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
2、（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
3、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
4、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
5、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
6、-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
7、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。900AID120电流互感器AKH-0.66P26与AIM-M100绝缘监测仪配套使用的
8、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）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
9、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。6050AIL100-88050直流稳压
10、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。1503.3 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-M100AIM-M200辅助电源电压AC2
11、20V（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10999k相对百分比误差010% 报警值范围50999k响应时间2s 测量电压12V 测量电流50uA 电流监测测量范围2.150A 报警值可设范围550A 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 b
12、us-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/3EMC电磁兼容和电磁辐射符合IEC61326-2-4表4 AITR系列隔离变压器技术参数额定容量3.15KVA/6.3KVA/8KVA/10KVA短路电压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
13、术参数参数 型号 AID100AID120AID200辅助电源电压DC 24V功耗 0.6W绝缘电阻显示范围0999k绝缘报警范围50999k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+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12832点阵液晶显示表6 ASG100测试信号发生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
14、 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AIL100-4AIL100-8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. 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0.5mA50A使用频率范围0.02-10 KHZ输出电流0.02525 A负载电阻0.75mm2 最长1m
15、储存温度-40+75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
16、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 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
17、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，
18、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）：73 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）：23264 杨德成 . 医疗电气设备的供电及安全保护设计 . 供用电，2000（5）：4143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
