容 浩

(中南建筑設計院股份有限公司，武漢 430071)

0 前言

接地及安全防護是建筑電氣設計的一個重要組成部分。對于醫(yī)院而言，由于部分用電的醫(yī)療儀器設備需要直接接觸人體，則用電設備的接地、人員的電擊安全防護就顯得尤其重要。

近段時期中國和歐洲的一些規(guī)范、標準如JGJ 312-2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》、GB 51039-2014《綜合醫(yī)院建筑設計規(guī)范》、GB 16895.21-2011/IEC 60364-4-41：2005《低壓電氣裝置第4-41部分：安全保護 電擊防護》、IEC 60364-4-41：2017《Low-voltage electrical installations - Part 4-41: Protection for safety - Protection against electric shock》、IEC 60364-7-710：2018 CDV《Low voltage electrical installations - Part 7-710: Requirements for special installations or locations - Medical locations》及BS 7671：2008 Amendment 3：2015《Requirements for Electrical Installations - PART 7 Special installations or locations-SECTION 710 Medical locations》等均已或正在更新編制。

上述標準規(guī)范中關(guān)于醫(yī)院的接地安全防護不完全一致，究竟如何實行應值得關(guān)注。本文就針對以下內(nèi)容進行了討論：醫(yī)院的接地、1類2類醫(yī)療場所的電擊防護措施及其特點。

1 醫(yī)院的接地

1.1 醫(yī)療場所分類

根據(jù)JGJ 312-2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》，醫(yī)療場所分為三類，具體如下。

0類：不使用醫(yī)療電氣設備接觸部件的醫(yī)療場所。

1類：醫(yī)療電氣設備接觸部件需要與患者體表、體內(nèi)(除2類醫(yī)療場所所述部件外)接觸的醫(yī)療場所。

2類：醫(yī)療電氣設備接觸部件需要與患者體內(nèi)接觸、手術(shù)室以及電源中斷或故障后將危及患者生命的醫(yī)療場所。

這三類場所的分類及定義與GB 16895.24—2005/IEC 60364-7-710：2002《建筑物電氣裝置第7-710部分：特殊裝置或場所的要求 醫(yī)療場所》的定義是基本一致的。國內(nèi)其他標準規(guī)范也與上述分類和定義一致。

根據(jù)上述規(guī)范，醫(yī)院內(nèi)與病人相關(guān)場的大部分所均為1類醫(yī)療場所，如門診室、病房、各功能檢查室、影像科各檢查室(心血管造影檢查室除外)及理療室等。其他少數(shù)場所為2類醫(yī)療場所，如手術(shù)室、重癥監(jiān)護室ICU、心血管造影檢查室、急診搶救室等。

需要注意的區(qū)別是，IEC的標準中將手術(shù)輔助用房(如術(shù)前準備室、麻醉室、術(shù)后復蘇室等)歸為2類醫(yī)療場所，我國的規(guī)范(如JGJ 312、GB 51039)中則將上述手術(shù)輔助用房歸為1類醫(yī)療場所。

1.2 2類醫(yī)療場所的接地

2類醫(yī)療場所低壓配電系統(tǒng)的接地型式通常采用局部IT系統(tǒng)，同時部分設備采用TN-S或TT系統(tǒng)。2類醫(yī)療場所內(nèi)，由IT系統(tǒng)供電的設備金屬外殼接地與TN-S系統(tǒng)共用接地裝置，圖1～2是以手術(shù)室為例的兩種接地方案。

圖1 醫(yī)院手術(shù)室IT系統(tǒng)接地方案一

圖1引自BS 7671：2008 Amendment 3：2015，由圖中可以看到：(1)左側(cè)引入的電源采用TN-S系統(tǒng)。其中相導體、中性導體接入IT隔離變壓器的原邊，TN-S系統(tǒng)的保護接地導體(PE線)由TN-S電源配電箱的PE端子排引來，該PE線連接IT電源配電箱的PE端子排；(2)IT隔離變壓器的鐵芯、金屬外殼通過IT電源配電箱的PE端子排接地；(3)手術(shù)室內(nèi)輔助等電位聯(lián)結(jié)端子板(SEB)通過截面不小于10mm2的銅導體聯(lián)結(jié)IT電源箱PE端子排；(4)手術(shù)室輔助等電位聯(lián)結(jié)范圍包括：手術(shù)室范圍內(nèi)的手術(shù)臺金屬構(gòu)架、金屬龍頭及管道、無影燈、導電地板的金屬網(wǎng)格等。

圖2 醫(yī)院手術(shù)室IT系統(tǒng)接地方案二

圖2引自BS 7671：2018，由圖中可以看到，圖2與圖1的區(qū)別主要是：(1)手術(shù)室內(nèi)輔助等電位聯(lián)結(jié)端子板(SEB)與IT電源箱PE端子排不直接聯(lián)結(jié)；(2)手術(shù)室輔助等電位聯(lián)結(jié)范圍還包括：外界可導電部分(普通照明燈具外殼)、采用IT系統(tǒng)配電的設備外殼、采用TN-S系統(tǒng)配電的設備外殼。

由圖2可以得到一個結(jié)論，即手術(shù)室SEB需聯(lián)結(jié)手術(shù)室范圍內(nèi)所有可以聯(lián)結(jié)的設備。

1.3 大型醫(yī)療設備的屏蔽接地

醫(yī)院建筑的一個特點是有較多類型的診療設備，這其中包括一些大型診療設備，如醫(yī)用磁共振成像設備(MRI)、醫(yī)用X射線設備(CT機等)、醫(yī)用高能射線設備(電子直線加速器、回旋加速器、中子治療機、質(zhì)子治療機等)、醫(yī)用核素設備(PET—CT等)等。以醫(yī)用磁共振成像設備(MRI)為例，它是一種較新的醫(yī)學成像技術(shù)，采用靜磁場和射頻磁場使人體組織成像，在現(xiàn)代化醫(yī)院中得到了廣泛應用。MRI的屏蔽接地是其機房設計需要著重考慮的因素。

屏蔽接地是指電氣裝置(主要是電子設備)為了防止其內(nèi)部或外部電磁感應或靜電感應的干擾而對屏蔽體進行接地。MRI機房主要考慮靜磁場、梯度磁場和射頻電磁場的屏蔽，其中靜磁場的屏蔽主要采用鐵磁質(zhì)殼體進行屏蔽；梯度磁場主要采用高導磁率材料做成屏蔽殼體；射頻電磁場的屏蔽主要采用一定厚度的金屬板，通過金屬對電磁波的吸收、反射等達到屏蔽效果。

對于MRI機房而言，要做好屏蔽接地需考慮如下具體措施：(1)選址：遠離大型運動金屬(汽車、電梯等)；(2)土建：采用銅板(硅鋼板)形成屏蔽殼體；(3)通風：失超管、緊急排風管等采用不銹鋼等非鐵磁材質(zhì)并采取屏蔽措施；(4)供電：電源設濾波器，采用屏蔽電纜供電；(5)安裝：采用鋁合金橋架(非鐵磁材質(zhì))。

MRI機房的屏蔽測試主要依據(jù)GB/T 12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法》的要求進行。

2 醫(yī)院的電擊防護

根據(jù)GB 16895《低壓電氣裝置》系列標準的相關(guān)規(guī)定，電擊防護的主要保護措施包括：自動切斷電源；雙重絕緣或加強絕緣；向單臺用電設備供電的電氣分隔；特低電壓(SELV 和PELV)。其中自動切斷電源是最常用的一種保護措施。

2.1 自動切斷電源

2.1.1 自動切斷電源時間

本節(jié)主要針對TN系統(tǒng)、IT系統(tǒng)的自動切斷電源時間及保護電壓限值進行探討。表1列出了國內(nèi)規(guī)范、IEC標準及英國標準中對普通場所及醫(yī)療場所自動切斷電源時間的相關(guān)規(guī)定。

TN及IT系統(tǒng)自動切斷電源時間 表1

需注意的是，表1中給出的時間均為最大自動切斷電源時間。由表1可以得出：(1)對于常規(guī)場所，采用TN系統(tǒng)供電時，在IEC 60364-4-41：2005至IEC 60364-4-41：2017中的自動切斷電源時間一致，如交流220V的切斷時間均為0.4s。(2)對于1類、2類醫(yī)療場所，采用TN系統(tǒng)供電時，國內(nèi)外各規(guī)范標準間、同一標準的新舊版本對自動切斷電源時間的規(guī)定也不完全一致。(3)對于1類、2類醫(yī)療場所中采用TN系統(tǒng)供電的設備，IEC 60364-7-710：2018 CDV中已經(jīng)規(guī)定，當設有輔助等電位聯(lián)結(jié)時，其自動切斷電源時間與普通場所的自動切斷電源時間一致。(4)對于IT系統(tǒng)，尤其是醫(yī)院2類醫(yī)療場所的IT系統(tǒng)，由于隔離變壓器容量較小，其二次側(cè)短路電流也較小，應仔細復核其短路電流靈敏度等參數(shù)。

2.1.2 自動切斷電源的其他要求

(1)接觸電壓限值

根據(jù)IEC 60364-7-710：2002的規(guī)定，對于1類、2類醫(yī)療場所，采用IT、TN、TT系統(tǒng)供電時，其約定接觸電壓限值UL應≤25V(交流)。對于接觸電壓有三個概念，主要包括以下內(nèi)容。

1)預期接觸電壓(prospective touch voltage)：人或動物尚未接觸可導電部分時，這些可能同時觸及的可導電部分之間的電壓。

2)約定接觸電壓限值(conventional prospective touch voltage limit)：在規(guī)定的外界影響條件下，允許無限定時間持續(xù)存在的預期接觸電壓的最大值。

3)有效接觸電壓(effective touch voltage)：人或動物同時接觸到兩個可導電部分之間的電壓。有效接觸電壓值可能會受到與可導電部分發(fā)生電接觸的人或動物的阻抗明顯的較大影響。

應當注意的是，其規(guī)定的約定接觸電壓UL≤25 V是指接觸電壓的安全限值，不等于發(fā)生故障時實際可能達到的預期接觸電壓，而是要求通過自動切斷電源的時間內(nèi)所允許的故障電壓≥UL時，才可視為滿足安全要求。

(2)額定電流適用范圍

在IEC 60364-4-41：2017中，對于TN及TT系統(tǒng)，采用自動切斷電源保護措施的適用范圍中，其插座回路擴充到回路額定電流大于63A均適用。而在IEC 60364-7-710：2002及2018年CDV版中，插座回路的額定電流依然為不大于32A。

(3)輔助等電位聯(lián)結(jié)范圍

盡管在IEC 60364-7-710：2018 CDV版中關(guān)于1類、2類醫(yī)療場所的輔助等電位聯(lián)結(jié)范圍較之前的版本并無變化，但是根據(jù)IEC 60364-4-41：2017及BS 7671-710：2018的規(guī)定，1類、2類醫(yī)療場所的輔助等電位聯(lián)結(jié)范圍包括了固定設備可同時觸及的外露可導電部分(simultaneously accessible exposed-conductive-parts of fixed equipment)、外界可導電部分(extraneous-conductive-parts)、保護導體及其他所有可以聯(lián)結(jié)的設備。

由此可以得到的結(jié)論是：1類、2類醫(yī)療場所設置輔助等電位聯(lián)結(jié)(SEB)是必要的，且SEB將聯(lián)結(jié)范圍內(nèi)一切可以聯(lián)結(jié)的設備等。

2.2 醫(yī)用IT系統(tǒng)與電氣分隔的異同

2.2.1 醫(yī)用IT系統(tǒng)

2類醫(yī)療場所中，IT系統(tǒng)已成為標準配置，圖3為醫(yī)院手術(shù)室配電系統(tǒng)方案示例。

圖3 醫(yī)院手術(shù)室配電方案示例

在圖3中，W1回路后的配電系統(tǒng)為醫(yī)用IT配電系統(tǒng)，W2～W10回路為TN-S配電系統(tǒng)。

2.2.2 電氣分隔

電氣分隔(electrical separation)也是電擊防護的基本措施之一。

本文中電氣分隔是指采用隔離變壓器供電的方式。電氣分隔配電的特點是故障保護，即將被分隔回路與其他回路和與地之間做簡單分隔。在被分隔回路帶電部分的任一點上不應與其他回路的帶電部分、地以及保護導體相連接。為確保電氣分隔，不同回路之間應具有基本絕緣。圖4為電氣分隔示例。

圖4 電氣分隔示例

2.2.3 醫(yī)用IT系統(tǒng)與電氣分隔的異同

2類醫(yī)療場所的醫(yī)用IT系統(tǒng)也設有隔離變壓器，因此與電氣分隔從電路上有類似之處，但其應用范圍、保護方式等有根本區(qū)別，表2列出了兩者之間的異同。

醫(yī)用IT系統(tǒng)與電氣分隔比較 表2

表2總結(jié)了醫(yī)用IT系統(tǒng)與電氣分隔的異同點。由上表可知：(1)兩者保障人身安全的原理不同。由于醫(yī)用IT系統(tǒng)二次側(cè)所供電的電氣裝置的外露可導電部分需通過與PE線聯(lián)結(jié)而作保護接地，因此為防止一次側(cè)的故障電壓隨保護導體(PE線)或其他帶電部分傳導至二次側(cè)，二次側(cè)帶電導體需絕緣、不允許接地，不設置PE線。(2)基于上述原則可知，醫(yī)用IT系統(tǒng)的核心設備是隔離變壓器和絕緣監(jiān)視裝置(見圖3)，這是由其服務對象決定的。為保障供電連續(xù)性，2類醫(yī)療場所采用IT系統(tǒng)供電，其目的是在發(fā)生第一次接地故障時上級電路不跳閘，在此期間系統(tǒng)仍能正常運行。因此需設置絕緣監(jiān)視裝置，以便及時發(fā)現(xiàn)接地故障點，及時排除故障，維持系統(tǒng)正常運行。而電氣分隔常用于需要有限供電的場所，是否設置絕緣監(jiān)視裝置不是首要考慮。(3)基于以上兩點可知，醫(yī)用IT系統(tǒng)適用于需同時保障人身安全及供電連續(xù)性的場所。而電氣分隔主要側(cè)重于保障人身安全，供電連續(xù)性不是主要考慮因素。

2.3 不同電壓等級醫(yī)用IT系統(tǒng)的應用

國內(nèi)醫(yī)院手術(shù)室、ICU等處設置的醫(yī)用IT系統(tǒng)中，隔離變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電壓通常為單相220V(交流)。

2.3.1 概況

筆者所在單位于2015年在南美洲蘇里南承接了瓦尼卡醫(yī)院援建項目。經(jīng)過考察，蘇里南當?shù)氐蛪号潆娤到y(tǒng)采用三相四線制220V，頻率60Hz。當?shù)卣彰?、空調(diào)、風機、水泵等均采用三相220V供電，接線方式主要有三相五線220V、三相四線220V、兩相三線220V、單相兩線127V，具體為： 三相220V 3P(L1,L2,L3)；兩相220V 2P(L1,L2)/(L2,L3)/(L3,L1)；單相127V 1P(L1,N)/(L2,N)/(L3,N)。

根據(jù)當?shù)厥褂昧晳T，醫(yī)院醫(yī)用設備帶上需同時安裝220V、三孔和127V、三孔的插座。

由于其使用的中小型醫(yī)療設備均為進口，不能按單一電壓進行控制，因此要求采用兩種電壓的插座。

2.3.2 不同電壓等級醫(yī)用IT系統(tǒng)的應用

基于上述情況，筆者所在單位擬在手術(shù)室采用雙電壓IT系統(tǒng)，即IT隔離變壓器同時提供220V及110V(或120V)兩種輸出電壓。最初設想的方案為副邊采用單繞組雙抽頭隔離變壓器方案，具體如圖5所示。

圖5 隔離變壓器接線

經(jīng)與外方醫(yī)用IT系統(tǒng)專業(yè)供應商溝通，外方同意采用此方案，具體如圖6所示。

圖6 雙電壓醫(yī)用IT系統(tǒng)方案一

在上述方案中，可以只設一臺隔離變壓器，輸出兩種電壓；其絕緣監(jiān)視裝置分別設置在兩個輸出電壓端；且整套系統(tǒng)安裝在一臺IT電源柜中。在進一步溝通時，外方供應商明確此方案的隔離變壓器容量為25kVA，且外方供應商不愿定制其他容量的隔離變壓器方案。但由于不滿足規(guī)范要求，最終未采用此方案。

在溝通后決定采用方案二，如圖7所示。

在方案二中，采用了兩套獨立的隔離變壓器，每臺隔離變壓器容量為5kVA，隔離變壓器的副邊輸出電壓分別選擇為220V、120V。兩套系統(tǒng)安裝在一臺IT電源柜中，分別設置絕緣監(jiān)視裝置。

3 結(jié)束語

圖7 雙輸出電壓醫(yī)用IT系統(tǒng)方案二