浅谈医疗用电设备配电系统设计及经济性分析
程瑜
安科瑞
摘要：医疗用电设备的配电系统设计是医院建筑电气设计的关键性部分，其系统可靠性、安全性直接影响医疗效果。通过分析该类负荷的重要性及分类场所中断供电时间等要素，阐述了较为完善的医疗用电配电系统架构，同时从经济性的角度探讨了简化系统、节省造价的可能性和措施。
关键词:医疗用电设备 配电系统 负荷分级 经济性分析
0引言
随着社会经济的高速发展，作为民生项目重要环的医疗资源及水平也得到了各地政府的高度重视，一批批新建医院和既有医院的升级改造项目纷纷投入建设，包括社区医院、综合医院，以及医疗城、医疗集聚区等各种形态。
由于医院内大都是各种用电设备，对用电的依赖性较高，因此可以说电气设计是整个医院建筑设计中的重要环节，其供电可靠性和安全性直接影响医疗效果。而随着现代医疗技术的发展，各种先进的医疗设备和电子仪器不断地投入应用，但因其功能不同，各类设备应用的医疗场所不同，供配电要求也各不相同。因此，针对医院建筑的电气设计问题，本文以笔者主持设计的某三级医院为例，阐述医疗设备分类要求和对应的配电系统设计，并从经济性角度进行优化分析。
1医疗设备负荷分析
医疗用电设备种类繁多，包含大型设备和各类医疗场所的用电设备。常用大型医疗设备可参见表l。
典型医疗场所包括门诊、急诊、手术室、重症监护室、住院、检查、影像、放射等。《医疗建筑电气设计规范》第3章，根据电气安全防护的要求，将医疗场所分为0、1、2三类：0类场所医疗设备与患者不接触，1类场所设备与患者体表和体内(除2类场所所列部位)接触，2类场所设备与患者体内接触、供电中断危及患者生命，具体场所详见《规范》中表3．0．2。其中，该表还对中断供电后的自动恢复时间提出具体要求，分t≤0．5S、0．5s15s三种，对配电系统备用电源及其转换方式有指导意义。
按照常规的负荷分级方式，医疗用电负荷也根据可靠性要求及中断供电的影响进行分级。典型场所内(如急诊抢救室、重症监护室、手术室等)涉及患者生命安全的设备及其照明，属于负荷中特别重要负荷，其他用电分属一、二、三级负荷，具体参见《医疗建筑电气设计规范》第4．2节，此处不～一列举。三级医院应设置应急柴油发电机组，供电给负荷中特别重要负荷，机组承载医疗负荷可参见表2。
注：某些用电如供应不属于特别重要负荷，但与院方协商后，认为终端供电也会影响其他特别重要场所的运行使用，所以也归人发电机组供电。
2医疗设备配电系统设计
在设计配电系统之前，首先要确定供电方案，为配电系统设定好前提条件。三级医院需要两路独立电源，并应设置应急柴油发电机组，供电方案如图1。
配电系统采用放射式与树干式相结合的方式。通常大型医疗设备等单台容量较大的负荷或特别重要负荷采用放射式供电，由变电所低压配电屏直供：当其他负荷等级相同且供电路由合理时，可采用树干式与放射式相结合的供电方式；负荷采用双电源供电，并在末端设置自动切换；二级负荷采用双电源供电并在末端或适当位置切换;其余一般负荷采用单电源供电；断电后恢复供电时间t≤0．5s的负荷，应采用在线式UPS供电，且自备电源维持时间不小于3h；设置了柴油发电机组，应急自动启动时UPS装置应急供电时间应≥lOmin(一般取15min即可)。
综上所述，根据以上对负荷的分析和配电系统的设计要求，将大型医疗设备及各医疗场所用电设备负荷分成以下几类，并分别设置对应的配电系统。
1)1、2类场所，负荷之特别重要负荷，断电后恢复供电时间t≤0．5s。
此类负荷由变电所放射式直供，两路电源(一路与发电机电源先行切换)，末端自动切换，并有UPS做备用。主要负荷有急诊室、手术室、重症监护病房Icu及HDU、产房、血液病房、血透室、DSA辅助电源等场所用电设备，其配电干线如图2所示。
以急诊室医疗用电为例，其配电箱系统图参见图3。
2)l、2类场所，负荷之特别重要负荷，断电后恢复供电时间0．5s
此类负荷配电要求与一类在中断供电时间需求上有差别，发电机能在15s内投入运行并供电即可，自动切换开关ATS(PC级切换时间小于0．6s)能满足断电后自动恢复供电时间，无需UPS做备用，除此之外，其余配电系统与一类基本类同。主要负荷有负压吸引站、病理科、检验、生殖以及急诊、手术等场所(除上述第一类之外)的特别重要负荷。
3）1、2类场所，负荷，断电后恢复供电时间0．5s
此类医疗负荷数量多、范围也广，配电系统由两路市电电源在末端自动切换。大型医疗设备和一些重要负荷采用放射式配电，其他负荷采用树干式和放射式混合式配电。大型医疗设备主要是指诊疗用的CT、MRI、DR、DSA、直线加速器等主机设备，其配电干线如图4所示。
4)0、1类场所，二级负荷，断电后恢复供电时间0．5s
此类负荷也需要两路电源，但可以在变电所通过低压母线联络开关切换后单回路配电，又由于中断供电时间要求小于]5s，手动切换的低压母联不能满足时间要求，还是需要双电源自动切换开关ATS来完成两路电源的转换。因此，为避免系统过于复杂，此类负荷的配电干线基本上与上述第三类负荷的树干式配电系统合并，满足要求的同时也简化了系统。
5)其他二、三级负荷，断电后恢复供电时间t>15s
此类负荷配电较为简单，单从切换时间考虑，变电所低压母联就能满足要求，因此通常采用单回路酉己电口可。
至此，各种医疗用电负荷的配电方式及系统形式均已基本阐述完毕，可能还有个别遗漏的设备，但总归还是要按照负荷分级和使用场所及其中断时间的要求具体设计。医院建筑电气设计纷繁复杂的医疗设备配电系统已搭建完成，剩下末端配电的细节也有规范、图集循，限于篇幅，此处不再详述。
3经济性分析
医院建筑的医疗设备数量多、容量大，供配电系统的可靠性和安全性要求高，配电电源及回路需要双重备份，另需要双重电源、配电开关、线路、自动切换开关ATS等，造价成本远高于其他建筑类型。但是，通常建筑电气的设计除满足规范要求的可靠性、安全性外，也需要根据建设方的投入资本，考虑到经济性问题，以求合理地简化系统、节省造价。
对于负荷中特别重要负荷，由于其用电性质的重要性，供配电系统基本没有优化的余地，只能维持前述的系统架构。而对于一、二级医疗负荷，《医疗建筑电气设计规范》第4．3．1条规定，负荷宜在末端配电箱或用电设备处自动切换：二级负荷可在配变电所或总配电箱处切换。
基于此条规定，如果建设方资金有限且得到了业主许可，那么对于树干式配电的两路干线(参看图4的配单干线)，完全可以在线路首端经切换后转为单路干线系统：对于其他双路电源放射式配电到末端的系统，也可以将用电设备按区域、功能、路由等因素合并，在配变电所或区域总配电间处设置双电源切换的配电总箱，然后单回路放射式配电至用电设备。经此优化后，系统结构简化，减少了大量备份回路的开关、电缆、ATS等，造价也大为降低。
此外，只有当变电所低压母联开关采用手动切换方式(时间以分钟计算)，不能满足一、二级负荷中断供电时间t≤15s的要求时，才需要在配电回路中加入双电源自动切换开关ATS(切换时间以秒计，PC级小于0．6s)装置，备份电源回路要延伸到二、三级配电处。如果能实现低压母联开关与变压器低压主开关之间的自动切换，且切换时间控制在15s以内，则在理论上，除特别重要负荷外的几乎所有一、二、三级非消防负荷均可以自变电所低压屏单回路配电，从而地简化低压配电系统，节省造价。
4安科瑞医院EMS能效管理系统
4.1平台拓扑图
4.2医院电力监控解决方案
电力监控系统实现对变压器、柴油发电机、断路器以及其它重要设备进行监视、测量、记录、报警等功能，并与保护设备和远方控制及其他设备通信，实时掌握供电系统运行状况和可能存在的隐患，快速排除故障，提高医院供电可靠性。
电力监控系统主要针对开闭所和10/0.4kV变电所，对高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况。同时对医院重要设备如柴油发电机、无功补偿装置、有源滤波装置、UPS、隔离电源系统状态进行监测。
电力监控系统硬件配置
| 应用场合 | 名称 | 系列型号 | 图片 | 功能 |
| 系统后台 | 电力监控软件 | Acrel-2000/Z |
| 数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序拉制、权限管理、車件记录与告營、故障分析、各类报表 | ||||
| 通讯层 | 智能网关 | Anet系列 |
 |
8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。 |
| 35KV、10KV | 微机保护装置 | AM6-x |
 |
相间电流速断保护，相间限时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。 |
| 35KV10KV进线侧 | 电能质量在线监测装置 | APView500 |
| 相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。 | |||
| 35KV/10KV测量 | 多功能网络电力仪表 | APM-520 |
|
具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、电能统计、电能质 量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功 能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的DI/DO模块、AO模 块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控 |
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| 35KV10KV带电显示装置 | 智能操控装置 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏动态显示一次vwin 图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出； | |||
| 35KV10KV弧光保护 | 弧光保护装置 | ARB5-x |
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主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口； 扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号： 弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域； |
|||
| 35KV10KV配电柜 | 无线测温 | ATE400（PT柜选用ATE200） |
 |
监测母线、线缆接头、断路器触臂、触头温度，可通过无线传输至ASD320就地显示，也可以上传至监控系统。电源分为内置电池式和感应取电式，固定方式有螺栓固定，表带式捆绑，测温范围-50℃-125℃，精度±1℃ |
| 0.4KV进线 | 多功能网络电力仪表 | APM-520(96外型) |
|
具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、电能统计、电能质 量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功 能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的DI/DO模块、AO模 块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控 |
||
| 电能质量在线监测装置 | APView500 |
| 相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。 | ||
| 测温监控装置 | ARTM-Pn-E |
| 无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯； | ||||
| 无线测温传感器 | ATE400 |
 |
监测母线、线缆接头、断路器触臂、触头温度，可通过无线传输至ASD320就地显示，也可以上传至监控系统。电源分为内置电池式和感应取电式，固定方式有螺栓固定，表带式捆绑，测温范围-50℃-125℃，精度±1℃ | |
| 0.4KV滤波柜 | 有源谐波治理系统 | AnSin-xxx |
 |
有源电力滤波器井联在含谐波负载的低压配电系統中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿， |
| 0.4KV补偿柜 | 有源无功补偿系统 | AnCos-xxx |
 |
低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中，能根据电网中负载功率因数的变化通过控制器控制电力电容器投切进行补偿,无功功率补偿装置采用散件组成方案，主要以电容电抗、投切开关、控制器等组成。 补偿方式:线性补偿，全响应时间<5ms，瞬时响应时间≤100us;补偿效果:≥0.99，可补偿容性无功和感性无功，滤除5、7、9、11、13次以内的谐波;自身损耗:≤百分之2，效率:>百分之98;监控以及显示具备远程通讯接口，可以通过PC机实时监控;具有人性化的人机交互界面，可通过该界面看到系统和本体的实时电能质量信息，操作简单，可以远控，也可以本控;标准模块化设计，缩短交付周期，同时提高了使用的可靠性和可维护性。 |
| 0.4KV馈线 | 多功能网络电力仪表 | APM-510(72外型) |
|
具有三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ）、电能统计、电能质 量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功 能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的DI/DO模块、AO模 块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控 |
||
| 电气火灾监测模块 | ARCM200系列 |
| 三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cos中)，视在电能、四象限电能计量，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，4路开关量输入，事件记录，内置时钟，点阵式LCD显示，2路独立RS485/Modbus通讯 | ||
| 测温监控装置 | ARTM-Pn-E |
| 无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯； | ||||
| 无线测温传感器 | ATE400 |
 |
合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5安培，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米； | |
| 低压回路 | 电流互感器 | AKH-0.66系列 |
 |
测量型互感器，采集交流电流信号 |
5结束语
医院建筑电气设计离不开可靠性高的供配电系统。本文单独将医疗用电的配电作为论题，剖析影响医疗用电可靠安全性的各要素，形成较为完善的配电系统架构。另一方面又从经济性角度探讨了优化系统、节省成本的可能性，希望能对其他医院项目的设计起到一定的参考借鉴作用。
参考文献：
[1]医疗用电设备配电系统设计及经济性分析 王志翔
[2]余爽．探究 LED显示屏的技术 及其市 场和 产业发 展 [J]．电
子制作 ，2015，(12)：105．
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版．
[4]安科瑞用户变电站变配电监控解决方案2021.10
审核编辑 黄宇
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