 系統(tǒng)又稱為醫(yī)用隔離電源系統(tǒng)，一般由隔離變壓器、絕緣監(jiān)測裝置、過負荷和超溫監(jiān)測裝置、外接報警裝置等設備組成。將 TN 系統(tǒng)引來的供電電源通過隔離變壓器的二次側線圈引出 IT 系統(tǒng)的電源，由絕緣監(jiān)測裝置監(jiān)測單相接地故障的發(fā)生，并通過外接報警裝置發(fā)出故障報警［3-4］。醫(yī)療 IT 系統(tǒng)應用于 2 類醫(yī)療場所中，可以起到以下作用: 
  （1）隔離電源系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，用電醫(yī)療設備發(fā)生接地故障時對地不構成回路，降低接觸電壓和電網(wǎng)對地的剩余電流，可有效控制剩余電流對患者人體的傷害，避免發(fā)生微電擊醫(yī)療事故。
  （2）通過隔離變壓器的二次側供電，可防止大樓接地系統(tǒng)內其他供電回路中的剩余電流進入到 2 類場所與患者接觸的醫(yī)療電氣設備上而產(chǎn)生危險。 
  （3）當系統(tǒng)內出現(xiàn)di一個對地剩余電流絕緣故障時，不會引發(fā)斷路器或熔斷器動作，保證供電的連續(xù)可靠性。 
  （4）降低對地剩余電流，從而提高防火安全性。
  醫(yī)療 IT 系統(tǒng)在應用中，還應注意如下問題: 
  （1）隔離變壓器的一次側與二次側應設置短路保護，不應設置動作于切斷電源的過負荷保護，這是為了維持供電的連續(xù)性，線路短時間過負荷并不會立即引起災害，在某些情況下可讓導線超過允許溫度運行，即使影響使用壽命，也要優(yōu)先保證重要負荷的不間斷供電。
  （2）單相隔離變壓器的二次側應設置雙開關保護電器，這是因為 IT 系統(tǒng)不配出中性線，系統(tǒng)中單相負荷所需的 220 V 電源由 TN 系統(tǒng)中單相 220 V 電源經(jīng) 1∶ 1 隔離變壓器的二次側提供，所以 IT 系統(tǒng)中的配電線路均為帶電導線，需采用雙開關作為短路保護。 
  （3）必須配置絕緣監(jiān)測裝置，當系統(tǒng)內出現(xiàn)di一個接地故障時可帶故障繼續(xù)供電，同時絕緣監(jiān)測裝置報警，提示故障發(fā)生，提醒工作人員及時維修處理，如果沒有監(jiān)測及報警設備，發(fā)生二次及多次接地故障會引發(fā)過電流保護裝置動作，導致供電中斷，甚至會產(chǎn)生相間短路。 
  （4）在手術室等 2 類醫(yī)療場所還應設置局部等電位聯(lián)結，將場所內的 PE 線、設備外露可導電部分、安裝了抗電磁干擾場的屏蔽物、防靜電地板下的金屬物、隔離變壓器的金屬屏蔽層等進行等電位聯(lián)結，消除場所內的電位差。 
  （5）IT 系統(tǒng)應與建筑物的 TN-S 系統(tǒng)共用同一接地裝置，即利用建筑物底板鋼筋作為共同的接地，不應為 IT 系統(tǒng)另設人工接地，否則兩個接地裝置之間產(chǎn)生電位差，也在醫(yī)療場所中會引發(fā)電擊。
某手術室的 IT 配電系統(tǒng)如圖 1 所示。

 圖1 某手術室IT配電系統(tǒng)圖

  不同的手術室可能同時實施不同的手術，使用不同的醫(yī)療電子儀器，為避免醫(yī)療設備相互干擾，每間需要設置 IT 系統(tǒng)的手術室，都應單獨設置隔離變壓器。隔離變壓器的位置應盡量縮短與手術室插座端的距離，并方便通風散熱與檢修，一般安裝在手術室的非潔凈走廊的外墻上，并在附近預留接地端子箱，作為 IT 系統(tǒng)的接地端。所有手術室的接地端子箱宜由單獨的接地干線聯(lián)結，不應與其他接地系統(tǒng)的接地干線混用，并與大樓的總等電位接地箱相連。為施工及日后管理方便，在實際工程設計中，可將各不同用途、不同型式的接地干線分別由總等電位經(jīng)由各區(qū)域電氣豎井引至末端，可以保證建筑物內所有電氣設備都接至同一接地裝置上，避免出現(xiàn)電位差。

4 安科瑞醫(yī)療IT系統(tǒng)介紹

4.1概述
  隨著電子醫(yī)療設備在醫(yī)院領域的廣泛應用，漏電流對病人構成的威脅也越來越大，尤其是那些生命攸關的場所，病人在手術中或麻醉狀態(tài)下，各種電、傳感器直接插入人體內，微小的漏電流都有可能導致病人觸電身亡。另外有些醫(yī)療設備用于維持重癥病人的生命，一旦設備停電，也會對病人的生命構成威脅。因此，對于醫(yī)院這一特殊場所的電氣設計，應嚴格按照國家標準和規(guī)范要求，采用IT系統(tǒng)供電。
  安科瑞醫(yī)用IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及系統(tǒng)適用于醫(yī)院的手術室、ICU(CCU)監(jiān)護病房等重要場所，能為這類場所提供安全、連續(xù)、可靠的供電解決方案。
4.2 醫(yī)用隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)
醫(yī)用隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)用于集中監(jiān)控醫(yī)療大樓內所有醫(yī)療２類場所醫(yī)療IT系統(tǒng)的運行狀況。這種集中監(jiān)控系統(tǒng)可以設置在醫(yī)院電氣運行和維護人員的值班室內，也可以集成在其它電力監(jiān)控系統(tǒng)中，由專業(yè)的電氣人員進行監(jiān)控，一旦某套IT系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電氣維護人員也能在di一時間內做出判斷，并根據(jù)現(xiàn)場情況進行處理。
4.2.1 系統(tǒng)拓撲圖

圖2產(chǎn)品拓撲圖

4.2.2軟件功能
  安科瑞醫(yī)用隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)是基于觸摸屏軟件設計，軟件具有遠程測量、遠程參數(shù)設置和遠程自檢等多種功能，為醫(yī)院2類場所隔離電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控提供了強大的系統(tǒng)集成工具。軟件的主要功能如下圖3：

圖3軟件的主要功能

■ 一次圖和現(xiàn)場分布顯示
  系統(tǒng)具有一次圖及現(xiàn)場分布圖顯示功能，能直觀的了解并及時地發(fā)現(xiàn)IT供電系統(tǒng)的報警地點或區(qū)域，從而方便專業(yè)人員及時到達現(xiàn)場進行故障排查；
■ 實時數(shù)據(jù)采集與顯示
  利用安裝于各隔離電源系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測儀表和絕緣故障定位儀表，采集各隔離電源系統(tǒng)的參數(shù)。采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在監(jiān)控系統(tǒng)界面，這些監(jiān)測參量含IT系統(tǒng)對地絕緣電阻、變壓器負荷電流、變壓器繞組溫度及絕緣故障回路等如圖4；

■ 故障報警
  將各醫(yī)用隔離電源系統(tǒng)出現(xiàn)的各類故障，如絕緣故障、過載故障、超溫故障以及接線斷線故障等信息進行統(tǒng)一處理和記錄，并可直接在顯示界面上彈出顯示故障類型、監(jiān)測值、故障地點以及故障發(fā)生時間等信息。同時啟動監(jiān)控系統(tǒng)的聲光報警系統(tǒng)，及時提醒相關人員，進行故障處理。其中，聲音報警信號可被手動消除。
■ 遠程參數(shù)設置和查詢
  通過系統(tǒng)，可根據(jù)要求遠程調整和設置各醫(yī)用隔離電源系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測儀的各類報警參數(shù)閾值，也可以任意查看這些報警參數(shù)值。參數(shù)包括絕緣報警值、負載電流報警值和隔離變壓器溫度報警值等如圖5。

■ 圖形顯示功能：
  系統(tǒng)可以以曲線的形式，顯示各套隔離電源系統(tǒng)的絕緣狀況、負載狀況，以及隔離變壓器的溫升狀況，以及它們的變化趨勢，以便于分管理人員了解和分析各電源系統(tǒng)的運行變化情況，有針對性的對某些系統(tǒng)進行維護和保養(yǎng)。

4.3 產(chǎn)品選型

表1 醫(yī)用 IT 系統(tǒng)絕緣監(jiān)測及故障定位產(chǎn)品

5 結 語

  隨著我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的不斷發(fā)展，醫(yī)院的建設規(guī)模逐年增長，必須考慮醫(yī)療場所未來運營的安全性。電氣設計人員在設計過程中應嚴格依據(jù)國家相關規(guī)范與標準，采用合理的電氣接地系統(tǒng)，為病人和醫(yī)護工作者提供安全、可靠的醫(yī)療環(huán)境。
參考文獻
[1] 民用建筑電氣設計規(guī)范: JGJ 16—2008［S］
[2] 劉建，醫(yī)療場所接地系統(tǒng)的設計與應用
[3] 安科瑞IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及監(jiān)控系統(tǒng)（中英文）2020.01