医疗IT系统的漏电检测及其应用

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  摘 要 本文主要介绍了在医疗IT系统领域中,对比IEC标准和以美国为代表的NSPF标准的不同之处,进一步理解应用于医疗IT系统的不同的漏电保护技术。

  关键词  漏电  绝缘监视  IEC标准  NSPF标准  医疗IT系统 

  医疗2类场所是医院内重要场所,通常指手术室、重症监护室或心脏监护室等,对病人而言是生命攸关的场所,也是充满医疗器械和医疗电器设备的场所,此类场所的漏电保护和普通建筑物相比有特殊的要求,即通过局部IT系统供电。为了更好地理解应用于医疗IT系统的不同的漏电保护技术,首先对相关现行的不同国际标准作一介绍。

  1 医疗IT系统不同国家的不同标准

  在医疗2类场所采用医疗IT系统的主要国家及其国家标准如下:

美国 NFPA 99
英国 BS7671-SGN7.10(2003)
德国 DIN VDE 710
法国 NF C15-211
荷兰 NEN 3134
意大利 TC10
奥地利 ÖVE-EN7
挪威 NVE-1991-FEB
芬兰 SFS 4372
西班牙 UNE20-615-80
爱尔兰 TC10
瑞士 MED 4818
匈牙利 MSZ2040
比利时 TN013
巴西 NBR13.543
智利 N.SEG 4EP79
加拿大 CSA Z31.1
日本 JIS T 1022
澳大利亚 AS3003
中国 GB16895.24-2005
国际电工委员会(IEC) IEC60364-7-710

  纵观上述各国的规范,主要可以划分为两大标准,即以IEC60364-7-710为代表的,监视IT系统对地绝缘阻值的标准,主要参与国家大部分为欧盟国家,如英国、法国、德国、芬兰、意大利、瑞士、匈牙利、爱尔兰等,欧盟以外的国家如中国和巴西等。另外一类标准以美国的NFPA99为代表,监视IT系统对地容性漏电流和阻性漏电流的总和,主要追随的国家有加拿大、日本、澳大利亚、荷兰、挪威、智利和许多中美洲国家。

绝缘监视仪

  IEC60364标准规定,医疗2类场所内用于维持生命或外科手术的医疗电器设备,额定电压超过AC25V或DC60V的设备,必须使用带绝缘监视仪的IT电源系统。

  绝缘监视仪安装在IT系统和大地之间,IT系统发生接地时,绝缘监视仪立刻发出报警信号,通知操作人员系统已经带故障运行,必须尽快找出故障,以便在发生第二点接地之前排除故障。对于医疗2类场所的IT系统内安装的绝缘监视仪,除了必须符合绝缘监视仪的通用规范IEC61557-8标准以外,还必须符合IEC60364-7-710标准的特殊要求:

  (1) 内部交内阻抗应至少为100kΩ;
  (2) 测试电压不应大于直流25V;
  (3) 即使在故障条件下,其注入的电流的峰值不应大于1mA;
  (4) 最迟在绝缘电阻降至50kΩ时,应发出信号。应配置试验此功能的器具;
  (5) 绝缘监测器在接地中断或电气线路中断时发出信号。

  在美国,由于将可燃的麻醉气体和非流动液体直接放在手术室内部,因此除了考虑IT系统的对地绝缘电阻外,还必须考虑IT系统的防火安全问题,因为容性漏电流同样对防火安全构成威胁。美国的NFPA 99-2002标准对必须采用医疗IT系统的场所有如下规定:

  • 可能有潮湿环境的场所,包括在地面放置固定液体的场所;
  • 有三台或三台以上的电器设备和病人连接的场所;
  • 进行某些医疗处置,这些处置的过程不能中断的场所;
  • 使用可燃的麻醉剂的场所。

  上述规定决定了对医疗IT系统的线路隔离监视仪(LIM)必须具备测量容性漏电流和阻性漏电流的功能。NFPA99标准规定,在IT系统的漏电流达到或超过5mA时,线路隔离监视仪(LIM)必须发出报警信号。加拿大的CSA Z31.1标准更严格,漏电流超过2mA时就必须发出报警信号。

线路隔离监视仪

  至于漏电流对病人的造成的潜在的微电击的危害,已经成了众所周知的常识,这里不再赘述,但需要指出的是,不管是容性电流还是阻性电流,都有可能导致病人的房颤或酿成更大的微电击事故。

  通过比较IEC和北美的规范,我们不难看出北美的规范比IEC更严格,这不仅对应用于IT系统的医疗电器设备提出了很高的要求,也同时对医疗IT系统的安装提出了很高的要求。

  2 绝缘监视仪(IMD)和线路隔离监视仪(LIM)的测量原理

  通常绝缘监视仪的测量原理如图1所示。

图1 绝缘监视仪的测量原理

  绝缘监视仪通过内部的耦合电阻RA连接到被监视系统内,绝缘监视仪内部的信号源G发送一测量电压信号通过耦合电阻RA、测量电阻Rm和低通滤波电路叠加在被监视系统和大地(PE线)之间,该测量电压经过外部IT系统对地的总绝缘阻抗RF构成测量回路,因此通过测量该回路内的测量电流Im得出被监视系统对地的总绝缘阻值。

  传统的应用于测量交流系统对地绝缘阻值的绝缘监视仪常常采用直流信号测量法,相关的电路图可简化成图2:

图2 简化电路图

  绝缘监视仪送出一直流测量电压信号,通过系统绝缘电阻的产生的测量电流Im和系统对地的绝缘阻值成线性,其关系如下列公式:

 

  通过测得的测量电流Im,可非常容易地得到系统对地的绝缘阻值RF。

  但是,该测量方法容易受到被监视系统内的直流负载电流各种不同频率的交流电流的干扰,因此改进型的绝缘监视仪采用叠加脉冲测量电压的方法检测IT系统的对地绝缘阻值,最近20年由于计算机技术突飞猛进的发展,德国Bender(本德尔)公司研制的最新的绝缘监视仪通过单片机控制送出的脉冲测量电压,该测量脉冲的幅值,频率等参数由CPU控制,测量脉冲的波形可根据被监视系统的实际情况自调整,这样绝缘监视仪能检测出更正确可靠的对地绝缘阻值。该技术是德国Bender公司的专利技术,通过在世界各地医院的应用,实践证明是一个可靠的在线绝缘测量的方法。

  由于线路隔离监视仪测量的内容区别于IEC标准的绝缘监视仪,即测量医疗IT系统对地容性漏电流和阻性漏电流的总和。如图3所示:

图3 IT系统对地容性漏电流和阻性漏电流的总和

  其中系统的泄漏电容CE在医疗IT系统内主要由系统各回路的电缆的长度,电缆的绝缘材料和敷设的方法决定的,其泄漏电容可使用下列公式得出:

  由此可以看出,系统回路电缆越长,泄漏电容数值越大,导致IT系统的对地容性漏电流数值越大。同时,线路隔离监视仪本身也是IT系统对地漏电流的通道,因此线路隔离监视仪通常具有兆欧级的内部阻抗。

  3 不同的绝缘测量技术的实际应用

  由于IEC规范的医疗IT系统及其绝缘监视要求相对较低,在实际应用中比较容易实现。
具体体现在下列几个方面:

  1) 医疗IT系统的隔离变压器放置的位置没有严格的规定。隔离变压器放置的位置决定了从变压器到系统负载(医疗电器设备)的距离,距离越长,由线路产生的容性电流越大。美国标准的IT系统隔离变压器通常于手术室内部墙壁嵌入式安装,以缩短从变压器到医疗电器设备的界限距离。为满足加拿大更严格的规范,手术室的隔离变压器像吊塔一样悬于手术床上方,其目的同样是为了减少容性漏电流。在澳大利亚和日本的标准中,规定从变压器到手术室敷设的电缆不允许使用金属穿线管,也是为了同样的目的。不管将变压器置于手术室内部,不管是嵌入式还是悬挂式安装,都对达到手术室的空气洁净要求制造麻烦,同时变压器的容量也不能太大,限制了手术室功能的灵活性。将塑料穿线管置于手术室的吊顶内,降低了电气安装的可靠性。而IEC规范的IT系统可以将隔离变压器置于手术室之外,这对大大方便了电气安装的难度,同时对变压器的散热也十分有利。

  2) 为了既照顾到IEC规范的实用性,又尽量抑制IT系统内的容性电流,在IEC60364-7-710标准中,严格规定了隔离变压器的容量不得大于10kVA,这样可以在一定程度上防止使用很长很多线路的医疗IT系统。

  3) IEC标准的隔离变压器有相对较低的浪涌电流,降低了对IT系统前级的电源自动切换装置的要求。IEC61558-2-15标准是对应隔离变压器的规范,符合该规范的隔离变压器体积与美国标准的相比较小,噪声水平低,浪涌电流在额定电流的12倍以下,较小的浪涌电流无疑对与隔离变压器的初级连接的UPS的要求降低了。而美国标准的隔离变压器为了满足低水平的对地漏电流的要求,隔离变压器常常具有较高的噪音,浪涌电流常常在额定电流的20倍左右,在实际应用时,一套UPS设备常常连接了多台隔离变压器,这样隔离变压器的浪涌电流水平越高,UPS后备电源的造价也越高。

  4 结语

  综上所述,在医疗IT系统领域,IEC规范具有较强的实用性,因而在世界范围内被广泛接受并采用。以美国为代表的NSPF标准比IEC标准更严格,实现该标准的难度和成本比IEC标准高。

作者:吴佳倩 来源: 发布时间:2011年04月28日
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