淺談IT隔離電源在手術室低壓配電系統和接地系統中的應用

更新時間：2023-05-23

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【摘要】該文介紹了手術室低壓配電系統和接地系統的原理和安全性，并分析低壓配電系統對手術室醫護人員和患者以及醫療設備的影響，提出保護醫護人員、患者人身安全和保證醫療設備安全運行的措施。

【關鍵詞】TN－S；IT；電工委員會；PE線；剩余電流保護器；總等電位聯結；局部等電位聯結；IT隔離電源；隔離變壓器

0前言

手術室是為患者提供手術及搶救的場所，承擔全院患者手術治療任務。手術室的電氣配電系統和接地的好壞，直接影響到患者和醫護人員的人身安全及手術過程中醫療設備的正常使用。根據有關負荷分級及供電要求的標準，醫院手術室作為不允許中斷供電的場所，需要是一級負荷中的特別重要負荷。因此對手術室的低壓配電系統要求很高，既要保證電氣裝置突發故障情況下不能斷電，又要保證患者和相關醫護人員的人身安全。本研究就手術室低壓配電系統和接地系統進行概述，并重點分析兩種系統在手術室的應用。

1低壓配電系統概述

相關電氣安全規范要求，手術室使用間接接觸防護低壓的配電系統主要指TN－S系統和IT系統［1］。

1.1 TN－S系統

在變電所電源端引出的低壓配電系統是3L＋1N＋1PE線。其中N線和PE線是分開的。PE線基本不通過電流，也不帶電位；只在發生接地故障時通過故障電流。因此電氣裝置的外露可導電部分對地面平時幾乎不帶電位，比較安全。

1.2 IT系統

在變電所電源端不做系統接地或經高電阻接地，只做保護接地，用戶端電氣裝置接地系統做等電位聯結的系統。IT系統平時需要使用絕緣監測器（IMD）監測電氣裝置的絕緣水平。當發生一次接地故障時由于故障電流沒有返回電源的通路，故障電流很小，在保護接地的接地電阻R上產生的對地面故障電壓很低，不致引發電擊事故，不會切斷供電電源。但IMD會發出信號，提示系統出現接地故障，在手術完成后應停電檢修。如果不及時檢修排除故障而繼續帶故障運行，當發生第二次接地故障時就轉變成相間短路，這是因為手術室各種醫療設備PE線相互連通，在某些情況下當第一臺醫療設備外露可導電部分發生接地故障時，使得其接地故障電流通過PE線傳遞到相鄰醫療設備的外露可導電部分上，當第二臺醫療設備外露可導電部分也發生接地故障，也就是發生第二次接地故障時，兩臺醫療設備的相線和PE線之間形成短路電流回路，導致設備的操作人員發生電擊傷害事故。IT系統就演變成TN系統或TT系統。只能通過過電流保護電器或剩余電流保護器（RCD）強制切斷供電電源，造成手術間停電跳閘。IT系統一般不引出N線，這是因為當引出N線時，IT系統發生單相接地故障，相間對地電壓將升高為380 V，N線對地電壓將為220 V，導致醫療設備的絕緣損壞；同時醫護人員的直接接觸或間接接觸的預期接觸電壓可高達380 V，電擊死亡危險變大［2］。由于沒有引出N線，不能提供220 V電源電壓，其應用受到限制。它主要適用于對供電不間斷要求很高的地方。如醫院的手術室、重癥監護病房（ICU）等一旦發生系統短路造成停電危及患者生命安全的場所。

2手術室的接地系統概述

手術室的接地系統包括總等電位聯結和局部等電位聯結。總等電位聯結是通過進線配電箱旁的接地母排將下級配電箱的PE線、建筑物的金屬結構和接地裝置互相連通，形成一個大的接地系統。局部等電位聯結是在局部場所內將各個可導電部分連通，也可將就近的PE線、金屬管道和建筑物金屬構件連通，形成一個局部的接地系統。當發生單相接地故障時，局部等電位聯結可以進一步減少接地電阻，從而進一步降低接觸電壓，這是局部等電位聯結的優勢所在。

3手術室低壓配電系統和接地系統的應用

按照電工委員會標準，醫療場所按照醫療電氣設備與人體接觸的狀況、斷電的危險程度和允許間斷供電時間的分級分為0類、1類、2類場所［3］。其中2類場所內可以使用用于心臟手術的醫療設備或是中斷供電將導致生命危險的醫療設備。手術室就是2類場所，需要使用IT系統或TN－S系統，不允許使用TN－C系統。

前面提到的IT系統發生第一次接地故障時既不切斷電源，又不發生電擊事故，只通過絕緣監測器發出信號，第一次接地故障時保護電器動作特性需滿足下列公式：

RA Id≤50V

RA—外露可導電部分的接地電阻（Ω）；Id—發生第一次接地故障時，相線和外露可導電部分阻抗可忽略不計的故障電流（A）。

為滿足上述公式的要求，應降低接地極的接地電阻RA，或者減少設備對地正常泄漏電流以及限制線路總長度［4］。所以手術室發生第一次接地故障時接觸電壓會控制在50 V以下，對現場操作的醫護人員和手術患者是安全的。根據電氣安全的相關規范標準，在干燥環境下發生接地故障時預期接觸電壓不允許＞50 V，潮濕環境下≤25 V，水下環境≤12 V。手術間的IT系統故障狀態下*高允許不停電的接觸電壓只能是50 V，醫護人員接觸＞50 V就可能發生觸電危險。

手術室的進線配電箱使用的IT系統，但為了能提供給監護儀、呼吸機、麻醉機等醫療設備220 V的電壓，應使用380／220 V的變壓器，這種變壓器既起到變換電壓的作用，又有安全隔離的效果。其容量≥0.5 kVA，但≤10 kVA。在隔離變壓器后IT系統局部等電位聯結。醫療設備的PE線在和局部等電位聯結后仍和醫院內TN－C－S系統或TN－S系統的PE線連通，但手術室不能再單獨打接地極，以免發生重復接地的錯誤。因為如果在別處發生單相接地短路時，當通過PE線傳遞接地故障電流經過手術間正常使用的醫療設備上的外露可導電部分時，瞬間使得該地局部等電位聯結面上醫療設備和地的電位同時升高。相對于設備與地之間無電位差，使手術臺上的患者和相鄰操作醫療設備的醫護人員免受電擊傷害。而如果手術室出現重復接地時，就會因為局部等電位聯結與大地“0"電位之間出現電位差，對手術間人員人身安全十分不利。由于兩個接地系統間可能出現電位差，通過別處PE線傳遞過來的雜散電流會竄進監護儀、呼吸機、麻醉機等精密醫療設備當中，干擾設備的各種參數，甚至會擊穿精密的電路板。

手術室總的進線配電箱使用的是TN－S系統，即3L＋1N＋1PE的接線方式。但IEC規定離手術臺周邊水平距離1.5 m，高度為2.5 m內被稱為患者環境。圍繞著患者環境的手術臺鄰近手術間懸臂吊塔應采用局部醫療IT系統供電。在懸臂吊塔上的插座主要用于維持生命或進行外科手術的醫療設備。使用1：1變比的單相隔離變壓器通過懸臂吊塔的插座給生命支持醫療設備供電，將局部醫療IT系統內所有的醫療設備和隔離變壓器的PE線端子及進線配電箱的PE線端子相連通，以保證整個局部患者環境處在局部等電位聯結的保護范圍內。手術室等電位聯結系統中，局部等電位聯結端子板與插座PE線端子、醫療設備PE線端子，以及裝置外可導電部分等連接線和連接點的電阻總和≤0.2Ω，使整個手術室接地系統的電位差接近相等。

手術室應將IT系統的絕緣監測的聲光信號安裝在合適的位置，使醫務人員在手術過程中便于監視。應以不同顏色的燈光顯示系統不同的絕緣狀況。當絕緣電阻下降時，*遲降至50 kΩ時應發出信號。在故障未排除前不允許切斷，音響信號允許中止，但燈光信號不應切斷。

在實際工程中，也可以在同一手術間內分別設計TN－S系統和IT系統的插座，懸臂吊塔采用IT系統供電，手術間墻壁采用TN－S系統供電。但應嚴格區分和標記清楚，相關醫療設備防止混插。提供生命支持的設備，如呼吸機、麻醉機、監護儀及手術無影燈等醫療設備需要使用IT系統的插座，以保證在一次接地故障時保護電氣裝置不跳閘。而其他手術輔助醫療設備可使用TN－S系統的插座。每個系統有各自的過電流保護裝置和剩余電流保護器，以免TN－S系統出現接地故障時過電流保護裝置或剩余電流保護器跳閘殃及IT系統。分開設計的*大優點就是降低隔離變壓器的容量和發熱，提高隔離變壓器的使用壽命，使隔離變壓器能更好地為IT系統服務。

4隔離電源監控系統的選型與應用

4.1概述

隨著電子醫療設備在醫院領域的廣泛應用，漏電流對病人構成的威脅也越來越大，尤其是那些生命攸關的場所，病人在手術中或麻醉狀態下，各種電極、傳感器直接插入人體內，微小的漏電流都有可能導致病人觸電身亡。另外有些醫療設備用于維持重癥病人的生命，一旦設備停電，也會對病人的生命構成威脅。因此，對于醫療這一特殊場所的電氣設計，應嚴格按照標準和規范進行。安科瑞IT系統絕緣監測故障定位裝置及系統適用于醫院的手術室、ICU(CCU)監護病房等重要場所，能為這類場所提供安全、連續、可靠的供電解決方案。

4.2應用場所

適用于醫院的手術室、各類重癥監護室、搶救室、內窺鏡室及造影室等醫療二類場所的隔離電源系統的遠程監控及自動化。

4.3系統架構