手术室配电及绝缘监视系统的设计与应用

手术室配电及绝缘监视系统的设计与应用刘静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IEC364-7-710（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。1IEC标准中对手术室电源及绝缘监测的规定IEC364-7-710（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IEC364-7-710•413•1•5规定：除了IEC364-7-710•413•1•3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：①内部交流绝缘电阻必须大于100KΩ。②测试电压不大于DC25V。③即使在故障条件下，测试电流不得超过1mA。④最迟在绝缘电阻降至50KΩ时，应有显示，应提供一测试仪器测试该设备。⑤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1IT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IEC364-7-710、《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：①监测绝缘阻抗，范围为10～999KΩ。②监测负载电流，范围为2.1～50A。③监测隔离变压器温度。④在线监测仪表和电网、N线、PE线的连接。⑤在线监测仪表与电流互感器的连接。⑥在线监测仪表与温度传感器的连接。⑦两路继电器报警输出、LED报警指示。当AIM-M系列绝缘监测仪连接电流互感器AKH-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19600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保护型电流互感器。最大可测电流为50A,变比为2000:1。150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。集中报警与显示仪AID200采用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3AIM-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AC220V（可波动范围±10%)DC24V（可波动范围±25%)频率50/60Hz—最大功耗8VA3VA绝缘监测绝缘电阻测量范围10～999kΩ相对百分比误差0～±10%报警值范围50～999kΩ响应时间2s测量电压12V测量电流50uA电流监测测量范围2.1～50A报警值可设范围5～50A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AC250V/3ADC30V/3A通讯2路RS485接口，Modbus-RTU协议1路RS485接口，Modbus-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4AITR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3%Un频率50/60Hz效率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5AID系列报警与显示仪技术参数参数型号AID100AID120AID200辅助电源电压DC24V功耗0.6W绝缘电阻显示范围0～999kΩ—绝缘报警范围50～999kΩ—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０～+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128×32点阵液晶显示表6ASG100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AC220V(±10%)额定频率45~60Hz定位信号定位电压25Va.c.r.m.s.定位电流1mAr.m.s.通讯方式CAN通讯协议自定义协议表7AIL100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AC220V(±10%)额定频率45~60Hz定位信号定位电压25Va.c.r.m.s.定位电流1mAr.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8AKH-0.66P26电流互感器技术参数输入电流0.5mA～50A使用频率范围0.02-10KHZ输出电流0.025～25A负载电阻200Ω温度系数100ppm/℃瞬间电流1s200A相移10安装固定十字槽盘头4×10螺丝固定工作温度-35～+70℃二次侧接线单芯线0.75mm2错误!未指定书签。最长1m储存温度-40～+75℃单芯双绞线0.75mm2错误!未指定书签。最长10m副边内阻范围95～120Ω隔离耐压5000Vac精度0.5%线性度0.5%表9ACLP10-24电源模块技术参数输入电压AC220V（可波动范围±10%)频率50/60Hz功率3W输出电压DC24V±5%电压调整率≤30%温升≤20℃抗电强度4000VAC/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Im经绝缘故障处流过测量电阻Rm,Im由电子电路评估。G绝缘监测仪RRs滤波器ImRFPEIT系统LN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。当某相发生对地故障时，会引起电压漂移，Rf+或Rf-驱动测量电流Im，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