医院电气系统设计一.docx

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医院电气系统设计一

摘要

通用电气设备

安全性和可靠性

●安全性：

标准IEC60364-7-710.5

●可靠性

●功能性接地

●设备技术规范

●防雷

电能质量

●原因

●解决方案

能效

●配电网络

●灯光

电气系统相关的重要问题

HVAC

室内空气质量（IAQ）

可靠性与能效

●产生蒸汽和热水的能效

●余热利用

●热电联产

●电机系统效率

●

压缩空气

医用和工业压缩空气

压缩空气的能效

自动化及辅助系统

辅助系统

楼宇自动化系统

患者协助和远程医疗

通信系统

结论

本期主要为大家带来通用电气设备中的安全性和可靠性这部分内容。

摘要

电力供应并非医院的核心业务，只在医院利益层级中位列第三。

医院旨在为病人谋福祉，而这又依赖由电力支撑的医疗器械来完成。

也就是说，电力供应是医疗事业的重要基础，任何故障或中断都可能导致灾难性后果。

电力供应非常重要，但又不属于医院的核心业务组合存在一定的风险。

相关标准和规定指出医院的电气设备必须满足供电安全性和可靠性要求。

这些规定对设备制造商是强制性的。

但众多复杂的规定让用户感到混乱，很难界定应该在哪些情况执行这些规定以及执行深度如何。

本白皮书将阐明这些规定，并给出全面的指引。

一旦解决了供电的安全性和可靠性问题，医院供电就可以重点关注在能效方面。

虽然能效没有安全性和可靠性重要，但影响也很大。

通过关注能效，医院可以大大节省设备成本（TCO）。

本白皮书将解决与医疗建筑管理相关的一些能效问题。

通用电气设备

安全性和可靠性

安全性：

标准IEC60364-7-710

所有低电压电气设备必须遵循IEC60364系列国际标准对电气安全的规定。

IEC60364-7-710标准以防与……接触而触电。

大多数国家对医疗场所的电气安全规定都来源于IEC60364-7-710。

它适用于医院，常规诊所，牙科诊所，理疗室，美容中心和兽医院等。

该标准也适用于非医疗建筑物中的医疗室，如工业建筑，办公室或住宅建筑。

虽然这是一个安全标准，但也为实际执行提供了一些规则。

标准IEC60364-7-710根据”设备部件”将所有医疗室划分为三类。

“设备部件”是指任意可能接触患者的电气医疗设备部件。

●第2类包括所有供电中断可能危及患者生命的医疗室，包括所有进行心内手术的医疗场所（存在对心肌造成微小冲击的风险）和所有与全身麻醉手术有关的房间，如预手术室，手术室，石膏室和术后恢复室等。

●第1类包括了所有不属于第2类的医疗场所，所有设备部件都是外部使用或侵入式使用的。

●第0类包括所有不使用医疗设备的场所，比如门诊室，不含电气医疗设备的按摩室，办公室，存储室，饭堂，更衣室，走廊，员工卫生设施，等待室等等。

符合资质的医护人员必须将各式房间归类到以上三类中。

如果没有这样合适的人员，国家医护机构应该介入其中。

通常，在一个医院的运行周期里，由于如需求变化等原因，一个房间的用途常常会发生改变。

因此，更明智的做法是对特定房间按高一级分类标准而非仅满足最初使用需求进行配置。

那些房间随后的升级改造将不需再在电气设备上做大额的投资。

IEC标准对每一组的保护措施做出了规定：

对于第0类，除了满足建筑物电气安全的一般规定（标准IEC60364）外，不需要采取额外的措施。

对于第1和2类，规定采取额外的保护，以防通过和系统带电部件的直接或间接接触触电。

“直接接触”意思是人接触了电气系统带电部分。

“间接接触”意思是人接触了导体（金属）部分，正常情况下它是不带电的，但由于电气绝缘损坏，这部分可能会带电。

直接接触的保护方式很明确。

所有带电部分必须有合适的电气绝缘，栅栏或套管。

对于能在水平面内接触到的设备，绝缘保护水平严格遵守IPXXD（IP4X满足IPXXD保护等级的要求），在所有其他情况下，可稍没那么严格遵守IPXXB（IP2X满足IPXXB保护等级的要求）。

对于间接接触的保护，规定了以下措施。

自动断路器

标准IEC60364-7-710规定保护必须和网络所使用的接地方式兼容。

如果使用TN接地连接方法，自动微型断路器就足够了，但建议使用漏电流装置（RCD）。

保护的反应时间必须满足如下要求：

当采用TT接地系统时，必须采用漏电流装置，并满足以下公式：

RE•Idn≤25

式中：

RE=接地电阻（欧姆）

Idn=最大漏电流（安培）

除此之外，标准规定以下情况需要安装额定漏电流≤30mA 的RCD：

第1类：

终端电路的电源插座额定电流超过32A

第2类：

除了为安装在距地面至少2.5m、患者接触不到的固定设备供电以外，所有不由医疗IT系统供电的电路（详见后文）。

图1：

患者周围的空间必须有额定漏电流≤30mA的RCD

除此外，还需要注意以下情况：

●保护装置带来的最大接触电压应小于25V（非医疗场合的最大接触电压为50V）。

●漏电流装置类型（AC，A或B）应该和电网中使用的装置类型一致，以保证其可靠动作。

●如果使用TN接地，则应在主配电柜后使用TN-S型系统。

医疗IT系统

适用于第2类中医疗场所的所有电路：

距地面不足2.5米的医疗设备，或患者可能接触到的医疗设备

插座（除5kVA以上的设备和放射性设备外）

医疗IT系统保证首次接地故障后对重要医疗手术的供电连续性，同时可以用于间接触电保护。

由于采用了医疗用绝缘变压器，使得终端电路与其他部分隔离。

绝缘变压器容量为3.5kVA,5kVA,7.5kVA和10kVA。

变压器的使用寿命长（几十年），最好按负荷预测值选定变压器容量，以便将来不用更换变压器就可以满足扩容需求。

医疗绝缘变压器的规范参见IEC60364-7-710标准。

如果在其他部件或设备发生了二次接地故障，绝缘变压器不能再保证系统的安全正常运行。

为此，医疗IT系统应该包含一个长期监测绝缘接地电阻的装置。

当发生接地故障时，装置发出报警（报警灯加声音信号），以便尽快采取措施。

监控设备本身可以放置在医疗IT系统的配电箱内，但声光报警信号必须放置在人员值班处。

标准IEC61557-8中给出了绝缘监测装置的规范。

医疗IT系统应由单独的配电箱，或在主配电箱中由独立部分供电。

它应该有一个普通的电源和一个应急电源。

医疗IT系统的配电箱通常包括：

绝缘变压器，用于230V电路的绝缘监测装置，24V电路的绝缘监测装置，230/24V-1kVA的变压器，避雷器和温度探头PT100。

医疗IT系统的电路最好有独立的电缆管廊（方管，圆管，盒式）。

如果电缆管廊与其他电路共用，则应在两个电路之间安装绝缘隔离。

在任何情况下，第2类医疗场所的电缆管廊不能包含向其他地点供电电缆。

在第2类医疗场所，所有导体应该有屏蔽防护且应由全极自动微型断路器保护。

此外，医疗IT系统的电路应该有熔丝或热磁自动微型断路器保护。

II类设备

II类医疗电气设备有‘双重绝缘’，避免任何人接触到导电部件的风险。

在第0类和第1类中的场所，这些设备不需要连接到等电位和接地。

不过，在第2类中的场所，II类医疗设备必须和本地等电位母线连接。

超低安全电压（SELV和PELV）

通过将电压降至最大25V（交流）或60V（非反相直流），也可以实现直接和间接触电的保护。

这个电压等级被称为超低安全电压（SELV）或超低保护电压（PELV）。

这个电压等级由安全变压器或电池供电，供电电路必须遵循IEC60364-4标准（条款411.1）。

地面可接触范围内带电设备必须达到IPXXD等级要求，对其他设备必须达到IPXXB等级要求。

在第2类地点，安全变压器必须由医疗IT系统的绝缘变压器供电，所有设备必须连接到本地等电位母线。

除了特定的设备，如外科设备和输液泵，很少使用SELV和PELV系统。

辅助的等电位连接

适用于所有第1类和第2类场所。

等电位连接指电气系统的所有导电部分与电气系统外部的导电部分相互连接，然后将该连接网络连接到接地网络。

外部导电部件包括例如金属管，金属窗和钢筋混凝土的铁部件。

等电位连接可避免发生同时接触两个电位不同的金属部件而触电的风险。

建筑物的电气安全标准规定所有带浴缸或淋浴的房间都要进行等电位连接。

医疗场所的IEC60364-7-710标准要求同一建筑物的电气系统外所有的导电部件需进行等电位连接。

此外，标准IEC60364-7-710要求对第1类和第2类的所有位置进行辅助的等电位连接。

这些房间必须配备自己的等电位连接母线，所有电气设备和所有外部导电部件都连接到该母线。

对于第2类中的场所，（外部）导电部件和母线之间的电阻不应超过0.2Ω。

每个导电部分应该单独连接到这个母线上，而不需要任何额外的“子节点”，唯一的例外是金属管和附近的插座。

当地的母线可以放置在该位置的墙壁上，或在房间外面。

如果第1类或第2类包含浴缸或淋浴设备，则这些装置的金属部件也必须连接到母线上。

用于等电位连接网络的电缆必须具有标准规定的最小截面。

母线必须满足方便检查的要求。

每根导线必须能够从母线排断开，并且等电位连接网络的所有电缆必须清晰可辨。

可靠性

第一种提高电源可靠性措施是确保电气保护装置的选择性。

只断开发生安全问题的线路，而其他线路正常供电，称之为具有高的选择性。

横向选择性通过将系统细分为许多不同的回路，在每个回路配置不同的保护实现。

对于第2类房间和医疗IT系统，IEC60364-7-710为每组插头规定了单独的保护。

纵向选择性通过确保下游保护在上游保护动作之前动作实现。

例如，下游自动断路器应该具有比上游自动断路器更小的动作电流。

在采用RCD或断路器的情况下，上游保护的动作时间应相对于下游保护动作延迟一段时间。

第二种提高可靠性措施是保证在停电或短时中断情况下可靠供电。

IEC60364-7-710对不同场景从以下几个方面给出规定：

●配置紧急供电电源

●紧急供电电源最大允许延迟时间（如0.5s内连接）

●紧急供电电源为所有重要设备供电的最小持续时间（如24h）

场景1：

第2类场合和第1类中的医用重要设备，需要配置紧急供电电源，并且要求最严格。

如，手术台上方应急照明的反应时间应≤0.5s。

场景2：

包括所有其他电子医疗设备。

场景3：

包括维护医院服务所需的所有其他设备。

IEC60364-7-710标准还包括应急照明规定。

应急照明必须安装在以下地点：

●第1类和第2类医疗场所

●逃生路线和安全出口，包括辅助安全标志

●包含机柜，电气开关柜或发电机组的房间

●提供基础服务的房间，如电梯电机，厨房，空调站，数据处理中心等

在供电中断的情况下，对于具有生命支持功能的照明设备，应急照明必须在0.5s内切换到应急电源，对于所有其他应急照明设备，应在15s内切换。

应急电源的供电方式与其他安全装置相同，也可以由每个设备的独立电池供电，电源至少能支撑2小时。

IEC标准中的其他内容由公共建筑应急照明通用欧洲标准EN8-38补充。

应急电源可以由不同的方式提供。

对于低功率（通常低于400kVA），可使用静态不间断电源（UPS）。

这是一种通过电池和相关电子电路提供接近瞬时功率切换的装置。

然而，它具有有限的供电时间（10到30分钟），因此必须与发电机组（GenSet）组合以获得所需的供电时间。

对于更高的功率（通常≥400kVA），可使用动态UPS。

该装置集成了UPS与飞轮柴油发电机，具有更长的供电时间。

应急电源必须包含至少两个负载率小于等于50％的UPS，这样就避免了过载问题。

如果一台UPS出现故障或者退出运行，另一台UPS可以投入运行。

应急电源系统的类型和容量必须根据具体情况选择，且仅购买合适的设备是不够的，必须确保设备始终按预期运行。

因此，由合格的人员安装应急电源是非常重要的，而且需要定期按照检测规程对其进行检测。

由于检测流程在在IEC标准中没有规定，所以建议遵守制造商的规定。

一些欧盟国家（例如意大利）已经制定了关于强制性定期检测应急电源的国家法律。

功能性接地

电气设备和导电部件的接地不仅是为了安全，而且是为了确保设备的正常运行。

所有电气和电子设备都可能对其他设备产生电磁干扰。

功能性接地是为了防止这种电磁干扰或称为确保电磁兼容性（EMC）。

功能性接地不包括在标准IEC60364-7-710中，而是在通用标准（即IEC60364-7-707）中。

为了确保EMC，采用典型接地是不够的。

设计一个滤除所有相互干扰的接地网是一项复杂的任务，需要由专业工程师执行。

设备技术规范

标准IEC60364-7-710给出了一些的医疗器械电气安全规定。

更广泛的规定被列入IEC60601-xx系列标准中。

除此之外，制造商的设备技术规范中有时还会提到EMC准则。

有用的是，接地网络应始终从系统的角度来设计，而不是从单个设备的角度来设计。

而且，设备技术规范往往侧重于功能性接地，而不考虑电气安全。

在某些情况下，功能性接地和安全接地可能会相互冲突。

因此，由专业工程师进行接地网络的设计是非常重要的，可以同时保证EMC和电气安全。

防雷

通用安全标准IEC62-305中包含防雷击保护。

必须对两种不同的风险进行评估：

人身伤亡风险和物资损失及相应的经济损失风险。

根据IEC标准，人身伤亡风险应不高于建筑物10万次直接雷击造成一次人身伤亡，并提出了明确的保护措施来降低这种风险。

关于后者，IEC标准只提供评估财务风险的评估方法。

有了这个评估方法，用户可以决定额外的保护措施的投资。

下一期，我们将为大家带来通用电气设备中的电能质量、能效、电气系统相关的重要问题等内容。