IT系統在醫療場所的應用及絕緣檢測功能擴展

Wu Enyuan (Shandong Province Architectural Design Institute, Ji』nan 250001, China)
Ma Mingdong (China Architecture Design & Research Group, Beijing 100044, China)
Xu Jun (Shanghai Acrel Ltd., Shanghai 201801, China)

Abstract :The definition, composition and characteristics of IT system, the attention points of IT system using in medical sites are expounded. The expansions of the insulation monitoring functions of the IT system are introduced, including overload detection of IT system, temperature detection of the isolation transformer of IT system, the grounding fault location detection of IT system, as well as the insulation monitoring and the central monitoring system for all kinds of testing.
Key words :IT system Insulation monitoring Overload detection Temperature detection of the isolation transformer Fault location

1　引言
隨著國民經濟的快速發展和人們生活水平的逐年提高，人們對電的需求量陡然增長。與此同時，由於停電、漏電，以及線路絕緣故障引發的觸電、電氣火災事故也隨之劇增對人們的生命財產安全構成了嚴重威脅。為了加強系統供電的安全性和可靠性，《民用建築電氣設計規範》(JGJ 16-2008) 12.8.6條規定：在2類醫療場所內，用於維持生命、外科手術和其他位於「患者區域」內的醫用電氣設備和系統的供電迴路，均應採用醫療IT系統。IT系統具有泄漏電流小，可帶故障運行等優點，因此在醫療場所、地下礦井、化工企業、船舶、電信、冶金、石油化工及交通工程等領域，IT系統得到了廣泛的應用。

2　 IT系統及其特點
2. 1 IT系統的定義及組成
IT系統的電源端不接地或經高阻抗接地，其電氣裝置的外露導電部分，被單獨地或集中地通過保護線（PE）接至接地極。在實際應用中，IT系統一般與TN或TT系統通過隔離變壓器進行隔離。
在正常情況下，系統中僅存在線路對地電容的微小泄漏電流。圖1所示為IT系統發生第一次接地故障示意圖，當系統發生第一次單相接地故障時，故障電流為兩非故障相對地電容電流的相量和Id ，由於這個電流值甚小，不會造成人身電擊或者其它事故，也不會切斷電源，保證了系統供電的連續性。但是如果不及時排除故障，當第二次另一相發生接地故障時，相當於形成相間短路，使過電流保護裝置動作，引起供電的中斷，這對於重要的供電場所來說，是不允許的。

圖1　IT系統接地故障示意圖

Fig. 1 IT system grounding fault diagram

為了防止上述短路故障的發生， T系統應設置絕緣監測器。這樣當系統發生第一次接地故障時，絕緣監測器就能及時檢測出該接地故障，並通過報警裝置發出報警信號（通常是聲光報警信號），提醒工作人員趕在第二次發生異相接地故障前及時排除故障，消除隱患，從而有效地保證系統供電的連續性。
可以在系統中安裝專門的故障檢測儀，當絕緣監測檢測到絕緣故障時，給故障檢測儀一個啟動信號，故障檢測儀開始逐路檢測，也可以利用手執式故障定位設備對可能出現故障的迴路進行逐點排查，最終找到故障點並顯示故障點的位置，這樣就極大地方便了工作人員進行故障排除。
為了保證系統供電的連續性，國家《建築物電氣裝置第7-710部分：特殊裝置或場所的要求—醫療場所》GB16895.24-2005 / IEC60364-7-710:2002 710.53.1條規定：「……醫用IT系統的變壓器進出線迴路不允許設置過負荷保護……」，以防止系統過負荷時保護開關切斷電源。這就要求系統中的絕緣監測器必須同時還具有負荷檢測和過負荷報警功能。在一些重要的場所，由於隔離變壓器持續不斷地工作，可能溫度過高而導致隔離變壓器工作異常。因此絕緣監測器還需要實時檢測變壓器的溫度，當其溫度過高時，應有相應的超溫報警信號，以提醒相關人員及時處理。
由上面的分析可知，一個典型的單相IT系統，其組成設備主要包括：隔離變壓器、絕緣監測器、電流互感器，以及外接報警與顯示儀，見圖2。

圖2　單相IT系統組成框圖

Fig. 2 Schematic diagram of the composition of single-phase IT system

系統中，絕緣監測儀具有系統絕緣檢測、系統過負荷檢測和變壓器溫度檢測功能，以及相應故障的報警與顯示功能，一般安裝在現場的終端配電櫃中。外接報警與顯示儀則用於集中顯示相應的檢測值，並具有超限報警功能，一般安裝在位置明顯的地方，方便人員查看，如手術室IT系統的外接報警與顯示儀通常安裝在醫院手術室的情報面板上。
2. 2 IT系統的特點
a. 由於系統電源端帶電導體不接地，即使系統發生單相接地故障也只能通過系統對地電容構成迴路，故障迴路阻抗極大，故障電流極小，發生電擊的危險很小，所以不必及時切斷電源來防電擊，從而維持供電的不間斷，只有在發生第二此接地故障時才要求切斷電源 [1] 。同時，安裝在系統中的絕緣監測器能及時地檢測並給出系統絕緣故障報警信號，提醒工作人員及時排除故障。因此IT系統是一個連續、可靠的供電系統。
b. IT系統中的絕緣監測器，一方面實時監測系統的絕緣狀態，另一方面還檢測系統的過負荷和變壓器的溫升狀態，一旦出現異常立即報警。因此IT系統能夠減少因系統發熱、漏電等原因引起的電氣火災事故，大大提高了系統的防火安全性。
c. 在IT系統中，提高迴路的絕緣阻抗、降低迴路對地電容，是提高系統安全性與可靠性的關鍵。因此在系統設計時要盡量縮短系統配電線路的長度，減小系統容量，減少系統分支迴路數，並做好線路的絕緣防護措施。這也就限制了IT系統僅能用在重要的局部的供電場所，如化工、製藥企業的一些程序控制生產線，醫療場所的手術室、重症監護室等場所。

3　 IT系統在醫療場所的應用
醫療IT系統是IT系統應用的一個典型實例。醫院因其職能的特殊性，對其配電方式有特殊的要求。如外科手術室、重症監護室等，都需要採用IT系統，以提供一個安全、可靠、連續的配電系統。
3.1 醫療IT系統的應用
根據國標《建築物電氣裝置第7 - 710部分：特殊裝置或場所的要求醫療場所》（GB 16895.24?2005 / IEC 60364?7? 710：2002），將醫療場所劃分為0類場所、1類場所和2類場所。由於0類和1類場所不使用與病人直接接觸的醫療器械，或者所使用的設備斷電后不會對病人造成危害，因此可以使用TN-S系統，但須配有剩餘電流動作保護器，在發生接地故障時，能及時斷開故障迴路。並可同時配置剩餘電流監測設備，實時監測系統各迴路的泄漏電流值，在保護設備動作前發出報警信號，避免造成迴路斷電，引起嚴重後果[2]。對於2類醫療場所，醫療設備的斷電或接地故障將會危及病人生命安全。根據相關的標準和規範，這類場所必須使用醫療IT系統，來保證系統供電的連續性和安全性。
採用IT系統的2類醫療場所包括有手術室、急診搶救室、各類重症監護室（ICU）、心臟導管及造影室等。每個房間應配有獨立的隔離電源系統。對於多個這類場所，可以採用如圖3所示的配電方案。

圖3　2類醫療場所配電方案

Fig. 3 Power distribution scheme in Class II medical site

圖中各個手術室和重症監護室分別採用獨立的IT供電系統，所有的IT系統由手術部與ICU總配電櫃通過TN-S系統配電。各IT系統的絕緣監測器及總配電櫃內的剩餘電流監測設備又通過基於Modbus協議的RS485匯流排將各個監測信號反饋到手術部的中央監控室內，並由中央控制室的上位機通過中央控制系統軟體進行集中監控。各個IT系統與TN-S系統的運行狀態，都可以顯示在中央監控室的上位機上，方便工作人員對系統進行集中監控與管理。
各類手術室和重症監護室根據各系統容量分別配置單獨的IT系統，主要的醫療儀器、無影燈、多功能吊塔等用電設備須從IT系統中取電。照明燈、觀片燈和電動門等可以不從IT系統取電。圖4為採用醫療隔離電源系統的手術室或ICU配電系統圖。絕緣監測儀時刻監測IT系統的絕緣狀態，並在系統出現故障時給出報警信號，外接的報警與顯示儀通過RS485介面與絕緣監測儀進行實時的數字通信，顯示絕緣監測儀的檢測結果，並在報警時發出聲光報警信號。除了絕緣監測設備外，系統還配置了絕緣故障測試儀和絕緣故障評估儀。絕緣故障測試儀能夠在線查找故障發生的迴路，它和絕緣監測儀一起工作，當絕緣監測儀探測到系統絕緣故障后，絕緣故障測試儀立即開始故障定位，由絕緣故障評估儀周期性地送出一個特殊的測試電流，測試電流流經故障部位，由電流互感器探測，並由電子評估儀對故障迴路進行評估，評估的結果送報警與顯示儀中顯示。

圖4　手術室或ICU配電系統圖

Fig. 4 Powr distribution system diagram for operating room or ICU

醫療IT系統同時還配置了絕緣故障定位設備，在發現系統絕緣故障的同時，能及時定位出現故障的迴路，這極大地方便了工作人員了解系統狀態並及時排查故障，從而有效地保證了醫療IT系統的安全性與可靠性。
3.2 IT系統在醫療場所應用時的注意事項
由於醫療場所具有其特殊性，因此在進行醫療IT系統設計時應特別注意以下幾點：
a. 醫療IT系統必須採用醫療場所供電用隔離變壓器，並應符合國標《電力變壓器、電源裝置和類似產品的安全第16部分：醫療場所供電用隔離變壓器的特殊要求》的要求。
b. 為了降低醫療系統對地電容，提高絕緣強度， IT系統的配電箱要盡量安裝在使用場所附近，並儘可能減小系統容量以及系統分支數，盡量縮短系統配電線路的長度。
c. 對於心臟手術等手術設備與人體心臟直接接觸的手術室，要充分做好防電擊措施。有時候僅靠帶絕緣監測的IT系統是不夠的，還應做好局部等電位聯結，使保護區內所有可導電的部分都處於同一電位水平上。

4　結語
帶有絕緣監測的IT系統能夠為局部場所提供安全、可靠、連續的供電，這是其它系統無法媲美的。因此在一些重要的生產加工場所、醫療場所，以及重要的設備運行場所，可以優先考慮使用IT系統。目前我國還沒有出台關於IT系統絕緣監測產品方面的規範、標準，國內用於IT系統絕緣監測和故障點定位的產品也為數不多。因此，在期待國家標準儘快出台的同時，尚需努力開發出各類用於IT系統的絕緣監測設備與故障點定位設備。相信在不久的將來，隨著人們對IT系統的充分認識，IT系統也會得到越來越廣泛的應用。

文章來源於：《建築電氣》2010年4期。

參考文獻
[1] 王厚余. 低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗. 第二版. 北京：中國電力出版社，2007：48 - 52 .
[2] 邵建勛. 醫用IT系統在醫療場所的應用. 信息管理, 2008(6): 32 - 39.

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