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針對醫療場所電源配置及供配電設計解決方案
更新時間：2023-02-27點擊次數：1869次
針對醫療場所電源配置及供配電設計解決方案
任運業
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對不同醫療場所，結合醫療負荷分級，從維持供電時間和恢復供電時間的角度分析相應的電源配置和配電措施，以構建適合醫療場所的可靠供配電系統。
關鍵詞：醫療場所；電源配置；安全電源；維持供電；負荷分級；恢復供電；主結線；配電措施
0前言
醫療建筑用電設備種類繁多，用途各異，為確保對患者實施及時的診斷、搶救、治療，供電的可靠性要求高于普通建筑；同時，在整個診斷、搶救、治療過程中，患者和醫務人員都會面對不同的醫療電氣設備，如何保障安全用電顯得尤為重要。醫療建筑中電氣系統須以安全、可靠為原則。在對患者實施診斷、搶救、治療以及醫院的整個營運過程中，從維持
供電時間和恢復供電時間的角度，需要采取相應的電源配置及配電措施，確保重要負荷供電的連續性，避免對生命安全、人身安全造成影響。
1醫療場所電源配置及供配電系統原則
醫療場所分類及自動恢復供電時間參照了現行國家標準GB16895. 24 - 2005 《建筑物電氣裝置第7 - 710部分：特殊裝置或場所的要求醫療場所》 和 IEC 60364 - 710： 2018 《Requirements for special installations or locations - Medical locations》。
醫療場所分類體現了醫療場所在電氣安全方面對患者的影響。如果正常電源發生故障，安全電源應通電，以在規定的時間內和預定的轉換期內，為安全設施供電［1］。從恢復供電時間要求角度，把醫療場所安全電源分為 4 類，見表 1。對于醫療場所的電源配置和供電措施具有具體指導意義和實際可操作性。
而國內標準 JGJ 312 - 2013《醫療建筑電氣設計規范》則結合負荷分級、自動恢復供電時間和維持供電時間的角度對醫療場所電源配置及供配電措施提出要求，以滿足醫療場所內自動恢復供電時間及供電可靠性要求。負荷分級是國內電氣設計一個通行原則。
可以說負荷分級從電源配置和供電系統的角度對醫療場所的供電安全和系統造價予以約定，而醫療場所自動恢復供電時間則從配電措施角度，對醫療場所允許中斷供電時間予以明確，二者相互補充。在實際項目中，應將二者兼顧構建合理的電氣系統。
表1 醫療場所安全電源分類
2醫療場所電源類型
JGJ 312 - 2013 將醫療場所供電電源分成工作電源、備用電源、應急電源 3 大類。根據不同項目規模、醫院等級，3 種電源有不同的組合方式，如圖 1 所示。
2.1備用電源
根據 JGJ 312 規定醫療場所備用電源可以是另一路市電或自備應急電源。而自備應急電源可以是獨立于正常電源的柴油發電機組、蓄電池、干電池。備用電源在 GB 16895. 24 - 2005、GB 51039 - 2014 《綜合醫院建筑設計規范》 和 IEC 60364 - 710：2018 中又稱為安全電源。備用電源需滿足以下 3 個條件：
a.電容容量。作為備用電源，當正常電源故障時，其電源容量應能滿足醫療場所中全部一、二級負荷的供電容量。
圖1 醫療場所的電源配置類型
b. 恢復供電時間。備用電源恢復供電時間應滿足醫療場所中自動恢復供電的時間要求；IEC 60364- 710：2018 附錄 B 及 JGJ 312 - 2013 表 3. 0. 2 中有具體描述和要求。
c. 維持供電時間。對于要求恢復供電時間不大于0. 5s的設備對應的醫療場所一般可以在3 h 內完成醫療處理工作，故要求其備用電源供電維持時間不應小于 3 h。
2.1.1第二路市電作為備用電源
當第二路市電作為備用電源時，其電源容量及維持供電時間能比較容易滿足備用電源要求。在于恢復供電時間的要求，通常對于 0. 5 級負荷，會采用增設 UPS 供電。而 15 級的負荷，其供電方案視市電的運行情況而定。當市電為同時工作互為備用運行方式時，對于 15 s 內自動恢復供電的設備采用分別來自兩臺變壓器的 2 個供電回路，末端進行雙電源切換供電，能滿足 15 級負荷的切換時間要求；當市電為一用一備運行方式，備用電源則需考慮設置備自投，否則不能滿足 15 級負荷的恢復供電時間要求。
2.1.2柴油發電機作為備用電源
當采用柴油發電機作為備用電源時，柴油發電機容量為滿足容量要求，機組容量相對來講會比較大。無特殊情況下，對于規模較大的醫院不考慮此方案。從恢復時間角度，發電機在 15 s 內啟動帶載，可滿足15 級負荷要求。從維持時間角度，需考慮設置室外儲油罐或協議供油的方式，以滿足 24 h 供電時間要求。
2.2應急電源
JGJ 312 - 2013 要求，三級醫院應設置應急柴油發電機組，二級醫院宜設置應急柴油發電機組作為應急電源。應急電源的供電容量應保證一級負荷中特別重要的負荷用電，并宜保證一級負荷的用電。可見，應急電源是針對于特別重要負荷而設置，同時其他重要負荷亦可接入發電機供電系統。對于柴油發電機組的供油時間，三級醫院應大于 24 h，二級醫院宜大于12 h，二級以下醫院宜大于 3 h；因二級以下醫院主要考慮生命支持系統，這與備用電源對于要求恢復供電時間不大于 0. 5 s 場所及設備需維持 3 h 的要求是吻合的。
當市電作為備用電源時，柴油發電機組作為應急電源，此時柴油發電機組供電容量應保證一級負荷中特別重要的負荷用電，并宜保證一級負荷的用電。
當柴油發電機組作為備用電源時，柴油發電機組兼顧備用電源及應急電源角色，其情況與第2.1.1條相同。
2.3 醫療場所典型電源配置方案
由于備用電源、應急電源的切換有固有時間需求，醫療場所中對于恢復供電時間為0.5級的特別重要負荷 （生命支持設備）和恢復供電時間 0級設備（主要指醫療電子設備） 需要另行配置UPS電源來作為供電連續性的保障。結合前文分析，醫療場所典型電源配置方案見表2。
3 典型醫療場所供配電措施
以表2方案一為例，其對應的供配電系統主結線方案如圖 2 所示。該方案可滿足大型三級醫療建筑的供電要求，系統主要有以下特點：
表 2 醫療場所典型電源配置方案
圖 2 典型醫療場所供配電主結線示意圖
表 3 典型醫療場所的配電措施
注：表中標注“*"的部分為高于規范要求的措施，在實際項目中基于醫院要求可能會采用該配置方式，具體實施工程中可與醫院進行溝通和討論。
a. 從電源配置的角度：采用雙重 10 kV 電源+ 柴油發電機，市電運行方式為同時工作，互為備用。柴油發電機作為應急電源，主要供特別重要負荷和部分一級負荷。
b. 從電源維持時間的角度：正常情況市電作為備用可滿足 24 h 要求。柴油發電機可采用設置室外儲油罐或協議供油方式，滿足應急電源的維持供電時間要求。
c. 從負荷分級及恢復供電時間的角度：低壓系統采用單母線分段接線，并設置獨立的消防應急段、普通負荷保障母線段、特別重要負荷母線段。
① 對于消防負荷采用雙電源末端切換供電，其中備用回路取自消防應急段，負荷 G。
② 對于一級負荷，采用雙電源末端切換供電（負荷 B）。若一級負荷需要發電機保障，則其備用回路取自普通負荷保障段 （負荷 D）；若一級負荷恢復供電時間為 0. 5 s 或 0 s，末端需設置 UPS （負荷 F）。
③ 對于特別重要負荷，設置特別重要負荷保障母線段，采用雙電源末端切換供電，其中備用回路取自特別重要負荷保障段 （負荷 C）。
④ 滿足運營要求的非一級負荷，采用油機保障段單回路供電 （負荷 E）。
⑤ 對于恢復供電時間為 15 s 的非一級負荷，采用來自 2 臺變壓器的回路末端切換供電 （負荷 A）。
⑥ 對于二、三級負荷，采用單回路供電。根據前面分析，基于表 2 和圖 2，針對大型三級
醫療建筑典型醫療場所的配電措施，如表 3 所示 （見上頁）。表中包含典型醫療場所用電設備以及公用設施設備。醫療場所參照 JGJ 312 - 2013 表 3. 0. 2 進行劃分。
4安科瑞AcrelEMS-MED醫院能源管理平臺
4.1平臺概述
AcrelEMS-MED醫院能源管理平臺充分結合《醫療建筑電氣設計規范》《綠色醫院建筑評價標準》、《醫院建筑能耗監管系統建設技術導則》等行業規范、根據醫院用戶需求以及能源管理部門要求，采集分析能源、能耗、能效數據，監測以電能質量、智慧用電相關指標以及其他用能指標，并與國家能源政策與用能模式改革結合。能夠輔助醫院后勤管理人員進行能源供應系統及設備的運行管理工作，幫助醫院管理層實時掌握醫院的能耗情況，為醫院能源信息化建設和節能管理提供了良好的技術平臺。
4.2平臺組成
安科瑞醫院能源管理系統建立基于云平臺的“監、控、維"一體化的能源管理系統，從數據采集、設備控制、數據分析、異常預警、運維派單、系統架構和綜合數據服務等方面的設計，幫助醫院后勤管理部門了解醫院能源運行情況，關注消防和電氣安全，及時預警異常情況，提高運維效率。它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所運維云平臺，配電房綜合監控系統，能耗管理系統，智能照明控制系統，智慧消防平臺，電氣火災監控系統，消防設備電源監控系統，防火門監控系統，消防應急照明和疏散指示系統，充電樁管理系統，電能質量治理解決方案，醫療隔離電源解決方案。
4.3平臺拓撲圖
4.4平臺子系統
4.4.1醫院電力監控解決方案
電力監控系統實現對變壓器、柴油發電機、斷路器以及其它重要設備進行監視、測量、記錄、報警等功能，并與保護設備和遠方控制中心及其他設備通信，實時掌握供電系統運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高醫院供電可靠性。
電力監控系統主要針對開閉所和10/0.4kV變電所，對高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況。同時對醫院重要設備如柴油發電機、無功補償裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源系統狀態進行監測。
4.4.2醫院變電所運維云平臺解決方案
AcrelCloud-1000電力運維云平臺采用多功能電力傳感器、無線通信、邊緣計算網關及大數據分析技術，通過智能網關采集現場數據并存儲在本地，再定時向云平臺推送數據。平臺采集的數據包括變電所回路電氣參數和變壓器溫度、環境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門禁等信息，有異常發生10S內通過短信和APP發出告警信號。平臺通過手機APP下發運維任務到工作人員手機上，并通過GPS跟蹤運維執行過程進行閉環，提高運維效率，即時發現運行缺陷并做消缺處理。
4.4.3醫院配電房綜合監控系統解決方案
Acrel-2000E配電室綜合監控系統，可實現開關柜運行監控、高壓開關柜帶電顯示、母線及電纜測溫監測、環境溫濕度監測、有害氣體監測、安防監控，可對燈光、風機、除濕機、空調控制等設備進行聯動控制。實現動力環境各數據的檢測與設備控制，優化動力環境，避免運行環境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長設備使用壽命，實現配電動力環境的分布式遠程管理。
4.4.4醫院能耗管理系統解決方案
對建筑各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統計和分析。能夠合理的確定各科室建筑能耗經濟指標及績效考核指標，發現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動節能的意識。
① 搭建醫院智慧能源管理系統的基本框架，對各個用能環節進行實時監測；
② 排碳數據化：通過系統可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；
③ 區域能效比：實現建筑單位內區域能耗對比，方便能耗考核；
④ 同期能效比：實現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；
⑤ 能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；
⑥ 能耗競爭排名：各個科室能耗對比，實現能耗排名，增強全院工作人員的節能意識；
⑦ 對能耗的使用數據進行綜合的分析、統計、打印和查詢等功能，并根據能耗監測管理系統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據；
⑧ 能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統信息化、自動化水平。
4.4.5醫院智能照明控制系統解決方案
醫院人流比較密集，科室較多，照明用電在醫院電能消耗中約占到15%左右。所以合理使用照明控制系統，在提升醫生和患者的體驗情況下大程度使用自然光照明，通過感應控制做到人來燈亮，人走燈滅或保持地強度照明，盡量解決照明用電。
ASL1000智能照明控制系統可以實現場景控制、時間控制、區域控制、光照度感應控制以及紅外感應控制等多種控制方式，能有效避免公共區域的照明浪費，還可以幫助醫院管理照明。
系統在配電箱內的模塊主要有總線電源、開關驅動器、IP網關、耦合器、干接點輸入模塊等。這些模塊使用35mm標準導軌安裝。
安裝在控制現場的模塊主要有光照度傳感器、紅外傳感器和智能面板。有人經過可以設定紅外感應控制亮燈，人離開后在設定的時間內熄燈，智能面板等手動控制設備，可實現自動控制、現場控制和值班室遠程控制相結合。
4.4.6醫院智慧消防平臺解決方案
智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統化"需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。
4.4.7醫院電氣火災監控系統解決方案
電氣火災監控系統作為火災自動報警系統的預警子系統，由電氣火災監控主機、電氣火災監控單元、剩余電流式電氣火災探測器以及測溫式電氣火災探測器組成，通過現場總線構成一套完整的預防電氣火災的監控系統，數據可集成至企業消控室監控系統。
? 醫院電氣火災監控系統以建筑為單位設置，采集數據后上傳至值班室監控主機，實現對建筑電氣安全預警。現場設置的傳感器監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，異常時實時發出報警信號，關注門診樓、住院樓、醫技樓等區域漏電或者電纜發熱等問題。
4.4.8醫院消防設備電源監控系統解決方案
醫院消防安全非常重要，消防設備比較多，消防設備電源監控系統主要功能就是用于監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。
消防設備電源監控監控系統采用消防二總線，以建筑為單位設置區域分機采集消防設備電源狀態，區域分機通過二總線接收多臺傳感器的電壓、電流信息和開關狀態信息，以此實現對消防設備電源工作狀態的實時監視。
4.4.9醫院防火門監控系統解決方案
醫院防火門數量比較多，由于部分區域經常有人走動，常開常閉防火門數量都不少，防火門監控系統的作用就是監測防火門開閉狀態，在發生火災后自動關閉常開防火門，防止煙霧擴散。防火門監控系統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，用于監測和控制防火門狀態，當防火門發生異常位置信號時，防火門監控器能發出故障報警信號，指示故障報警部位并保存故障報警信息。發生火災時，關閉事故區域所有常開防火門，防止煙霧向安全區域擴散。
4.4.10醫院消防應急照明和疏散指示系統解決方案
醫院人員流動性強，密度大，消防比較復雜，一旦發生火災，疏散指示系統非常重要。消防應急照明和指示系統可以和火災報警系統聯動，提供應急照明和疏散路徑指示，指引人群快速找到疏散出口，并可以一鍵選擇疏散應急預案，提升人員逃生概率。
4.4.11醫院有源諧波治理系統解決方案
都是諧波源，比如X光機、CT機等都會產生大量諧波，諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于醫院的精密化驗設備可能會產生干擾。
為了消除配電系統諧波對醫院設備的影響，方案配置AnSinI有源濾波器，濾除電網2~31次諧波干擾。
AnSinI系列有源電力濾波裝置，以并聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償。
4.4.12醫院充電樁系統解決方案
醫院停車場有電動汽車和電動自行車，均需要提供充電樁。充電樁管理系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，解決物業、用電管理部門的充電樁使用、監控問題。電動自行車充電可采用投幣、掃碼充電方式，電動汽車支持IC卡和掃碼充電方式。遠程充電樁系統可實時遠程完成啟動充電、強制停止、單價設置等控制指令，用戶可通過APP、微信、支付寶小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；能夠遠程控制，提供財務報表和數據分析等功能。
4.4.13醫院醫療隔離電源解決方案
《民用建筑電氣設計規范》14.7.6.3條明確規定：在電源突然中斷后，重大醫療危險的場所，應采用電力系統不接地（IT系統）的供電方式。同時《醫院潔凈手術部建筑技術規范》GB50333-2002中規定：2類醫療場所在維持患者生命，外科手術和其他位于患者周圍的電氣裝置均應采用醫用IT系統。如：搶救室（門診手術室）、手術室、心臟監控治療室、導管介入室、血管照影檢查室等。
安科瑞電氣股份有限公司的醫療隔離電源解決方案是針對醫療Ⅱ類場所的供電需求而開發設計的，能夠很好的滿足各類手術室和重癥監護室對電源安全性和可靠性的要求，并符合國家相關標準。
4.5相關平臺部署硬件選型清單
4.5.1電力監控系統硬件配置
4.5.2變電所運維云平臺硬件配置
4.5.3電房綜合監控系統硬件配置方案
4.5.4能耗管理系統硬件配置方案
4.5.5智能照明控制系統硬件配置方案
4.5.6智慧消防平臺硬件配置方案
4.5.7電氣火災監控系統硬件配置方案
4.5.8消防設備電源監控系統硬件配置方案
4.5.9防火門監控系統硬件配置方案
4.5.10消防應急照明和疏散指示系統硬件配置方案
4.5.11有源諧波治理系統硬件配置方案
英寸大屏慕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護。
4.5.12充電樁運營收費平臺硬件配置方案
4.5.13醫療隔離電源解決方案硬件配置方案
6結束語
醫療場所供電安全是醫療建筑電氣設計內容之一，本文根據醫療場所自動恢復供電時間和醫療場所負荷分級的要求，從電源配置及配電措施的角度進行分析，并給出典型醫療場所電源配置方案和典型醫療場所配電措施供行業電氣設計人員參考。文中僅以大型三級醫院為例，且由于醫療場所多樣性，表 3 中亦未包括完整，具體應用時應根據醫療場所對電源安全性和連續性需求進行分析，合理配置相應電源及配電措施。
參考文獻
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作者簡介：
任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。主要從事醫院能源管理系統的研發與應用。
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