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浅谈隔离电源及其在高压氧舱的应用

发布时间: 2023-01-06  点击次数: 45次

王晶晶

安科瑞电气股份有限公司

0引言 

       高压氧医学是近些年发展起来的一门边缘学科【1】。医用高压氧舱是高压氧治疗的关键设备【2】。随着 医疗认识及技术水平的提高,高压氧治疗的应用也 越来越广泛高压氧舱的使用也越来越被更多的医 院所接受。高压氧舱是一种特殊的载人压力容器,其个系统的用电设备具有较多、较分散、供电形式也 比较复杂等特点,因此高压氧舱的安全用电包含2 层含义:既能保证各用电设备及整个供电系统的稳 定性、连续性,又能有效保障进舱吸氧患者的人身安 全。先进的医疗诊断和治疗仪器在现代化医院中起 着越来越重要的作用,提供高质量的电能保障是消 除或降低医疗设备风险,确保为患者诊断和治疗准确性的重要因素【3】。因此在高压氧舱及其附属电气设 备的运行过程中,合理配置电源、提供高质量的电能 保障、确保安全供电显得尤为重要。 
1供电方式 
       国际电工委员会(IEC)将电力供电统一分为:1Tr 系统、TN系统、IT系统。其中TN系统又分为TN—C、 TN—S、TN—C—S系统。 TT系统是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统,又称为保护接地系统。第一个T表示电力系统中性点直接接地;第二个符号T表示负载设备金属外壳和正常不带电的金属部分与大地直接连接,而与系统如何接地无关。
       TN系统是指将电气设备的金属外壳和正常不带电的金属部分与工作零线相接的保护系统,又称接零保护系统。TN系统通常是一个中性点接地的三相电网系统。在TN系统中,若保护线和中性线合并为1条线,则称为TN—C系统;若保护线和中性线 分别为2条线,则称为TN—S系统;若在供电系统中前部分为TN—C系统(需没有220 V负载,即中性线没有电压),而在系统后部分中从总配电箱中分出保护线,则称为TN—C—S系统。
       IT系统是指在电源中性点不接地系统中,将所有设备的外露可导电部分均经各自的保护线PE分别直接接地的供电系统。IT供电系统中,I表示电源侧没有工作接地或经过高阻抗接地;T表示负载侧电气设备进行接地保护。 
2隔离电源 
       隔离电源是指在IT系统中,普通单相电源经隔离变压器后,输出的与大地不能形成回路的电源,是一种能显著降低触电风险的安全电源。隔离电源负载侧实行接地保护。隔离电源的具体实现是由隔离变压器完成的。隔离变压器是指变压比为1:1的变压器,这种变压器的初级线圈匝数等于次级线圈匝数,如图l所示。
       隔离变压器的初级线圈与市电的相线和中性线相连接,次级线圈与负载相连接。由于隔离变压器变压比为1:1,因此次级线圈电压等于初级线圈电压, 均为220 V。电源经隔离变压器后,原电网中的地已 不再是参考电位,隔离变压器任何一根输出线都不 能与地构成回路,只能在2根输出线之间构成回路, 隔离电源的2根输出线L1、L2都是相线。隔离电源的应用,既提高了供电的安全性及电源供电质量,又能有效地降低触电事故的发生率。
3高压氧舱及其附属设备用电状况分析 
       高压氧舱及其附属设备需要电力驱动的子系统 有:加减压系统、供排氧系统、空调系统、通信系统、照明系统、参数监控系统、视频系统,其供电主要有3种形式:380V三相电、220V单相电、直流电。高压氧舱及其附属设备主要用电状况见表1。 
       380V三相交流电直接由总配电柜引出,总配电柜属于高压氧舱专用,与高压氧科室供电系统是相互独立的,总配电柜的输入遵循医院整体供电方式。220 V单相交流电的使用,需要经过隔离变压器,使其成为隔离电源后再接入高压氧舱单相电供电系统中。直流电由操作台下的4台开关电源供给,其中3台输出直流12 V,一台输出直流5 V,开关电源的交流电输入由隔离电源提供。
4隔离电源在高压氧舱供电系统中的应用
       在实际应用中高压氧舱及其附属电气设备较多,电路连接及转换也比较复杂,因此将整体供电线路简化后,其拓扑图如图2所示。 
       由于空气压缩机、循环风电动机需要三相电驱动,因此需由总配电柜引出的三相电供电。冷冻干燥机和空调系统的室外机由于其使用的是压缩机制冷技术,需要220 V单相电驱动且工作电流较大,因此,由总配电柜分别引出单相电供电。
总配电柜输出的220 V单相电经隔离电源后,接人高压氧舱接线排。图2中5、6、7分别为3台12 V直流开关电源,给LED灯盘和监控摄像头供电。8为 5 V直流开关电源,给参数监控系统中的温度、湿度、压力数码管显示仪供电。
       L1~L10分别为加减压系统电磁阀、供排氧系统电磁阀、测氧仪、磁感应电动机、对讲机、功放机、工控机、画面分割器、显示器、视频转换器,供给220 V交流电,N为上述设备的共相端。
       隔离电源的应用降低了高压氧舱的电气设备对整个电路电源质量的影响。在高压氧舱运行过程中,高压氧舱接线排连接的磁感应电动机多次启停,开关电源负荷较大。在各种用电设备中,开关电源、可控硅管、调光系统、uPS、交流稳压器、变频空调等非线性设备,其输入电流是非正弦波形,如波形削顶、叠加脉冲等,这对交流电网有非常大的危害【4】。在隔离电源中,隔离变压器将初级线圈和次级线圈相互隔离,避免了高压氧舱及其附属电气设备影响整个供电系统,造成电源质量下降隋况的发生。
       隔离电源的应用使得高压氧舱各供电设备自成回路,隔离变压器初级线圈与次级线圈相互隔离,因此总配电柜的供电设备零线端与高压氧舱接线排共相端实现相互隔离。相互隔离避免了总配电柜的其他回路漏电流通过零线窜入高压氧舱接线排,提高了电气设备的用电安全。 
5隔离电源在高压氧舱中应用的必要性 
(1)有效地保证高压氧舱及其附属电气设备的 安全运行。 
(2)防止其他供电回路中的漏电流通过接地线窜人阁【5】,进而危害高压氧舱中的患者安全。 
(3)高压氧舱的用电设备较多且分散,隔离电源的使用能有效地减少各设备发生接地故障,进而保整个供电系统的稳定性。 
(4)由于隔离变压器次级线圈与大地不形成回路,因此高压氧舱中的某台用电设备一旦发生接地故障,则其对地漏电流很小,不会造成漏电保护器动作,可有效保证整个高压氧舱供电系统的连续性。 
(5)可有效降低高压氧舱工程师在维修电气线路时发生触电事故的可能性。 
6讨论 
       在高压氧舱供电系统中,所有安装在氧舱及操作台上的电气设备,其输人都需要经隔离电源。
       隔离变压器因不能长距离输出使用,因此对于高压氧舱的供电系统来讲,隔离变压器应置于操作台配电柜旁边,其负载输出侧接入高压氧舱操作台配电柜的输人中,尽量不要在整个高压氧舱起始配电柜处接入隔离变压器。
       隔离变压器在高压氧舱实际应用中,应根据操 作台各电气设备功率容量,计算所需隔离变压器的容量。根据GB 16895.24—2005的规定:“医疗IT系统应采用单相隔离变压器,其额定输出容量不应小 于0.5 kVA,但不应超过10 kVA"。
       现阶段,大部门高压氧舱使用的隔离电源比较简陋,仅配置隔离变压器对于整个供电安全来讲是不够的,还应配置绝缘监视仪。绝缘监视仪在运行中,如果测量电阻上的电压降超过特定的值(相当于绝缘电阻降到特定值),就会输出报警信号,在发生第一次单相接地故障时,绝缘监视仪报警,在发生第二次接地故障时(此时即为两相短路),保护电气设备动作,切断电路【6】。
       为保障电源供电质量,隔离电源除应配置绝缘监视仪外,还应具有多种接线监视功能,提高监视可靠性。过负荷监视应在5~50 A范围内可调;变压器绕组温度超过120℃时发出超温报警;变压器负荷监视,并显示当前负荷与额定负荷的百分比【7】。隔离电源的安全运行得到保障,是整个供电线路稳定运行的重要前提。
       高压氧舱是一种特殊的载人压力容器,电气设备比较分散,各设备要求供电的形式具有多样性,而且在整个系统中,各种电路走线方式比较复杂,高压氧舱供电系统的安全稳定运行直接关系到高压氧治疗的安全。隔离电源在高压氧舱供电系统中的应用,能显著提高氧舱用电安全,保证高压氧治疗的安全稳定运行。隔离电源在高压氧舱供电系统中占据着重要地位。 
7医用隔离电源监控系统的选型与应用
7.1概述
       随着电子医疗设备在医院领域的广泛应用,漏电流对病人构成的威胁也越来越大,尤其是那些生命攸关的场所,病人在手术中或麻醉状态下,各种电极、传感器直接插入人体内,微小的漏电流都有可能导致病人触电身亡。另外有些医疗设备用于维持重症病人的生命,一旦设备停电,也会对病人的生命构成威胁。因此,对于医疗这一特殊场所的电气设计,应严格按照国家标准和规范进行。安科瑞医用IT系统绝缘监测故障定位装置及系统适用于医院的手术室、ICU(CCU)监护病房等重要场所,能为这类场所提供安全、连续、可靠的供电解决方案。
7.2应用场所
       适用于医院的手术室、各类重症监护室、抢救室、内窥镜室及造影室等医疗二类场所的医用隔离电源系统的远程监控及自动化。
7.3系统架构
7.4系统功能
       安科瑞IT配电监控系统是基于触摸屏软件设计,软件具有远程测量、远程参数设置和远程自检等多种功能,为各类场所的IT配电系统的集中监控提供了强大的系统集成工具。软件的主要功能如下:
       一次图和现场分布显示
       系统具有一次图及现场分布图显示功能,能直观的了解并及时地发现IT供电系统的报警地点或区域,从而方便专业人员及时到达现场进行故障排查;
       实时数据采集与显示
       利用安装于各IT配电系统中绝缘监测仪表和绝缘故障定位仪表,采集各隔离电源系统的参数。采集到的数据实时显示在监控系统界面,这些监测参量含IT系统对地绝缘电阻、变压器负荷电流、变压器绕组温度及绝缘故障回路等;
       故障报警
       将各IT配电系统出现的各类故障,如绝缘故障、过载故障、超温故障以及接线断线故障等信息进行统一处理和记录,并可直接在显示界面上弹出显示故障类型、监测值、故障地点以及故障发生时间等信息。同时启动监控系统的声光报警系统,及时提醒相关人员,进行故障处理。其中,声音报警信号可被手动消除。
       远程参数设置和查询
       通过系统,可根据要求远程调整和设置各IT配电系统中绝缘监测仪的各类报警参数阈值,也可以任意查看这些报警参数值。参数包括绝缘报警值、负载电流报警值和隔离变压器温度报警值等。
       图形显示功能
       系统可以以曲线的形式,显示各IT配电系统的绝缘状况、负载状况,以及隔离变压器的温升状况,以及它们的变化趋势,以便于分管理人员了解和分析各电源系统的运行变化情况,有针对性的对某些系统进行维护和保养。
7.5安科瑞产品功能和技术参数
参考文献
[1]潘树义,潘晓雯.,登禹,等·高压氧治疗重症颅脑损伤的研究进展[J].中华航海与高气压医学杂志,2004,11(1):56-57.
[2]刘磊,刘少波.高压氧舱的安全维护级故障维修[j].中国医疗设备,2012.27(1):100. 
[3]刘元明,刘欢,余世准.大型医院应对医疗设备供电质量异常的解决对策【J】.中国医疗设备,2012,27(12):146—148. 
[4]钱照明,吕征宇,何湘宁.开关电源的电池兼容技术[J].电源技术学报.2006(6):30.
[5]邵建勋.医用IT系统在医疗场所的应用[J].中国医院建筑与装备.2008(6):32-39.
[6]范丽丽.医疗IT系统的设计与应用[J].电气应用,2011,30(2):48-51.
[7]张敦晓,魏建芬,罗学文.隔离电源及其在高压氧舱的应用
[8]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版


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