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工业型UPS在医疗场所的解决方案应用

发布时间:2023-08-08 来源:本站 阅读次数:851
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一些地区目前公共电力系统存在着许多不稳定的因素,严重影响医疗设备的安全运行,甚至损坏设备而造成严重的经济损失和人身安全事故。因此,工业型UPS可与用户一起打造高端“量身定制”方案的特点,已成为保护重要设备的关键。
    随着医疗技术的飞速发展,医疗设备正在不断更新,一些“高、精、尖”设备越来越多地应用于临床。特别是一些高新设备,它们都是按照国际标准电网环境指标设计的,这些设备在标准电网范围内使用都能正常工作,且故障少、寿命长。但一些地区目前公共电力系统存在着许多不稳定的因素,严重影响医疗设备的安全运行,甚至损坏设备而造成严重的经济损失和人身安全事故。因此,工业型UPS可与用户一起打造高端“量身定制”方案的特点,已成为保护重要设备的关键。
  
  一、医疗场所供配电标准和要求
  
  医疗场所分类及自动恢复供电时间参照了现行国家标准GB16895.24《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IEC60364-710。
  
  1.1 医疗场所安全设施的分级
  
  医疗场所安全设施的分级体现了医疗场所在电气安全方面对患者的影响。如果正常电源发生故障,备用安全电源应在规定的时间内为安全设施供电。从恢复供电时间要求角度,对于医疗场所的电源配置和供电措施具有具体指导意义和实际可操作性,详见图1。
  1.2 医疗场所安全设施的类别和级别划分示例
  
  1)0类:不使用医疗电气设备接触部件的医疗场所;
  
  2)1类:医疗电气设备接触部件需要与患者体表、体内(除2类医疗场所所述部位以外)接触的医疗场所;
  
  3)2类:医疗电气设备接触部件需要与患者体内(指心脏或接近心脏部位)接触以及电源中断危及患者生命的医疗场所。
  

  详见图2。


  1.3医疗场所常用低压配电系统
  
  根据国际电工委员会(IEC)和现行的国家标准《电压配电设计规范》,低压配电系统有三种接地形式,即IT系统、TT系统、TN系统。
  
  第一个字母表示电源端与地的关系:T-电源端有一点直接接地,I-电源端所有带电部分不接地或有一点通过阻抗接地。
  
  第二个字母表示电气装置的外露可导电部分与地的关系:T-电气装置的外露可导电部分直接接地,此接地点在电气上独立于电源端的接地点;N-电气装置的外露可导电部分与电源端接地点有直接电气连接。
  
  医疗场所通常总的供配电依然采用TN系统中的TN-S系统,但是在手术室等不能断电有给患者带来“微电击”风险的场所,要求采用IT系统,具体做法是加装三相或单相隔离变压器称之为IT变压器。下面我们了解一下IT系统和TN-S系统。
  
  1)IT系统
  

  IT系统就是电源中性点不接地、用电设备外露可导电部分直接接地的系统。IT系统又称为三相三线制系统。IT系统中,连接设备外露可导电部分和接地体的导线,就是PE线,如图3。


  保护接地作用:将电气设备不带电的金属外壳用PE线与接地体电器可靠地连接在一起。利用接地装置的分流作用来减少通过人体的电流。IT方式供电系统在短距离送电时,一旦线路漏电,单相对地漏电流仍小,对地电压不超过50V,不需要立即切断故障回路,不会破坏电源电压的平衡,所以比电源中性点接地的系统还安全。其因降低了接触电压和电网对地的泄漏电流,故有效控制对人体内部的直接漏电,从根本上杜绝产生“微电击”医疗事故的危险。
  
  但是,如果用在供电距离很长时,供电线路对大地的分布电容就不能忽视了。在负载发生短路故障或漏电使设备外壳带电时,漏电电流经大地形成回路,保护设备不一定动作,这是危险的。只有在供电距离不太长时才比较安全。
  
  一般用于不允许停电的场所,或者是要求严格地连续供电的地方,例如电力炼钢、大医院的手术室、地下矿井等处。在建筑物电气装置配电中几乎不采用IT系统。
  
  2)TN-S系统
  
  TN-S系统中性线N与TN系统相同,并且用电设备外露可导电部分通过PE线连接到电源中性点,与系统中性点共用接地体,而不是连接到自己专用的接地体,中性线(N线)和保护线(PE线)是分开的。TN-S系统的最大特征是N线与PE线在系统中性点分开后,不能再有任何电气连接,这一条件一旦破坏,TN-S系统便不再成立,详见图4。


  (1)系统正常运行时,专用保护线上没有电流,只是工作零线上有不平衡电流。PE线对地没有电压,所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用的保护线PE上,安全可靠。
  
  (2)工作零线只用作单相照明负载回路。
  
  (3)专用保护线PE不许断线,也不许进入漏电开关。
  
  (4)干线上使用漏电保护器,工作零线不得有重复接地,而PE线有重复接地,但是不经过漏电保护器,所以TN-S系统供电干线上也可以安装漏电保护器。
  
  (5)TN-S方式供电系统安全可靠,适用于工业与民用建筑等低压供电系统。由于传统习惯的影响,现在还经常将TN-S系统称为三相五线制系统,
  
  二、工业型UPS医疗场所解决方案
  
  2.1工业型UPS的定义
  
  工业型UPS它采用了高度工程组件化的方法。它的定义是以用户为中心,并与用户一起来研判行业的用电环境(如输入三相不平衡、晃电、谐波等)、负载特征(如整流器、变压器、电机等)、空间及气候环境等(如粉尘、高温、高湿、海拔等),控制算法及采样设计适应性强的“量身定制”UPS系统解决方案。
  
  工频机和高频机是两种不同的技术路线或构架,工业机和商业机是行业用户应用时,可靠性和适用性的等级高低。工业机的显性特征是高EMC抗扰度(为了防止电气环境的传导及辐射电磁干扰对UPS正常工作的影响);高IP防护等级(为了防止灰尘、水溅、有害气体等对UPS正常工作的影响);输出工频隔离变压器(由于在工业中UPS的旁路输入是独立的,且要求加工频隔离变压器,所以输出配电系统灵活,可再生一个IT系统、TT系统、TN系统,电气隔离等);隐性特征是跟据用户用电环境、负载特征情况而制定的整流器及逆变器的控制算法及采样设计。
  
  2.2工业型UPS医疗场所解决方案
  
  1)常用电源
  
  为了满足医院一级负荷的电源要求,需由市政引来两路独立的电源。正常情况下,所有用电负荷均由市政电源供电。
  
  2)应急电源的选择
  

  为满足一级负荷中特别重要负荷的供电,根据规范的需求应设置应急电源。采用柴油发电机组作为第三电源,详见图5所示。一级负荷采用两路市电自动切换后供电,ATS(双电源自动转换开关)从接收指令到完成指令,一般转换时间在1s内,可满足规范要求。但对于一级负荷中特别重要的负荷,如手术室、ICU、重症监护病房、抢救室等,虽有发电机组作为第三路应急电源,但其起动时间一般在15s内,尚不能满足该类负荷恢复供电时间(t<0.5s)的要求,故还需设置工业型UPS作为应急柴油发电机组起动时的不间断电源。根据负荷分布的特点,采用集中与分散相结合的方式设置工业型UPS不间断电源。在手术室的技术层内,由于一级负荷中特别重要的负荷比较集中,设置了手术室、ICU、CCU、重症监护病房的工业型UPS,该套工业型UPS纳入电能管理,方便医院的管理。首层急诊抢救室距离手术室设备层较远,如果将UPS设置于手术室的设备层内,线路较长,损耗较大,不经济,应在其就近配电间内设置抢救室的专用的工业型UPS。检验科内有大型生化仪器类负荷,其负荷等级并不属于一级负荷中特别重要的负荷,不需另设应急电源,但其允许恢复供电时间很短(t<0.5s),市电切换时间不能满足其工艺要求,故仍需设置不间断电源,因此,检验科内设置了专供大型生化仪器使用的工业型UPS。对于病房内大量分散使用呼吸机的情况,设置集中的工业型UPS不经济,也不现实,因此如病房呼吸机类分散的小容量重要设备,设计时要求在使用中采用移动式工业型UPS。


  总之,随着医疗技术的飞速发展,医疗设备正在不断更新,一些“高、精、尖”设备越来越多地应用于临床。而这些先进设备对电源供电系统的要求也越来越高,设备中的各种敏感的电子元器件需要持续稳定的电源供电。特别是一些高新设备,它们都是按照国际标准电网环境指标设计的,这些设备在标准电网范围内使用都能正常工作,且故障少、寿命长。但在一些地区的电网条件下使用则会出现工作不稳定、故障率高、寿命缩短等情况。其原因主要是一些地区目前公共电力系统存在着许多不稳定的因素。如:电网电压有时偏高、偏低、浪涌、冲击和突然中断等现象,严重影响医疗设备的安全运行,甚至损坏设备而造成严重的经济损失和人身安全事故。因此,工业型UPS可与用户一起打造高端“量身定制”方案的特点,已成为保护重要设备的关键,目前大多数医院都给一些比较重要的设备配备了相应的工业型UPS解决方案。
  
  作者简介
  
  何春,中航太克(厦门)电力技术股份有限公司总工程师。

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