工業型UPS在醫療場所的解決方案應用

隨著醫療技術的飛速發展,醫療設備正在不斷更新,一些“高、精、尖”設備越來越多地應用于臨床。特別是一些高新設備,它們都是按照國際標準電網環境指標設計的,這些設備在標準電網范圍內使用都能正常工作,且故障少、壽命長。但一些地區目前公共電力系統存在著許多不穩定的因素,嚴重影響醫療設備的安全運行,甚至損壞設備而造成嚴重的經濟損失和人身安全事故。因此,工業型UPS可與用戶一起打造高端“量身定制”方案的特點,已成為保護重要設備的關鍵。
　　
　　一、醫療場所供配電標準和要求
　　
　　醫療場所分類及自動恢復供電時間參照了現行國家標準GB16895.24《建筑物電氣裝置第7-710部分:特殊裝置或場所的要求醫療場所》和IEC60364-710。
　　
　　1.1 醫療場所安全設施的分級
　　
　　醫療場所安全設施的分級體現了醫療場所在電氣安全方面對患者的影響。如果正常電源發生故障,備用安全電源應在規定的時間內為安全設施供電。從恢復供電時間要求角度,對于醫療場所的電源配置和供電措施具有具體指導意義和實際可操作性,詳見圖1。
　　
　　1.2 醫療場所安全設施的類別和級別劃分示例
　　
　　1）0類:不使用醫療電氣設備接觸部件的醫療場所;
　　
　　2）1類:醫療電氣設備接觸部件需要與患者體表、體內(除2類醫療場所所述部位以外)接觸的醫療場所;
　　
　　3）2類:醫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)接觸以及電源中斷危及患者生命的醫療場所。
　　詳見圖2。
　　
　　1.3醫療場所常用低壓配電系統
　　
　　根據國際電工委員會(IEC)和現行的國家標準《電壓配電設計規范》,低壓配電系統有三種接地形式,即IT系統、TT系統、TN系統。
　　
　　第一個字母表示電源端與地的關系:T-電源端有一點直接接地,I-電源端所有帶電部分不接地或有一點通過阻抗接地。
　　
　　第二個字母表示電氣裝置的外露可導電部分與地的關系:T-電氣裝置的外露可導電部分直接接地,此接地點在電氣上獨立于電源端的接地點;N-電氣裝置的外露可導電部分與電源端接地點有直接電氣連接。
　　
　　醫療場所通?？偟墓┡潆娨廊徊捎?/span>TN系統中的TN-S系統,但是在手術室等不能斷電有給患者帶來“微電擊”風險的場所,要求采用IT系統,具體做法是加裝三相或單相隔離變壓器稱之為IT變壓器。下面我們了解一下IT系統和TN-S系統。
　　
　　1)IT系統
　　
　　IT系統就是電源中性點不接地、用電設備外露可導電部分直接接地的系統。IT系統又稱為三相三線制系統。IT系統中,連接設備外露可導電部分和接地體的導線,就是PE線,如圖3。

                    　
　　保護接地作用:將電氣設備不帶電的金屬外殼用PE線與接地體電器可靠地連接在一起。利用接地裝置的分流作用來減少通過人體的電流。IT方式供電系統在短距離送電時,一旦線路漏電,單相對地漏電流仍小,對地電壓不超過50V,不需要立即切斷故障回路,不會破壞電源電壓的平衡,所以比電源中性點接地的系統還安全。其因降低了接觸電壓和電網對地的泄漏電流,故有效控制對人體內部的直接漏電,從根本上杜絕產生“微電擊”醫療事故的危險。
　　
　　但是,如果用在供電距離很長時,供電線路對大地的分布電容就不能忽視了。在負載發生短路故障或漏電使設備外殼帶電時,漏電電流經大地形成回路,保護設備不一定動作,這是危險的。只有在供電距離不太長時才比較安全。
　　
　　一般用于不允許停電的場所,或者是要求嚴格地連續供電的地方,例如電力煉鋼、大醫院的手術室、地下礦井等處。在建筑物電氣裝置配電中幾乎不采用IT系統。
　　
　　2）TN-S系統
　　
　　TN-S系統中性線N與TN系統相同,并且用電設備外露可導電部分通過PE線連接到電源中性點,與系統中性點共用接地體,而不是連接到自己專用的接地體,中性線(N線)和保護線(PE線)是分開的。TN-S系統的最大特征是N線與PE線在系統中性點分開后,不能再有任何電氣連接,這一條件一旦破壞,TN-S系統便不再成立,詳見圖4。 

      　
　　(1)系統正常運行時,專用保護線上沒有電流,只是工作零線上有不平衡電流。PE線對地沒有電壓,所以電氣設備金屬外殼接零保護是接在專用的保護線PE上,安全可靠。
　　
　　(2)工作零線只用作單相照明負載回路。
　　
　　(3)專用保護線PE不許斷線,也不許進入漏電開關。
　　
　　(4)干線上使用漏電保護器,工作零線不得有重復接地,而PE線有重復接地,但是不經過漏電保護器,所以TN-S系統供電干線上也可以安裝漏電保護器。
　　
　　(5)TN-S方式供電系統安全可靠,適用于工業與民用建筑等低壓供電系統。由于傳統習慣的影響,現在還經常將TN-S系統稱為三相五線制系統,
　　
　　二、工業型UPS醫療場所解決方案
　　
　　2.1工業型UPS的定義
　　
　　工業型UPS它采用了高度工程組件化的方法。它的定義是以用戶為中心,并與用戶一起來研判行業的用電環境(如輸入三相不平衡、晃電、諧波等)、負載特征(如整流器、變壓器、電機等)、空間及氣候環境等(如粉塵、高溫、高濕、海拔等),控制算法及采樣設計適應性強的“量身定制”UPS系統解決方案。
　　
　　工頻機和高頻機是兩種不同的技術路線或構架,工業機和商業機是行業用戶應用時,可靠性和適用性的等級高低。工業機的顯性特征是高EMC抗擾度(為了防止電氣環境的傳導及輻射電磁干擾對UPS正常工作的影響);高IP防護等級(為了防止灰塵、水濺、有害氣體等對UPS正常工作的影響);輸出工頻隔離變壓器(由于在工業中UPS的旁路輸入是獨立的,且要求加工頻隔離變壓器,所以輸出配電系統靈活,可再生一個IT系統、TT系統、TN系統,電氣隔離等);隱性特征是跟據用戶用電環境、負載特征情況而制定的整流器及逆變器的控制算法及采樣設計。
　　
　　2.2工業型UPS醫療場所解決方案
　　
　　1）常用電源
　　
　　為了滿足醫院一級負荷的電源要求,需由市政引來兩路獨立的電源。正常情況下,所有用電負荷均由市政電源供電。
　　
　　2）應急電源的選擇
　　
　　為滿足一級負荷中特別重要負荷的供電,根據規范的需求應設置應急電源。采用柴油發電機組作為第三電源,詳見圖5所示。一級負荷采用兩路市電自動切換后供電,ATS(雙電源自動轉換開關)從接收指令到完成指令,一般轉換時間在1s內,可滿足規范要求。但對于一級負荷中特別重要的負荷,如手術室、ICU、重癥監護病房、搶救室等,雖有發電機組作為第三路應急電源,但其起動時間一般在15s內,尚不能滿足該類負荷恢復供電時間(t<0.5s)的要求,故還需設置工業型UPS作為應急柴油發電機組起動時的不間斷電源。根據負荷分布的特點,采用集中與分散相結合的方式設置工業型UPS不間斷電源。在手術室的技術層內,由于一級負荷中特別重要的負荷比較集中,設置了手術室、ICU、CCU、重癥監護病房的工業型UPS,該套工業型UPS納入電能管理,方便醫院的管理。首層急診搶救室距離手術室設備層較遠,如果將UPS設置于手術室的設備層內,線路較長,損耗較大,不經濟,應在其就近配電間內設置搶救室的專用的工業型UPS。檢驗科內有大型生化儀器類負荷,其負荷等級并不屬于一級負荷中特別重要的負荷,不需另設應急電源,但其允許恢復供電時間很短(t<0.5s),市電切換時間不能滿足其工藝要求,故仍需設置不間斷電源,因此,檢驗科內設置了專供大型生化儀器使用的工業型UPS。對于病房內大量分散使用呼吸機的情況,設置集中的工業型UPS不經濟,也不現實,因此如病房呼吸機類分散的小容量重要設備,設計時要求在使用中采用移動式工業型UPS。
　　
　　總之,隨著醫療技術的飛速發展,醫療設備正在不斷更新,一些“高、精、尖”設備越來越多地應用于臨床。而這些先進設備對電源供電系統的要求也越來越高,設備中的各種敏感的電子元器件需要持續穩定的電源供電。特別是一些高新設備,它們都是按照國際標準電網環境指標設計的,這些設備在標準電網范圍內使用都能正常工作,且故障少、壽命長。但在一些地區的電網條件下使用則會出現工作不穩定、故障率高、壽命縮短等情況。其原因主要是一些地區目前公共電力系統存在著許多不穩定的因素。如:電網電壓有時偏高、偏低、浪涌、沖擊和突然中斷等現象,嚴重影響醫療設備的安全運行,甚至損壞設備而造成嚴重的經濟損失和人身安全事故。因此,工業型UPS可與用戶一起打造高端“量身定制”方案的特點，已成為保護重要設備的關鍵，目前大多數醫院都給一些比較重要的設備配備了相應的工業型UPS解決方案。