医疗用电设备配电系统设计及经济性分析

2017-03-08王志翔

智能建筑电气技术 2017年6期

王志翔

(中衡设计集团股份有限公司，苏州 215021)

0 引言

随着社会经济的高速发展，作为民生项目重要一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、综合三甲医院，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最重要环节，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1。

表1 大型医疗设备

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，属于一级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，此处不一一列举。三级医院应设置应急柴油发电机组，供电给一级负荷中特别重要负荷，机组承载医疗负荷可参见表2。

表2 由应急柴油发电机组负载的医疗设备

注：某些用电如供应中心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，所以也归入发电机组供电。

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。

图1 供电方案

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；一级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≥10min(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，一级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。

图2 第一类医疗用电配电干线图

2)1、2类场所，一级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第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，其余配电系统与第一类基本类同。主要负荷有负压吸引站、病理科、检验中心、生殖中心以及急诊、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，一级负荷，断电后恢复供电时间0.5s

此类医疗负荷数量最多、范围也最广，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。

图3 典型急诊室配电箱系统

图4 第三类医疗用电配电干线

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15s，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配电即可。

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。医院建筑电气设计最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、图集可循，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。

对于一级负荷中特别重要负荷，由于其用电性质的绝对重要性，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，一级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，从而极大地简化低压配电系统，节省造价。