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您的位置：網(wǎng)站首頁 > 技術(shù)文章 > IT隔離電源系統(tǒng)的設(shè)計及注意事項 趙娜
安科瑞電氣股份有限公司
摘要：在場所內(nèi)，對供電的可靠性和安全性要求要比般場所高，如何實現(xiàn)高可靠性和安全性的配電系統(tǒng)？電源端帶電導(dǎo)體不接地的IT系統(tǒng)可以解決這問題。針對場所內(nèi)IT系統(tǒng)的設(shè)計展開討論，說明了IT系統(tǒng)使用在場所的原因，列出了IT系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)注意的問題。
關(guān)鍵詞：IT系統(tǒng) 絕緣監(jiān)視儀 場所
0 引言
目，對于醫(yī)院供配電系統(tǒng)的可靠性和安全性要求越來越高，需要按JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《民規(guī)》)附錄A中醫(yī)院設(shè)備的負(fù)荷分級確定設(shè)備的負(fù)荷等級，且場所內(nèi)病人和醫(yī)護(hù)人員的安全以及供電的連續(xù)性非常重要。
場所需要高的電氣安全性原因：
1)醫(yī)院病人屬于在生li上和智力上有缺陷的人，在電擊等危險情況下的反應(yīng)比正常人遲鈍，需要特別保護(hù)。病人在手術(shù)或插入導(dǎo)管時，表皮阻抗降低，電擊的危險性增大。特別是胸腔手術(shù)，人體50uA的接觸電流或50mV的接觸電壓就可致人死命。
2)外科手術(shù)等不可以中斷，ICU房間的某些設(shè)備要持續(xù)供電，保證病人的安全。
針對上述上條，剩余電流動作保護(hù)器對這種微電擊無能為力，必須安裝隔離變壓器另設(shè)局部的IT系統(tǒng)來有效限制接觸電流和接觸電壓。當(dāng)然，還需輔以高要求的輔助等電位聯(lián)結(jié)。對于維持生命的電氣設(shè)備，即使發(fā)生單相接地故障時也不能馬上切斷電源，IT系統(tǒng)相對于接保護(hù)系統(tǒng)(TN)、保護(hù)接地系統(tǒng)(IT系統(tǒng))而言，可以提供不間斷的連續(xù)供電，防止突然斷電對病人生命的威脅。
1場所內(nèi)接地系統(tǒng)的選擇
對于場所的分類，根據(jù)《建筑物電氣裝置》中特殊裝置或場所的要求將場所分為0類、1類和2類場所。場所和醫(yī)用建筑的主配電盤出線不可以使用TN-C系統(tǒng)。因為在TN-C系統(tǒng)中，N線與PE線合用為根，正常工作時，PEN線中有不平衡電流和單相負(fù)荷電流通過，造成設(shè)備外露可導(dǎo)電部分帶電。如果PEN線斷線，外露可導(dǎo)電部分帶電會存在人身觸電的危險。另外，PEN線電流會對設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。所以TN-C系統(tǒng)不適合于場所內(nèi)對安全性要求高的場合。
在2類場所中，TN系統(tǒng)僅用于下列回路：手術(shù)臺驅(qū)動機(jī)構(gòu)的供電電路；X光機(jī)回路(移入2類場所的移動式X光機(jī))；額定功率大于5kV·A的大型設(shè)備回路；不重要的電氣設(shè)備回路。IT統(tǒng)用于下列回路：電氣設(shè)備回路；支持生命的系統(tǒng)回路；外科手術(shù)設(shè)備回路；其他處于“患者區(qū)域”的電氣設(shè)備回路。選擇IT系統(tǒng)來達(dá)到高的可靠性和安全性的原因如表1所示。
表1 TN系統(tǒng)與IT系統(tǒng)比較
2 IT系統(tǒng)的設(shè)計與注意事項
1. IT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
IT系統(tǒng)的電源要使用獨立電源，例如：配電/隔離變壓器、發(fā)電機(jī)組、電池和UPS。通常使用較多的是隔離變壓器。圖1為IT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，隔離變壓器后為IT系統(tǒng)，IT系統(tǒng)內(nèi)帶電導(dǎo)體和地之間沒有直接的連接，所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分要與地連接。在單相IT系統(tǒng)中，變壓器二次側(cè)無所謂相線和 N線之分，都是帶電導(dǎo)體。
2.設(shè)計注意事項
(1)常用單相IT系統(tǒng)，慎用三相IT系統(tǒng)
在GB 16895.24-2005/IEC 60364-7-710:2002規(guī)定："用于移動式和固定式設(shè)備的IT系統(tǒng)應(yīng)采用單相變壓器。如果也需要通過IT系統(tǒng)供電給三相系統(tǒng)，則應(yīng)采用單獨的三相變壓器供電，其輸出線電壓不應(yīng)超過250V。”般在2類場所中，IT系統(tǒng)的負(fù)荷為照明、設(shè)備，都為單相用電設(shè)備。如果在某些場所需要三相IT負(fù)荷，就需要增加380/220V的降壓變壓器。但是當(dāng)三相IT系統(tǒng)相發(fā)生單相接地故障時，非故障相對地電壓升高到原來相電壓的√3倍，也就是380V。這樣在選擇線纜和設(shè)備時要特別關(guān)注耐壓水平。目在IT系統(tǒng)中很少使用三相IT系統(tǒng)。
(2)絕緣監(jiān)視儀的使用
1)絕緣監(jiān)視儀的工作原理。絕緣監(jiān)視儀在連接帶電導(dǎo)體和地之間疊加了個測量電壓UM，當(dāng)發(fā)生絕緣故障時，絕緣故障RF產(chǎn)生個與絕緣故障成正比的測量電流IM。測量電路在測量電阻RM上產(chǎn)生個相應(yīng)的電壓降，這個測量電阻是通過絕緣監(jiān)視儀的電子電路估算的。如果UM超過特定的值(相當(dāng)于絕緣電阻降到特定值)，就要輸出報警信號。絕緣監(jiān)視儀在發(fā)生單相接地故障時，絕緣監(jiān)視儀報警。當(dāng)發(fā)生二次接地故障時(此時即為兩相短路)，保護(hù)電氣設(shè)備動作，切斷電路。
2)絕緣監(jiān)視儀響應(yīng)值的設(shè)定。工作原理如圖2所示。當(dāng)操作絕緣監(jiān)視儀的時候，要保證相關(guān)IT系統(tǒng)的全部絕緣電阻被測量。這個絕緣電阻的計算要加上所有并聯(lián)引出線的接地電阻漏電流。絕緣監(jiān)視儀的響應(yīng)值應(yīng)該近似按100Ω/V進(jìn)行設(shè)定。如果絕緣監(jiān)視儀安裝于現(xiàn)有系統(tǒng)中，建議將響應(yīng)值近似按50Ω/V進(jìn)行設(shè)定。提及個值得注意的問題，絕緣監(jiān)視儀會在不是真正發(fā)生絕緣故障的時候報警，這可能是由于潮濕引起的(在絕緣監(jiān)視儀很長時間沒有使用的情況下)。旦絕緣監(jiān)視儀恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)后，通常會由于操作溫度達(dá)到要求后潮濕情況的消失，絕緣電阻會自動升高。如表2所示列舉了不同家標(biāo)準(zhǔn)對絕緣電阻響應(yīng)值的要求。在設(shè)計中遵循標(biāo)的要求，當(dāng)絕緣電阻降至50kΩ時，應(yīng)發(fā)出報警信號。
圖2 絕緣監(jiān)視儀工作原理
表2 不同家標(biāo)準(zhǔn)對絕緣電阻響應(yīng)值的要求
3)絕緣監(jiān)視儀的保護(hù)。大多數(shù)絕緣監(jiān)視儀都是通過兩條導(dǎo)線與系統(tǒng)相連，在原理上，絕緣監(jiān)視儀需要用熔斷器進(jìn)行保護(hù)。如果線纜上沒有接頭和插座設(shè)備，過載現(xiàn)象不會發(fā)生，所以不需要過載保護(hù)，只需要短路保護(hù)。對于本德爾公司的絕緣監(jiān)視儀，建議用6A的熔斷器保護(hù)。
4)絕緣監(jiān)視儀與地的連接。絕緣監(jiān)視儀要可靠接地，否則無法對絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)測。本德爾公司的絕緣監(jiān)視儀需要用兩條獨立的導(dǎo)線連接E 和NE端子到母排上。
(3)變壓器的保護(hù)與負(fù)載的保護(hù)
BG 16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002規(guī)定：“IT系統(tǒng)變壓器的進(jìn)出線不允許裝設(shè)過載保護(hù)，但可以用熔斷器做短路保護(hù)。”如果用斷路器做短路保護(hù)，要選擇單磁型的斷路器。目ABB公司的260M斷路器與施耐德公司的
C65H ICB微型斷路器可以滿足短路保護(hù)但不能滿足過載保護(hù)。圖1中變壓器進(jìn)線處和終端負(fù)載回路都用單磁型斷路器。另外絕緣監(jiān)視儀需要對變壓器的過負(fù)荷和溫度進(jìn)行監(jiān)視。
(4)IT系統(tǒng)必須配出PE線
IT系統(tǒng)的本質(zhì)是設(shè)備外露可導(dǎo)電部分要接地，所以IT柜要配出PE線。在IT系統(tǒng)的設(shè)計中，有人提出這根PE線是否可以與TN—S系統(tǒng)的PE線合用，能否單獨敷設(shè)IT系統(tǒng)的PE線到整個建筑的MEB，經(jīng)過本文作者與電工委員會(IEC)編者的溝通，這根PE線可以跨接隔離
變壓器與TN—S系統(tǒng)合用，TN—S系統(tǒng)不會對IT系統(tǒng)產(chǎn)生影響。
(5)絕緣故障定位
場所的IT系統(tǒng)安全級別要求很高，旦發(fā)生絕緣故障，迅速找出故障點往往是用戶比較關(guān)心的問題。這樣就需要在絕緣監(jiān)視儀報警后，快地實現(xiàn)故障定位。絕緣故障定位可以防止電擊、避免火災(zāi)的危險及避免控制回路的故障。
絕緣故障定位常用的方法是手動定位和自動定位。手動定位是電氣維護(hù)人員使用儀器到現(xiàn)場進(jìn)行測試，找出故障點；自動定位就是將絕緣故障定位儀器安裝于IT系統(tǒng)內(nèi)，實現(xiàn)在線式監(jiān)測，減少人力。選擇絕緣故障定位方式，應(yīng)實現(xiàn)既可以快速找出故障點，又可以減少投資，使用IT系統(tǒng)的場所為手術(shù)室、ICU 和CCU等，在設(shè)計中，般個手術(shù)室配個 &; 配電柜，發(fā)生絕緣故障時范圍比較小，采用手動定位的方式很快就能查到故障點。如果是面積比較大的ICU病房，采用自動定位的方式比較好，可以迅速地定位故障，便于維護(hù)人員排除故障。
(6)輔助等電位聯(lián)結(jié)
從安全防護(hù)角度出發(fā)1類和2類場所的輔助等電位聯(lián)結(jié)也是必需的。IT系統(tǒng)要配以輔助等電位聯(lián)結(jié)來保證“患者區(qū)域”內(nèi)不同金屬導(dǎo)體的電位相等。
3.安科瑞IT系統(tǒng)的介紹及選型
3.1概述
隨著電子設(shè)備在醫(yī)院領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(guān)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(dǎo)致病人觸電身亡。另外有些設(shè)備用于維持重癥病人的生命，旦設(shè)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(shè)計，應(yīng)嚴(yán)格按照家標(biāo)準(zhǔn)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(hù)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。
3.2 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(shè)置在醫(yī)院電氣運行和維護(hù)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(jìn)行監(jiān)控，旦某套IT系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電氣維護(hù)人員也能馬上做出判斷，并根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行處理。
3.2.1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D
圖3產(chǎn)品拓?fù)鋱D
3.2.2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(shè)計，軟件具有遠(yuǎn)程測量、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)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(qiáng)大的系統(tǒng)集成工具。軟件的主要功能如下圖4：
圖4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(dá)現(xiàn)場進(jìn)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(fù)荷電流、變壓器繞組溫度及絕緣故障回路等如圖5；
■ 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(jìn)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(guān)人員，進(jìn)行故障處理。其中，聲音報警信號可被手動消除。
■ 遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和查詢
通過系統(tǒng)，可根據(jù)要求遠(yuǎn)程調(diào)整和設(shè)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(fù)載電流報警值和隔離變壓器溫度報警值等如圖6。
■ 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(fù)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(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。
3.3 產(chǎn)品選型
表3 醫(yī)用 IT 系統(tǒng)絕緣監(jiān)測及故障定位產(chǎn)品
| 名稱及型號 | 產(chǎn)品圖片 | 說明 |
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AITR 系列醫(yī)用隔離變壓器 |
| AITR 系列隔離變壓器于 IT 系統(tǒng)，鐵芯采用日本進(jìn)口的硅鋼片疊加而成，損耗很小。繞組間采用了雙重絕緣處理，并設(shè)有靜電屏蔽屏，減少了繞組間的電磁干擾。線包內(nèi)安裝了 PT100 溫度傳感器，用于監(jiān)測變壓器溫度。整體采用真空浸漆處理，增加了機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性。產(chǎn)品具有很好的溫升性能和很低的噪聲。 |
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AIM-M200 智能絕緣監(jiān)測儀 |
| AIM-M200 智能絕緣監(jiān)測儀采用先進(jìn)的微控制器技術(shù)，集成度高，體積小巧，安裝方便，集智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化于身，是手術(shù)室、重癥監(jiān)護(hù)室等2 類場所隔離電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的理想選擇。 |
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AKH-0.66P26 電 流互感器 |
| AKH-0.66P26 型電流互感器是與 AIM-M200 絕緣監(jiān)測儀配套使用的保護(hù)型電流互感器，可測電流為60A，變比是 2000：1，電流互感器采用螺絲直接固定的方式裝于機(jī)柜內(nèi)部，二次側(cè)通過接線柱引出，安裝和使用方便。 |
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AIL100-4/AIL100-8絕緣故障定位儀 |
| AIL100-4/AIL100-8 絕緣故障定位儀采用高靈敏度互感器配合高精度的信號檢測電路，檢測 ASG100 測試信號發(fā)生器注入系統(tǒng)中的信號，準(zhǔn)確定位絕緣故障所在的回路。其中 AIL100-4 絕緣故障定位儀能定位 4 個回2路的絕緣故障，AIL100-8 絕緣故障定位儀能定位 8 個回路的絕緣故障。 |
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ASG100 測試信號發(fā)生器 |
| ASG100 測試信號發(fā)生器采用 32 位微處理器芯片和高精度的信號產(chǎn)生電路，實現(xiàn)特定測試信號的產(chǎn)生。當(dāng)被監(jiān)測的 IT 系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時，能及時啟動并產(chǎn)生測試信號，配合絕緣故障定位儀實現(xiàn)絕緣故障定位。 |
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DR-60-24 電源模塊 |
| DR-60-24 直流穩(wěn)壓電源可同時為 AIM-M200 醫(yī)用智能絕緣監(jiān)測儀、ASG100 測試信號發(fā)生器、AIL100 系列絕緣故障定位儀和 AID200 集中報警與顯示儀等儀表提供直流 24V 電源。該電源功率大、電壓輸出穩(wěn)定、安裝方便，可滿足上述儀表的供電要求，是的電源產(chǎn)品。 |
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AID200 集中報警與顯示儀 |
| AID200 集中報警與顯示儀采用 LCD 液晶顯示，采用自定義協(xié)議的 CAN 通訊接口與 AIM-M200 智能絕緣監(jiān)測儀實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換，可實時監(jiān)控多路 AIM-M200智能絕緣監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)。 |
4.結(jié)束語
IT系統(tǒng)的可靠性和安全性決定了其設(shè)計要嚴(yán)格遵循標(biāo)的規(guī)定。對于場所供電的其他要求，例如供電電源的切換時間要求，在JGJ16—2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》條文說明與BG 16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002附錄B中有詳細(xì)的要求。需要提及的是，《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》條文說明中的內(nèi)容詳盡，在設(shè)計中，我們要依據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》的要求進(jìn)行設(shè)計。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 范麗麗，IT系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用
[2] 安科瑞隔離電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用圖集.2018.9版
[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019.11版
作者介紹：趙娜，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事工業(yè)絕緣監(jiān)測的研發(fā)與應(yīng)用。
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