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淺談醫(yī)療用電設(shè)備配電系統(tǒng)設(shè)計及經(jīng)濟性分析
更新時間：2024-09-06 瀏覽次數(shù)：214
摘要：醫(yī)療用電設(shè)備的配電系統(tǒng)設(shè)計是醫(yī)院建筑電氣設(shè)計的關(guān)鍵性部分，其系統(tǒng)可靠性、安全性直接影響醫(yī)療效果。通過分析該類負荷的重要性及分類場所中斷供電時間等要素，闡述了較為完善的醫(yī)療用電配電系統(tǒng)架構(gòu)，同時從經(jīng)濟性的角度探討了簡化系統(tǒng)、節(jié)省造價的可能性和措施。
關(guān)鍵詞:醫(yī)療用電設(shè)備 配電系統(tǒng) 負荷分級 經(jīng)濟性分析
0引言
隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，作為民生項目重要環(huán)的醫(yī)療資源及水平也得到了各地政府的高度重視，一批批新建醫(yī)院和既有醫(yī)院的升級改造項目紛紛投入建設(shè)，包括社區(qū)醫(yī)院、綜合醫(yī)院，以及醫(yī)療城、醫(yī)療集聚區(qū)等各種形態(tài)。
由于醫(yī)院內(nèi)大都是各種用電設(shè)備，對用電的依賴性較高，因此可以說電氣設(shè)計是整個醫(yī)院建筑設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，其供電可靠性和安全性直接影響醫(yī)療效果。而隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，各種先進的醫(yī)療設(shè)備和電子儀器不斷地投入應(yīng)用，但因其功能不同，各類設(shè)備應(yīng)用的醫(yī)療場所不同，供配電要求也各不相同。因此，針對醫(yī)院建筑的電氣設(shè)計問題，本文以筆者主持設(shè)計的某三級醫(yī)院為例，闡述醫(yī)療設(shè)備分類要求和對應(yīng)的配電系統(tǒng)設(shè)計，并從經(jīng)濟性角度進行優(yōu)化分析。
1醫(yī)療設(shè)備負荷分析
醫(yī)療用電設(shè)備種類繁多，包含大型設(shè)備和各類醫(yī)療場所的用電設(shè)備。常用大型醫(yī)療設(shè)備可參見表l。
典型醫(yī)療場所包括門診、急診、手術(shù)室、重癥監(jiān)護室、住院、檢查、影像、放射等?！夺t(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第3章，根據(jù)電氣安全防護的要求，將醫(yī)療場所分為0、1、2三類：0類場所醫(yī)療設(shè)備與患者不接觸，1類場所設(shè)備與患者體表和體內(nèi)(除2類場所所列部位)接觸，2類場所設(shè)備與患者體內(nèi)接觸、供電中斷危及患者生命，具體場所詳見《規(guī)范》中表3．0．2。其中，該表還對中斷供電后的自動恢復(fù)時間提出具體要求，分t≤0．5S、0．5s<t≤15s、t>15s三種，對配電系統(tǒng)備用電源及其轉(zhuǎn)換方式有指導(dǎo)意義。
按照常規(guī)的負荷分級方式，醫(yī)療用電負荷也根據(jù)可靠性要求及中斷供電的影響進行分級。典型場所內(nèi)(如急診搶救室、重癥監(jiān)護室、手術(shù)室等)涉及患者生命安全的設(shè)備及其照明，屬于負荷中特別重要負荷，其他用電分屬一、二、三級負荷，具體參見《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第4．2節(jié)，此處不～一列舉。三級醫(yī)院應(yīng)設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機組，供電給負荷中特別重要負荷，機組承載醫(yī)療負荷可參見表2。
注：某些用電如供應(yīng)不屬于特別重要負荷，但與院方協(xié)商后，認為終端供電也會影響其他特別重要場所的運行使用，所以也歸人發(fā)電機組供電。
2醫(yī)療設(shè)備配電系統(tǒng)設(shè)計
在設(shè)計配電系統(tǒng)之前，首先要確定供電方案，為配電系統(tǒng)設(shè)定好前提條件。三級醫(yī)院需要兩路獨立電源，并應(yīng)設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機組，供電方案如圖1。
配電系統(tǒng)采用放射式與樹干式相結(jié)合的方式。通常大型醫(yī)療設(shè)備等單臺容量較大的負荷或特別重要負荷采用放射式供電，由變電所低壓配電屏直供：當其他負荷等級相同且供電路由合理時，可采用樹干式與放射式相結(jié)合的供電方式；負荷采用雙電源供電，并在末端設(shè)置自動切換；二級負荷采用雙電源供電并在末端或適當位置切換;其余一般負荷采用單電源供電；斷電后恢復(fù)供電時間t≤0．5s的負荷，應(yīng)采用在線式UPS供電，且自備電源維持時間不小于3h；設(shè)置了柴油發(fā)電機組，應(yīng)急自動啟動時UPS裝置應(yīng)急供電時間應(yīng)≥lOmin(一般取15min即可)。
綜上所述，根據(jù)以上對負荷的分析和配電系統(tǒng)的設(shè)計要求，將大型醫(yī)療設(shè)備及各醫(yī)療場所用電設(shè)備負荷分成以下幾類，并分別設(shè)置對應(yīng)的配電系統(tǒng)。
1)1、2類場所，負荷之特別重要負荷，斷電后恢復(fù)供電時間t≤0．5s。
此類負荷由變電所放射式直供，兩路電源(一路與發(fā)電機電源先行切換)，末端自動切換，并有UPS做備用。主要負荷有急診室、手術(shù)室、重癥監(jiān)護病房Icu及HDU、產(chǎn)房、血液病房、血透室、DSA輔助電源等場所用電設(shè)備，其配電干線如圖2所示。
以急診室醫(yī)療用電為例，其配電箱系統(tǒng)圖參見圖3。
2)l、2類場所，負荷之特別重要負荷，斷電后恢復(fù)供電時間0．5s<t≤]5s。
此類負荷配電要求與一類在中斷供電時間需求上有差別，發(fā)電機能在15s內(nèi)投入運行并供電即可，自動切換開關(guān)ATS(PC級切換時間小于0．6s)能滿足斷電后自動恢復(fù)供電時間，無需UPS做備用，除此之外，其余配電系統(tǒng)與一類基本類同。主要負荷有負壓吸引站、病理科、檢驗、生殖以及急診、手術(shù)等場所(除上述第一類之外)的特別重要負荷。
3）1、2類場所，負荷，斷電后恢復(fù)供電時間0．5s<t≤]5so
此類醫(yī)療負荷數(shù)量多、范圍也廣，配電系統(tǒng)由兩路市電電源在末端自動切換。大型醫(yī)療設(shè)備和一些重要負荷采用放射式配電，其他負荷采用樹干式和放射式混合式配電。大型醫(yī)療設(shè)備主要是指診療用的CT、MRI、DR、DSA、直線加速器等主機設(shè)備，其配電干線如圖4所示。
4)0、1類場所，二級負荷，斷電后恢復(fù)供電時間0．5s<t≤15s。
此類負荷也需要兩路電源，但可以在變電所通過低壓母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)切換后單回路配電，又由于中斷供電時間要求小于]5s，手動切換的低壓母聯(lián)不能滿足時間要求，還是需要雙電源自動切換開關(guān)ATS來完成兩路電源的轉(zhuǎn)換。因此，為避免系統(tǒng)過于復(fù)雜，此類負荷的配電干線基本上與上述第三類負荷的樹干式配電系統(tǒng)合并，滿足要求的同時也簡化了系統(tǒng)。
5)其他二、三級負荷，斷電后恢復(fù)供電時間t>15s
此類負荷配電較為簡單，單從切換時間考慮，變電所低壓母聯(lián)就能滿足要求，因此通常采用單回路酉己電口可。
至此，各種醫(yī)療用電負荷的配電方式及系統(tǒng)形式均已基本闡述完畢，可能還有個別遺漏的設(shè)備，但總歸還是要按照負荷分級和使用場所及其中斷時間的要求具體設(shè)計。醫(yī)院建筑電氣設(shè)計紛繁復(fù)雜的醫(yī)療設(shè)備配電系統(tǒng)已搭建完成，剩下末端配電的細節(jié)也有規(guī)范、圖集循，限于篇幅，此處不再詳述。
3經(jīng)濟性分析
醫(yī)院建筑的醫(yī)療設(shè)備數(shù)量多、容量大，供配電系統(tǒng)的可靠性和安全性要求高，配電電源及回路需要雙重備份，另需要雙重電源、配電開關(guān)、線路、自動切換開關(guān)ATS等，造價成本遠高于其他建筑類型。但是，通常建筑電氣的設(shè)計除滿足規(guī)范要求的可靠性、安全性外，也需要根據(jù)建設(shè)方的投入資本，考慮到經(jīng)濟性問題，以求合理地簡化系統(tǒng)、節(jié)省造價。
對于負荷中特別重要負荷，由于其用電性質(zhì)的重要性，供配電系統(tǒng)基本沒有優(yōu)化的余地，只能維持前述的系統(tǒng)架構(gòu)。而對于一、二級醫(yī)療負荷，《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第4．3．1條規(guī)定，負荷宜在末端配電箱或用電設(shè)備處自動切換：二級負荷可在配變電所或總配電箱處切換。
基于此條規(guī)定，如果建設(shè)方資金有限且得到了業(yè)主許可，那么對于樹干式配電的兩路干線(參看圖4的配單干線)，可以在線路首端經(jīng)切換后轉(zhuǎn)為單路干線系統(tǒng)：對于其他雙路電源放射式配電到末端的系統(tǒng)，也可以將用電設(shè)備按區(qū)域、功能、路由等因素合并，在配變電所或區(qū)域總配電間處設(shè)置雙電源切換的配電總箱，然后單回路放射式配電至用電設(shè)備。經(jīng)此優(yōu)化后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，減少了大量備份回路的開關(guān)、電纜、ATS等，造價也大為降低。
此外，只有當變電所低壓母聯(lián)開關(guān)采用手動切換方式(時間以分鐘計算)，不能滿足一、二級負荷中斷供電時間t≤15s的要求時，才需要在配電回路中加入雙電源自動切換開關(guān)ATS(切換時間以秒計，PC級小于0．6s)裝置，備份電源回路要延伸到二、三級配電處。如果能實現(xiàn)低壓母聯(lián)開關(guān)與變壓器低壓主開關(guān)之間的自動切換，且切換時間控制在15s以內(nèi)，則在理論上，除特別重要負荷外的幾乎所有一、二、三級非消防負荷均可以自變電所低壓屏單回路配電，從而地簡化低壓配電系統(tǒng)，節(jié)省造價。
4安科瑞醫(yī)院EMS能效管理系統(tǒng)
4.1平臺拓撲圖
4.2醫(yī)院電力監(jiān)控解決方案
電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對變壓器、柴油發(fā)電機、斷路器以及其它重要設(shè)備進行監(jiān)視、測量、記錄、報警等功能，并與保護設(shè)備和遠方控制及其他設(shè)備通信，實時掌握供電系統(tǒng)運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高醫(yī)院供電可靠性。
電力監(jiān)控系統(tǒng)主要針對開閉所和10/0.4kV變電所，對高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況。同時對醫(yī)院重要設(shè)備如柴油發(fā)電機、無功補償裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)測。
電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置
應(yīng)用場合 | 名稱 | 系列型號 | 圖片 | 功能 |
系統(tǒng)后臺 | 電力監(jiān)控軟件 | Acrel-2000/Z |
| 數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)字通信、遠程操作與程序拉制、權(quán)限管理、車件記錄與告營、故障分析、各類報表 |
通訊層 | 智能網(wǎng)關(guān) | Anet系列 |
| 8個RS485串口2kV隔離，2個以太網(wǎng)接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協(xié)議設(shè)備的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協(xié)議、支持多不同數(shù)據(jù)服務(wù)要求，支持斷點續(xù)傳，裝置電源:220VAC/DC。 |
35KV、10KV | 微機保護裝置 | AM6-x |
| 相間電流速斷保護，相間電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。 |
35KV\10KV進線側(cè) | 電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內(nèi)存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 |
35KV/10KV測量 | 多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表 | APM-520 |
| 具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、電能統(tǒng)計、電能質(zhì) |
35KV\10KV帶電顯示裝置 | 智能操控裝置 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預(yù)分預(yù)合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應(yīng)、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； |
35KV\10KV弧光保護 | 弧光保護裝置 | ARB5-x |
| 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、11個跳閘出口； |
35KV\10KV配電柜 | 無線測溫 | ATE400（PT柜選用ATE200） |
| 監(jiān)測母線、線纜接頭、斷路器觸臂、觸頭溫度，可通過無線傳輸至ASD320就地顯示，也可以上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。電源分為內(nèi)置電池式和感應(yīng)取電式，固定方式有螺栓固定，表帶式捆綁，測溫范圍-50℃-125℃，精度±1℃ |
0.4KV進線 | 多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表 | APM-520(96外型) |
| 具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、電能統(tǒng)計、電能質(zhì) |
電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內(nèi)存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 | |
測溫監(jiān)控裝置 | ARTM-Pn-E |
| 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； | |
無線測溫傳感器 | ATE400 |
| 監(jiān)測母線、線纜接頭、斷路器觸臂、觸頭溫度，可通過無線傳輸至ASD320就地顯示，也可以上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。電源分為內(nèi)置電池式和感應(yīng)取電式，固定方式有螺栓固定，表帶式捆綁，測溫范圍-50℃-125℃，精度±1℃ | |
0.4KV濾波柜 | 有源諧波治理系統(tǒng) | AnSin-xxx |
| 有源電力濾波器井聯(lián)在含諧波負載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)討B(tài)變化的諧波電流進行快速實時的跟蹤和補償， |
0.4KV補償柜 | 有源無功補償系統(tǒng) | AnCos-xxx |
| 低壓無功功率補償裝置并聯(lián)在整個供電系統(tǒng)中，能根據(jù)電網(wǎng)中負載功率因數(shù)的變化通過控制器控制電力電容器投切進行補償,無功功率補償裝置采用散件組成方案，主要以電容電抗、投切開關(guān)、控制器等組成。 |
0.4KV饋線 | 多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表 | APM-510(72外型) |
| 具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、電能統(tǒng)計、電能質(zhì) |
電氣火災(zāi)監(jiān)測模塊 | ARCM200系列 |
| 三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cos中)，視在電能、四象限電能計量，單回路剩余電流監(jiān)測，4路溫度監(jiān)測，2路繼電器輸出，4路開關(guān)量輸入，事件記錄，內(nèi)置時鐘，點陣式LCD顯示，2路獨立RS485/Modbus通訊 | |
測溫監(jiān)控裝置 | ARTM-Pn-E |
| 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； | |
無線測溫傳感器 | ATE400 |
| 合金片固定，CT感應(yīng)取電，啟動電流大于5安培，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； | |
低壓回路 | 電流互感器 | AKH-0.66系列 |
| 測量型互感器，采集交流電流信號 |
5結(jié)束語
醫(yī)院建筑電氣設(shè)計離不開可靠性高的供配電系統(tǒng)。本文單獨將醫(yī)療用電的配電作為論題，剖析影響醫(yī)療用電可靠安全性的各要素，形成較為完善的配電系統(tǒng)架構(gòu)。另一方面又從經(jīng)濟性角度探討了優(yōu)化系統(tǒng)、節(jié)省成本的可能性，希望能對其他醫(yī)院項目的設(shè)計起到一定的參考借鑒作用。
參考文獻：
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06版．
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