淺析場所接地系統(tǒng)的設計方案與應用

趙娜
安科瑞電氣股份有限公司 

摘 要: 根據(jù)不同類別場所的安全要求，總結(jié)醫(yī)院電氣設計中采用的接地系統(tǒng)型式，介紹了 IT 接地系統(tǒng)在場所中的作用，并提出 IT 接地系統(tǒng)在應用中需注意的幾點問題。
關鍵詞: 場所; 接地系統(tǒng); 醫(yī)用 IT 系統(tǒng); 電位差

0 引 言

  隨著科技的不斷進步，在現(xiàn)代診斷與臨床治療中，電氣設備和電子儀器得到了越來越多地應用，設備使用過程中的電氣安全顯得尤為重要，既要防止醫(yī)院人員受到設備剩余電流引起的電擊傷害，也要保證設備的可靠運行［1］。因此，場所接地系統(tǒng)的正確選用必須在電氣設計中引起足夠的重視。

1 場所的分類

  在診療中電氣設備與病人身體接觸的情況不同，發(fā)生剩余電流故障對人體的傷害也有區(qū)別。按照電氣防護的要求，依據(jù)電氣設備的部件與人體接觸的程度以及場所停電對患者造成的影響，醫(yī)院場所分為如下三類:
  （1）0 類: 不使用電氣設備接觸部件的場所，如普通門診診室、推拿室、石膏室、病理科、檢驗科等。 
  （2）1 類: 電氣設備接觸部件需要與患者體表、體內(nèi)( 除2類場所所述部位外) 接觸的場所，如病房、治療室、透析室、內(nèi)鏡檢查、超聲檢查、影像科等。
  （3）2 類: 電氣設備接觸部件需要與患者體內(nèi)( 指心臟或接近心臟部位) 接觸、手術(shù)室以及電源中斷或故障后將危及患者生命的場所，如手術(shù)室、重癥監(jiān)護室、急診搶救室、心血管造影檢查室等。
  在以上三類場所中，2 類場所對電氣安全防護的要求高，此類場所內(nèi)基本均為高危病人或者手術(shù)患者，往往運行有多臺需進入病人體內(nèi)進行治療以及維持病人生命的設備，哪怕有較小的剩余電流導致的微電擊，都會對人體產(chǎn)生ji大的危險，同時又要保證在監(jiān)護或手術(shù)中保持可靠的系統(tǒng)供電，不能因接地故障出現(xiàn)而發(fā)生斷電的情況。

2 場所接地系統(tǒng)型式的選擇

  建筑物中的接地型式主要包括 TN-S、TN-C、 IT、TT 系統(tǒng)，其中 TT 系統(tǒng)是指將電氣設備的金屬外殼直接接地的保護系統(tǒng)，主要應用于保護點較分散的室外場所。而根據(jù) JGJ 312—2013《建筑電氣設計規(guī)范》［2］中9． 3． 1 條規(guī)定: “場所配電系統(tǒng)的接地形式嚴禁采用 TN-C 系統(tǒng)”，這是由于 TN-C 系統(tǒng)中中性線( PE) 和保護線( N)共用，當非故障狀態(tài)下三相負荷不平衡或發(fā)生接地故障時，TN-C 系統(tǒng)的保護中性導體( PEN) 有電流通過，另外還有些設備引起的諧波電流也會注入 PEN，這些電流會產(chǎn)生電壓降，導致設備的金屬外殼帶電，危及場所的人身安全。目，醫(yī)院場所中常用的接地系統(tǒng)類型主要是TN-S和IT系統(tǒng)。
  醫(yī)院的 0 類和 1 類場所的配電系統(tǒng)般采用 TN-S 的接地型式，從醫(yī)院變電室的低壓配電柜出線開始，系統(tǒng)的中性線( N) 與保護線( PE) *分開，PE 線末端做重復接地，以減少 PE 線斷線造成的危險。設備所接插座的配電回路均帶剩余電流動作保護裝置，動作電流般為30 mA，當設備帶電部分接觸到金屬外殼或發(fā)生漏電時，與 PE 線形成單相回路，引發(fā)過電流保護裝置動作，切斷電源，則可有效避免觸電事故的發(fā)生。同時變壓器中性點接地，設備外露部分與中性線相連，當中性線斷開，如三相負荷不平衡狀況發(fā)生，中性點電位將升高，但是設備外殼和 PE 線都無電位，不會導致觸電事故?？梢?，在電氣設備不與患者體內(nèi)接觸的非 2 類場所，采用 TN-S 接地系統(tǒng)可以滿足電氣安全的要求。通常的做法是在這些場所內(nèi)設置局部等電位聯(lián)結(jié)箱，將用電設備的可導電部位與之連接，并將局部等電位聯(lián)結(jié)箱接至大樓的共用接地極。 
  TN-S 接地系統(tǒng)不能適用于醫(yī)院的 2 類場所，這是由于 TN-S 系統(tǒng)中剩余電流動作保護裝置的動作響應值為 mA 級，般為 30 mA，遠大于 IEC標準規(guī)定的設備允許通過患者心臟的剩余電流值 10 μA，對心臟造成微電擊而引發(fā)危險。同時由于 2 類場所對供電可靠性的高標準要求，又要求系統(tǒng)不能只要出現(xiàn)剩余電流現(xiàn)象就引發(fā)開關動作切斷供電，因此在 2 類場所，如手術(shù)室、重癥監(jiān)護室中，配電系統(tǒng)應當采用IT 接地型式［3-4］。

3 IT 系統(tǒng)在場所中的應用

  IT 系統(tǒng)的電源中性點不與大地直接連接( 或通過高阻抗電阻接地) ，其用電設備的金屬外殼通過保護線直接接地。系統(tǒng)中如果出現(xiàn)單相接地故障，對地剩余電流只能經(jīng)過系統(tǒng)剩余電流電容對系統(tǒng)相線構(gòu)成回路，而系統(tǒng)剩余電容引起的容抗總是遠大于 TN 系統(tǒng)中的接地電阻，故障剩余電流僅為極小的對地電容電流，引起故障場所內(nèi)不同部位的電位差很小，不會因其接地電流的存在而引起過電流，導致開關動作，保證系統(tǒng)能夠帶故障運行。根據(jù) JGJ 312—2013《建筑電氣設計規(guī)范》中 5． 4． 4 要求，2 類場所用于維持生命、外科手術(shù)、重癥患者的實時監(jiān)控和其他位于患者區(qū)域的電氣設備及系統(tǒng)的回路，均應采用場所局部 IT 系統(tǒng)供電。
   IT 系統(tǒng)又稱為醫(yī)用隔離電源系統(tǒng)，般由隔離變壓器、絕緣監(jiān)測裝置、過負荷和超溫監(jiān)測裝置、外接報警裝置等設備組成。將 TN 系統(tǒng)引來的供電電源通過隔離變壓器的二次側(cè)線圈引出 IT 系統(tǒng)的電源，由絕緣監(jiān)測裝置監(jiān)測單相接地故障的發(fā)生，并通過外接報警裝置發(fā)出故障報警［3-4］。 IT 系統(tǒng)應用于 2 類場所中，可以起到以下作用: 
  （1）隔離電源系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，用電設備發(fā)生接地故障時對地不構(gòu)成回路，降低接觸電壓和電網(wǎng)對地的剩余電流，可有效控制剩余電流對患者人體的傷害，避免發(fā)生微電擊事故。
  （2）通過隔離變壓器的二次側(cè)供電，可防止大樓接地系統(tǒng)內(nèi)其他供電回路中的剩余電流進入到 2 類場所與患者接觸的電氣設備上而產(chǎn)生危險。 
  （3）當系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)di個對地剩余電流絕緣故障時，不會引發(fā)斷路器或熔斷器動作，保證供電的連續(xù)可靠性。 
  （4）降低對地剩余電流，從而提高防火安全性。
   IT 系統(tǒng)在應用中，還應注意如下問題: 
  （1）隔離變壓器的次側(cè)與二次側(cè)應設置短路保護，不應設置動作于切斷電源的過負荷保護，這是為了維持供電的連續(xù)性，線路短時間過負荷并不會立即引起災害，在某些情況下可讓導線超過允許溫度運行，即使影響使用壽命，也要先保證重要負荷的不間斷供電。
  （2）單相隔離變壓器的二次側(cè)應設置雙極開關保護電器，這是因為 IT 系統(tǒng)不配出中性線，系統(tǒng)中單相負荷所需的 220 V 電源由 TN 系統(tǒng)中單相 220 V 電源經(jīng) 1∶ 1 隔離變壓器的二次側(cè)提供，所以 IT 系統(tǒng)中的配電線路均為帶電導線，需采用雙極開關作為短路保護。 
  （3）必須配置絕緣監(jiān)測裝置，當系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)di個接地故障時可帶故障繼續(xù)供電，同時絕緣監(jiān)測裝置報警，提示故障發(fā)生，提醒工作人員及時維修處理，如果沒有監(jiān)測及報警設備，發(fā)生二次及多次接地故障會引發(fā)過電流保護裝置動作，導致供電中斷，甚至會產(chǎn)生相間短路。 
  （4）在手術(shù)室等 2 類場所還應設置局部等電位聯(lián)結(jié)，將場所內(nèi)的 PE 線、設備外露可導電部分、安裝了抗電磁干擾場的屏蔽物、防靜電地板下的金屬物、隔離變壓器的金屬屏蔽層等進行等電位聯(lián)結(jié)，消除場所內(nèi)的電位差。 
  （5）IT 系統(tǒng)應與建筑物的 TN-S 系統(tǒng)共用同接地裝置，即利用建筑物底板鋼筋作為共同的接地極，不應為 IT 系統(tǒng)另設人工接地極，否則兩個接地裝置之間產(chǎn)生電位差，也在場所中會引發(fā)電擊。
某手術(shù)室的 IT 配電系統(tǒng)如圖 1 所示。

圖1 某手術(shù)室IT配電系統(tǒng)圖

  不同的手術(shù)室可能同時實施不同的手術(shù)，使用不同的電子儀器，為避免設備相互干擾，每間需要設置 IT 系統(tǒng)的手術(shù)室，都應單獨設置隔離變壓器。隔離變壓器的位置應盡量縮短與手術(shù)室插座端的距離，并方便通風散熱與檢修，般安裝在手術(shù)室的非潔凈走廊的外墻上，并在附近預留接地端子箱，作為 IT 系統(tǒng)的接地端。所有手術(shù)室的接地端子箱宜由單獨的接地干線聯(lián)結(jié)，不應與其他接地系統(tǒng)的接地干線混用，并與大樓的總等電位接地箱相連。為施工及日后管理方便，在實際工程設計中，可將各不同用途、不同型式的接地干線分別由總等電位經(jīng)由各區(qū)域電氣豎井引至末端，可以保證建筑物內(nèi)所有電氣設備都接至同接地裝置上，避免出現(xiàn)電位差。

4 安科瑞IT系統(tǒng)介紹

4.1概述
  隨著電子設備在醫(yī)院領域的廣泛應用，漏電流對病人構(gòu)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(shù)中或麻醉狀態(tài)下，各種電極、傳感器直接插入人體內(nèi)，微小的漏電流都有可能導致病人觸電身亡。另外有些設備用于維持重癥病人的生命，旦設備停電，也會對病人的生命構(gòu)成威脅。因此，對于醫(yī)院這特殊場所的電氣設計，應嚴格按照家標準和規(guī)范要求，采用IT系統(tǒng)供電。
  安科瑞醫(yī)用IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及系統(tǒng)適用于醫(yī)院的手術(shù)室、ICU(CCU)監(jiān)護病房等重要場所，能為這類場所提供安全、連續(xù)、可靠的供電解決方案。
4.2 醫(yī)用隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)
醫(yī)用隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)用于集中監(jiān)控大樓內(nèi)所有２類場所IT系統(tǒng)的運行狀況。這種集中監(jiān)控系統(tǒng)可以設置在醫(yī)院電氣運行和維護人員的值班室內(nèi)，也可以集成在其它電力監(jiān)控系統(tǒng)中，由專業(yè)的電氣人員進行監(jiān)控，旦某套IT系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電氣維護人員也能在di時間內(nèi)做出判斷，并根據(jù)現(xiàn)場情況進行處理。
4.2.1 系統(tǒng)拓撲圖

圖2產(chǎn)品拓撲圖

4.2.2軟件功能
  安科瑞醫(yī)用隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)是基于觸摸屏軟件設計，軟件具有遠程測量、遠程參數(shù)設置和遠程自檢等多種功能，為醫(yī)院2類場所隔離電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控提供了強大的系統(tǒng)集成工具。軟件的主要功能如下圖3：

圖3軟件的主要功能

■ 次圖和現(xiàn)場分布顯示
  系統(tǒng)具有次圖及現(xiàn)場分布圖顯示功能，能直觀的了解并及時地發(fā)現(xiàn)IT供電系統(tǒng)的報警地點或區(qū)域，從而方便專業(yè)人員及時到達現(xiàn)場進行故障排查；
■ 實時數(shù)據(jù)采集與顯示
  利用安裝于各隔離電源系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測儀表和絕緣故障定位儀表，采集各隔離電源系統(tǒng)的參數(shù)。采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在監(jiān)控系統(tǒng)界面，這些監(jiān)測參量含IT系統(tǒng)對地絕緣電阻、變壓器負荷電流、變壓器繞組溫度及絕緣故障回路等如圖4；

■ 故障報警
  將各醫(yī)用隔離電源系統(tǒng)出現(xiàn)的各類故障，如絕緣故障、過載故障、超溫故障以及接線斷線故障等信息進行統(tǒng)處理和記錄，并可直接在顯示界面上彈出顯示故障類型、監(jiān)測值、故障地點以及故障發(fā)生時間等信息。同時啟動監(jiān)控系統(tǒng)的聲光報警系統(tǒng)，及時提醒相關人員，進行故障處理。其中，聲音報警信號可被手動消除。
■ 遠程參數(shù)設置和查詢
  通過系統(tǒng)，可根據(jù)要求遠程調(diào)整和設置各醫(yī)用隔離電源系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測儀的各類報警參數(shù)閾值，也可以任意查看這些報警參數(shù)值。參數(shù)包括絕緣報警值、負載電流報警值和隔離變壓器溫度報警值等如圖5。

■ 圖形顯示功能：
  系統(tǒng)可以以曲線的形式，顯示各套隔離電源系統(tǒng)的絕緣狀況、負載狀況，以及隔離變壓器的溫升狀況，以及它們的變化趨勢，以便于分管理人員了解和分析各電源系統(tǒng)的運行變化情況，有針對性的對某些系統(tǒng)進行維護和保養(yǎng)。

4.3 產(chǎn)品選型

表1 醫(yī)用 IT 系統(tǒng)絕緣監(jiān)測及故障定位產(chǎn)品

5 結(jié) 語

  隨著我衛(wèi)生事業(yè)的不斷發(fā)展，醫(yī)院的建設規(guī)模逐年增長，必須重點考慮場所未來運營的安全性。電氣設計人員在設計過程中應嚴格依據(jù)家相關規(guī)范與標準，采用合理的電氣接地系統(tǒng)，為病人和醫(yī)護工作者提供安全、可靠的環(huán)境。
參考文獻
[1] 民用建筑電氣設計規(guī)范: JGJ 16—2008［S］
[2] 劉建，場所接地系統(tǒng)的設計與應用
[3] 安科瑞IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及監(jiān)控系統(tǒng)（中英文）2020.01
作者簡介：
趙娜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為IT配電