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淺談隔離電源及其在高壓氧艙的應用

更新時間：2023-01-12

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：目的：提高高壓氧艙用電安全性，保障高壓氧艙安全、穩定運行。方法：對高壓氧艙的單相220 V供電采用隔離電源方式。結果：隔離電源的使用能顯著提高高壓氧艙的用電安全性，保證整個供電系統的穩定性、連續性。結論：隔離電源的使用對于保證高壓氧艙的安全運行十分必要。

關鍵詞：隔離電源；隔離變壓器；高壓氧艙

0 引言

高壓氧醫學是近些年發展起來的一門邊緣學科【1】。醫用高壓氧艙是高壓氧治療的關鍵設備【2】。隨著醫療認識及技術水平的提高，高壓氧治療的應用也越來越廣泛高壓氧艙的使用也越來越被更多的醫院所接受。高壓氧艙是一種特殊的載人壓力容器，其個系統的用電設備具有較多、較分散、供電形式也比較復雜等特點，因此高壓氧艙的安全用電包含2 層含義：既能保證各用電設備及整個供電系統的穩定性、連續性，又能有效保障進艙吸氧患者的人身安全。先進的醫療診斷和治療儀器在現代化醫院中起著越來越重要的作用，提供高質量的電能保障是消除或降低醫療設備風險，確保為患者診斷和治療準確性的重要因素【3】。因此在高壓氧艙及其附屬電氣設備的運行過程中，合理配置電源、提供高質量的電能保障、確保安全供電顯得尤為重要。

1 供電方式

國際電工委員會(IEC)將電力供電統一分為：1Tr 系統、TN系統、IT系統。其中TN系統又分為TN—C、 TN—S、TN—C—S系統。 TT系統是指將電氣設備的金屬外殼直接接地的保護系統，又稱為保護接地系統。個T表示電力系統中性點直接接地；第二個符號T表示負載設備金屬外殼和正常不帶電的金屬部分與大地直接連接，而與系統如何接地無關。

TN系統是指將電氣設備的金屬外殼和正常不帶電的金屬部分與工作零線相接的保護系統，又稱接零保護系統。TN系統通常是一個中性點接地的三相電網系統。在TN系統中，若保護線和中性線合并為1條線，則稱為TN—C系統；若保護線和中性線分別為2條線，則稱為TN—S系統；若在供電系統中前部分為TN—C系統(需沒有220 V負載，即中性線沒有電壓)，而在系統后部分中從總配電箱中分出保護線，則稱為TN—C—S系統。

IT系統是指在電源中性點不接地系統中，將所有設備的外露可導電部分均經各自的保護線PE分別直接接地的供電系統。IT供電系統中，I表示電源側沒有工作接地或經過高阻抗接地；T表示負載側電氣設備進行接地保護。

2 隔離電源

隔離電源是指在IT系統中，普通單相電源經隔離變壓器后，輸出的與大地不能形成回路的電源，是一種能顯著降低觸電風險的安全電源。隔離電源負載側實行接地保護。隔離電源的具體實現是由隔離變壓器完成的。隔離變壓器是指變壓比為1：1的變壓器，這種變壓器的初級線圈匝數等于次級線圈匝數，如圖l所示。

隔離變壓器的初級線圈與市電的相線和中性線相連接，次級線圈與負載相連接。由于隔離變壓器變壓比為1：1，因此次級線圈電壓等于初級線圈電壓，均為220 V。電源經隔離變壓器后，原電網中的地已不再是參考電位，隔離變壓器任何一根輸出線都不能與地構成回路，只能在2根輸出線之間構成回路，隔離電源的2根輸出線L1、L2都是相線。隔離電源的應用，既提高了供電的安全性及電源供電質量，又能有效地降低觸電事故的發生率。

3 高壓氧艙及其附屬設備用電狀況分析

高壓氧艙及其附屬設備需要電力驅動的子系統有：加減壓系統、供排氧系統、空調系統、通信系統、照明系統、參數監控系統、視頻系統，其供電主要有3種形式：380V三相電、220V單相電、直流電。高壓氧艙及其附屬設備主要用電狀況見表1。

380V三相交流電直接由總配電柜引出，總配電柜屬于高壓氧艙專用，與高壓氧科室供電系統是相互獨立的，總配電柜的輸入遵循醫院整體供電方式。220 V單相交流電的使用，需要經過隔離變壓器，使其成為隔離電源后再接入高壓氧艙單相電供電系統中。直流電由操作臺下的4臺開關電源供給，其中3臺輸出直流12 V，一臺輸出直流5 V，開關電源的交流電輸入由隔離電源提供。

4 隔離電源在高壓氧艙供電系統中的應用

在實際應用中高壓氧艙及其附屬電氣設備較多，電路連接及轉換也比較復雜，因此將整體供電線路簡化后，其拓撲圖如圖2所示。

由于空氣壓縮機、循環風電動機需要三相電驅動，因此需由總配電柜引出的三相電供電。冷凍干燥機和空調系統的室外機由于其使用的是壓縮機制冷技術，需要220 V單相電驅動且工作電流較大，因此，由總配電柜分別引出單相電供電。

總配電柜輸出的220 V單相電經隔離電源后，接人高壓氧艙接線排。圖2中5、6、7分別為3臺12 V直流開關電源，給LED燈盤和監控攝像頭供電。8為 5 V直流開關電源，給參數監控系統中的溫度、濕度、壓力數碼管顯示儀供電。

L1～L10分別為加減壓系統電磁閥、供排氧系統電磁閥、測氧儀、磁感應電動機、對講機、功放機、工控機、畫面分割器、顯示器、視頻轉換器，供給220 V交流電，N為上述設備的共相端。

隔離電源的應用降低了高壓氧艙的電氣設備對整個電路電源質量的影響。在高壓氧艙運行過程中，高壓氧艙接線排連接的磁感應電動機多次啟停，開關電源負荷較大。在各種用電設備中，開關電源、可控硅管、調光系統、uPS、交流穩壓器、變頻空調等非線性設備，其輸入電流是非正弦波形，如波形削頂、疊加脈沖等，這對交流電網有非常大的危害【4】。在隔離電源中，隔離變壓器將初級線圈和次級線圈相互隔離，避免了高壓氧艙及其附屬電氣設備影響整個供電系統，造成電源質量下降隋況的發生。

隔離電源的應用使得高壓氧艙各供電設備自成回路，隔離變壓器初級線圈與次級線圈相互隔離，因此總配電柜的供電設備零線端與高壓氧艙接線排共相端實現相互隔離。相互隔離避免了總配電柜的其他回路漏電流通過零線竄入高壓氧艙接線排，提高了電氣設備的用電安全。

5 隔離電源在高壓氧艙中應用的必要性

(1)有效地保證高壓氧艙及其附屬電氣設備的安全運行。

(2)防止其他供電回路中的漏電流通過接地線竄人閣【5】，進而危害高壓氧艙中的患者安全。

(3)高壓氧艙的用電設備較多且分散，隔離電源的使用能有效地減少各設備發生接地故障，進而保整個供電系統的穩定性。

(4)由于隔離變壓器次級線圈與大地不形成回路，因此高壓氧艙中的某臺用電設備一旦發生接地故障，則其對地漏電流很小，不會造成漏電保護器動作，可有效保證整個高壓氧艙供電系統的連續性。

(5)可有效降低高壓氧艙工程師在維修電氣線路時發生觸電事故的可能性。

6 討論

在高壓氧艙供電系統中，所有安裝在氧艙及操作臺上的電氣設備，其輸人都需要經隔離電源。

隔離變壓器因不能長距離輸出使用，因此對于高壓氧艙的供電系統來講，隔離變壓器應置于操作臺配電柜旁邊，其負載輸出側接入高壓氧艙操作臺配電柜的輸人中，盡量不要在整個高壓氧艙起始配電柜處接入隔離變壓器。

隔離變壓器在高壓氧艙實際應用中，應根據操作臺各電氣設備功率容量，計算所需隔離變壓器的容量。根據GB 16895．24—2005的規定：“醫療IT系統應采用單相隔離變壓器，其額定輸出容量不應小于0．5 kVA，但不應超過10 kVA"。

現階段，大部門高壓氧艙使用的隔離電源比較簡陋，僅配置隔離變壓器對于整個供電安全來講是不夠的，還應配置絕緣監視儀。絕緣監視儀在運行中，如果測量電阻上的電壓降超過特定的值(相當于絕緣電阻降到特定值)，就會輸出報警信號，在發生次單相接地故障時，絕緣監視儀報警，在發生第二次接地故障時(此時即為兩相短路)，保護電氣設備動作，切斷電路【6】。

為保障電源供電質量，隔離電源除應配置絕緣監視儀外，還應具有多種接線監視功能，提高監視可靠性。過負荷監視應在5～50 A范圍內可調；變壓器繞組溫度超過120℃時發出超溫報警；變壓器負荷監視，并顯示當前負荷與額定負荷的百分比【7】。隔離電源的安全運行得到保障，是整個供電線路穩定運行的重要前提。

高壓氧艙是一種特殊的載人壓力容器，電氣設備比較分散，各設備要求供電的形式具有多樣性，而且在整個系統中，各種電路走線方式比較復雜，高壓氧艙供電系統的安全穩定運行直接關系到高壓氧治療的安全。隔離電源在高壓氧艙供電系統中的應用，能顯著提高氧艙用電安全，保證高壓氧治療的安全穩定運行。隔離電源在高壓氧艙供電系統中占據重要地位。

7 醫用隔離電源監控系統的選型與應用

7.1 概述

隨著電子醫療設備在醫院領域的廣泛應用，漏電流對病人構成的威脅也越來越大，尤其是那些生命攸關的場所，病人在手術中或麻醉狀態下，各種電極、傳感器直接插入人體內，微小的漏電流都有可能導致病人觸電身亡。另外有些醫療設備用于維持重癥病人的生命，一旦設備停電，也會對病人的生命構成威脅。因此，對于醫療這一特殊場所的電氣設計，應嚴格按照國家標準和規范進行。安科瑞醫用IT系統絕緣監測故障定位裝置及系統適用于醫院的手術室、ICU(CCU)監護病房等重要場所，能為這類場所提供安全、連續、可靠的供電解決方案。

7.2 應用場所

適用于醫院的手術室、各類重癥監護室、搶救室、內窺鏡室及造影室等醫療二類場所的醫用隔離電源系統的遠程監控及自動化。

7.3 系統架構

7.4 系統功能

安科瑞IT配電監控系統是基于觸摸屏軟件設計，軟件具有遠程測量、遠程參數設置和遠程自檢等多種功能，為各類場所的IT配電系統的集中監控提供了強大的系統集成工具。軟件的主要功能如下：

一次圖和現場分布顯示

系統具有一次圖及現場分布圖顯示功能，能直觀的了解并及時地發現IT供電系統的報警地點或區域，從而方便專業人員及時到達現場進行故障排查；

實時數據采集與顯示

利用安裝于各IT配電系統中絕緣監測儀表和絕緣故障定位儀表，采集各隔離電源系統的參數。采集到的數據實時顯示在監控系統界面，這些監測參量含IT系統對地絕緣電阻、變壓器負荷電流、變壓器繞組溫度及絕緣故障回路等；

故障報警

將各IT配電系統出現的各類故障，如絕緣故障、過載故障、超溫故障以及接線斷線故障等信息進行統一處理和記錄，并可直接在顯示界面上彈出顯示故障類型、監測值、故障地點以及故障發生時間等信息。同時啟動監控系統的聲光報警系統，及時提醒相關人員，進行故障處理。其中，聲音報警信號可被手動消除。

遠程參數設置和查詢

通過系統，可根據要求遠程調整和設置各IT配電系統中絕緣監測儀的各類報警參數閾值，也可以任意查看這些報警參數值。參數包括絕緣報警值、負載電流報警值和隔離變壓器溫度報警值等。

圖形顯示功能

系統可以以曲線的形式，顯示各IT配電系統的絕緣狀況、負載狀況，以及隔離變壓器的溫升狀況，以及它們的變化趨勢，以便于分管理人員了解和分析各電源系統的運行變化情況，有針對性的對某些系統進行維護和保養。

7.5 安科瑞產品功能和技術參數

參考文獻

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[5]邵建勛.醫用IT系統在醫療場所的應用[J].中國醫院建筑與裝備.2008（6）:32-39.

[6]范麗麗.醫療IT系統的設計與應用[J].電氣應用，2011,30（2）:48-51.

[7]張敦曉，魏建芬，羅學文.隔離電源及其在高壓氧艙的應用

[8]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版

作者簡介

吳柯霓，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發與應用。