醫院接地與電擊防護探討

容 浩

(中南建筑設計院股份有限公司，武漢 430071)

0 前言

接地及安全防護是建筑電氣設計的一個重要組成部分。對于醫院而言，由于部分用電的醫療儀器設備需要直接接觸人體，則用電設備的接地、人員的電擊安全防護就顯得尤其重要。

近段時期中國和歐洲的一些規范、標準如JGJ 312-2013《醫療建筑電氣設計規范》、GB 51039-2014《綜合醫院建筑設計規范》、GB 16895.21-2011/IEC 60364-4-41：2005《低壓電氣裝置第4-41部分：安全保護 電擊防護》、IEC 60364-4-41：2017《Low-voltage electrical installations - Part 4-41: Protection for safety - Protection against electric shock》、IEC 60364-7-710：2018 CDV《Low voltage electrical installations - Part 7-710: Requirements for special installations or locations - Medical locations》及BS 7671：2008 Amendment 3：2015《Requirements for Electrical Installations - PART 7 Special installations or locations-SECTION 710 Medical locations》等均已或正在更新編制。

上述標準規范中關于醫院的接地安全防護不完全一致，究竟如何實行應值得關注。本文就針對以下內容進行了討論：醫院的接地、1類2類醫療場所的電擊防護措施及其特點。

1 醫院的接地

1.1 醫療場所分類

根據JGJ 312-2013《醫療建筑電氣設計規范》，醫療場所分為三類，具體如下。

0類：不使用醫療電氣設備接觸部件的醫療場所。

1類：醫療電氣設備接觸部件需要與患者體表、體內(除2類醫療場所所述部件外)接觸的醫療場所。

2類：醫療電氣設備接觸部件需要與患者體內接觸、手術室以及電源中斷或故障后將危及患者生命的醫療場所。

這三類場所的分類及定義與GB 16895.24—2005/IEC 60364-7-710：2002《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》的定義是基本一致的。國內其他標準規范也與上述分類和定義一致。

根據上述規范，醫院內與病人相關場的大部分所均為1類醫療場所，如門診室、病房、各功能檢查室、影像科各檢查室(心血管造影檢查室除外)及理療室等。其他少數場所為2類醫療場所，如手術室、重癥監護室ICU、心血管造影檢查室、急診搶救室等。

需要注意的區別是，IEC的標準中將手術輔助用房(如術前準備室、麻醉室、術后復蘇室等)歸為2類醫療場所，我國的規范(如JGJ 312、GB 51039)中則將上述手術輔助用房歸為1類醫療場所。

1.2 2類醫療場所的接地

2類醫療場所低壓配電系統的接地型式通常采用局部IT系統，同時部分設備采用TN-S或TT系統。2類醫療場所內，由IT系統供電的設備金屬外殼接地與TN-S系統共用接地裝置，圖1～2是以手術室為例的兩種接地方案。

圖1 醫院手術室IT系統接地方案一

圖1引自BS 7671：2008 Amendment 3：2015，由圖中可以看到：(1)左側引入的電源采用TN-S系統。其中相導體、中性導體接入IT隔離變壓器的原邊，TN-S系統的保護接地導體(PE線)由TN-S電源配電箱的PE端子排引來，該PE線連接IT電源配電箱的PE端子排；(2)IT隔離變壓器的鐵芯、金屬外殼通過IT電源配電箱的PE端子排接地；(3)手術室內輔助等電位聯結端子板(SEB)通過截面不小于10mm2的銅導體聯結IT電源箱PE端子排；(4)手術室輔助等電位聯結范圍包括：手術室范圍內的手術臺金屬構架、金屬龍頭及管道、無影燈、導電地板的金屬網格等。

圖2 醫院手術室IT系統接地方案二

圖2引自BS 7671：2018，由圖中可以看到，圖2與圖1的區別主要是：(1)手術室內輔助等電位聯結端子板(SEB)與IT電源箱PE端子排不直接聯結；(2)手術室輔助等電位聯結范圍還包括：外界可導電部分(普通照明燈具外殼)、采用IT系統配電的設備外殼、采用TN-S系統配電的設備外殼。

由圖2可以得到一個結論，即手術室SEB需聯結手術室范圍內所有可以聯結的設備。

1.3 大型醫療設備的屏蔽接地

醫院建筑的一個特點是有較多類型的診療設備，這其中包括一些大型診療設備，如醫用磁共振成像設備(MRI)、醫用X射線設備(CT機等)、醫用高能射線設備(電子直線加速器、回旋加速器、中子治療機、質子治療機等)、醫用核素設備(PET—CT等)等。以醫用磁共振成像設備(MRI)為例，它是一種較新的醫學成像技術，采用靜磁場和射頻磁場使人體組織成像，在現代化醫院中得到了廣泛應用。MRI的屏蔽接地是其機房設計需要著重考慮的因素。

屏蔽接地是指電氣裝置(主要是電子設備)為了防止其內部或外部電磁感應或靜電感應的干擾而對屏蔽體進行接地。MRI機房主要考慮靜磁場、梯度磁場和射頻電磁場的屏蔽，其中靜磁場的屏蔽主要采用鐵磁質殼體進行屏蔽；梯度磁場主要采用高導磁率材料做成屏蔽殼體；射頻電磁場的屏蔽主要采用一定厚度的金屬板，通過金屬對電磁波的吸收、反射等達到屏蔽效果。

對于MRI機房而言，要做好屏蔽接地需考慮如下具體措施：(1)選址：遠離大型運動金屬(汽車、電梯等)；(2)土建：采用銅板(硅鋼板)形成屏蔽殼體；(3)通風：失超管、緊急排風管等采用不銹鋼等非鐵磁材質并采取屏蔽措施；(4)供電：電源設濾波器，采用屏蔽電纜供電；(5)安裝：采用鋁合金橋架(非鐵磁材質)。

MRI機房的屏蔽測試主要依據GB/T 12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法》的要求進行。

2 醫院的電擊防護

根據GB 16895《低壓電氣裝置》系列標準的相關規定，電擊防護的主要保護措施包括：自動切斷電源；雙重絕緣或加強絕緣；向單臺用電設備供電的電氣分隔；特低電壓(SELV 和PELV)。其中自動切斷電源是最常用的一種保護措施。

2.1 自動切斷電源

2.1.1 自動切斷電源時間

本節主要針對TN系統、IT系統的自動切斷電源時間及保護電壓限值進行探討。表1列出了國內規范、IEC標準及英國標準中對普通場所及醫療場所自動切斷電源時間的相關規定。

TN及IT系統自動切斷電源時間 表1

需注意的是，表1中給出的時間均為最大自動切斷電源時間。由表1可以得出：(1)對于常規場所，采用TN系統供電時，在IEC 60364-4-41：2005至IEC 60364-4-41：2017中的自動切斷電源時間一致，如交流220V的切斷時間均為0.4s。(2)對于1類、2類醫療場所，采用TN系統供電時，國內外各規范標準間、同一標準的新舊版本對自動切斷電源時間的規定也不完全一致。(3)對于1類、2類醫療場所中采用TN系統供電的設備，IEC 60364-7-710：2018 CDV中已經規定，當設有輔助等電位聯結時，其自動切斷電源時間與普通場所的自動切斷電源時間一致。(4)對于IT系統，尤其是醫院2類醫療場所的IT系統，由于隔離變壓器容量較小，其二次側短路電流也較小，應仔細復核其短路電流靈敏度等參數。

2.1.2 自動切斷電源的其他要求

(1)接觸電壓限值

根據IEC 60364-7-710：2002的規定，對于1類、2類醫療場所，采用IT、TN、TT系統供電時，其約定接觸電壓限值UL應≤25V(交流)。對于接觸電壓有三個概念，主要包括以下內容。

1)預期接觸電壓(prospective touch voltage)：人或動物尚未接觸可導電部分時，這些可能同時觸及的可導電部分之間的電壓。

2)約定接觸電壓限值(conventional prospective touch voltage limit)：在規定的外界影響條件下，允許無限定時間持續存在的預期接觸電壓的最大值。

3)有效接觸電壓(effective touch voltage)：人或動物同時接觸到兩個可導電部分之間的電壓。有效接觸電壓值可能會受到與可導電部分發生電接觸的人或動物的阻抗明顯的較大影響。

應當注意的是，其規定的約定接觸電壓UL≤25 V是指接觸電壓的安全限值，不等于發生故障時實際可能達到的預期接觸電壓，而是要求通過自動切斷電源的時間內所允許的故障電壓≥UL時，才可視為滿足安全要求。

(2)額定電流適用范圍

在IEC 60364-4-41：2017中，對于TN及TT系統，采用自動切斷電源保護措施的適用范圍中，其插座回路擴充到回路額定電流大于63A均適用。而在IEC 60364-7-710：2002及2018年CDV版中，插座回路的額定電流依然為不大于32A。

(3)輔助等電位聯結范圍

盡管在IEC 60364-7-710：2018 CDV版中關于1類、2類醫療場所的輔助等電位聯結范圍較之前的版本并無變化，但是根據IEC 60364-4-41：2017及BS 7671-710：2018的規定，1類、2類醫療場所的輔助等電位聯結范圍包括了固定設備可同時觸及的外露可導電部分(simultaneously accessible exposed-conductive-parts of fixed equipment)、外界可導電部分(extraneous-conductive-parts)、保護導體及其他所有可以聯結的設備。

由此可以得到的結論是：1類、2類醫療場所設置輔助等電位聯結(SEB)是必要的，且SEB將聯結范圍內一切可以聯結的設備等。

2.2 醫用IT系統與電氣分隔的異同

2.2.1 醫用IT系統

2類醫療場所中，IT系統已成為標準配置，圖3為醫院手術室配電系統方案示例。

圖3 醫院手術室配電方案示例

在圖3中，W1回路后的配電系統為醫用IT配電系統，W2～W10回路為TN-S配電系統。

2.2.2 電氣分隔

電氣分隔(electrical separation)也是電擊防護的基本措施之一。

本文中電氣分隔是指采用隔離變壓器供電的方式。電氣分隔配電的特點是故障保護，即將被分隔回路與其他回路和與地之間做簡單分隔。在被分隔回路帶電部分的任一點上不應與其他回路的帶電部分、地以及保護導體相連接。為確保電氣分隔，不同回路之間應具有基本絕緣。圖4為電氣分隔示例。

圖4 電氣分隔示例

2.2.3 醫用IT系統與電氣分隔的異同

2類醫療場所的醫用IT系統也設有隔離變壓器，因此與電氣分隔從電路上有類似之處，但其應用范圍、保護方式等有根本區別，表2列出了兩者之間的異同。

醫用IT系統與電氣分隔比較 表2

表2總結了醫用IT系統與電氣分隔的異同點。由上表可知：(1)兩者保障人身安全的原理不同。由于醫用IT系統二次側所供電的電氣裝置的外露可導電部分需通過與PE線聯結而作保護接地，因此為防止一次側的故障電壓隨保護導體(PE線)或其他帶電部分傳導至二次側，二次側帶電導體需絕緣、不允許接地，不設置PE線。(2)基于上述原則可知，醫用IT系統的核心設備是隔離變壓器和絕緣監視裝置(見圖3)，這是由其服務對象決定的。為保障供電連續性，2類醫療場所采用IT系統供電，其目的是在發生第一次接地故障時上級電路不跳閘，在此期間系統仍能正常運行。因此需設置絕緣監視裝置，以便及時發現接地故障點，及時排除故障，維持系統正常運行。而電氣分隔常用于需要有限供電的場所，是否設置絕緣監視裝置不是首要考慮。(3)基于以上兩點可知，醫用IT系統適用于需同時保障人身安全及供電連續性的場所。而電氣分隔主要側重于保障人身安全，供電連續性不是主要考慮因素。

2.3 不同電壓等級醫用IT系統的應用

國內醫院手術室、ICU等處設置的醫用IT系統中，隔離變壓器一次側、二次側電壓通常為單相220V(交流)。

2.3.1 概況

筆者所在單位于2015年在南美洲蘇里南承接了瓦尼卡醫院援建項目。經過考察，蘇里南當地低壓配電系統采用三相四線制220V，頻率60Hz。當地照明、空調、風機、水泵等均采用三相220V供電，接線方式主要有三相五線220V、三相四線220V、兩相三線220V、單相兩線127V，具體為： 三相220V 3P(L1,L2,L3)；兩相220V 2P(L1,L2)/(L2,L3)/(L3,L1)；單相127V 1P(L1,N)/(L2,N)/(L3,N)。

根據當地使用習慣，醫院醫用設備帶上需同時安裝220V、三孔和127V、三孔的插座。

由于其使用的中小型醫療設備均為進口，不能按單一電壓進行控制，因此要求采用兩種電壓的插座。

2.3.2 不同電壓等級醫用IT系統的應用

基于上述情況，筆者所在單位擬在手術室采用雙電壓IT系統，即IT隔離變壓器同時提供220V及110V(或120V)兩種輸出電壓。最初設想的方案為副邊采用單繞組雙抽頭隔離變壓器方案，具體如圖5所示。

圖5 隔離變壓器接線

經與外方醫用IT系統專業供應商溝通，外方同意采用此方案，具體如圖6所示。

圖6 雙電壓醫用IT系統方案一

在上述方案中，可以只設一臺隔離變壓器，輸出兩種電壓；其絕緣監視裝置分別設置在兩個輸出電壓端；且整套系統安裝在一臺IT電源柜中。在進一步溝通時，外方供應商明確此方案的隔離變壓器容量為25kVA，且外方供應商不愿定制其他容量的隔離變壓器方案。但由于不滿足規范要求，最終未采用此方案。

在溝通后決定采用方案二，如圖7所示。

在方案二中，采用了兩套獨立的隔離變壓器，每臺隔離變壓器容量為5kVA，隔離變壓器的副邊輸出電壓分別選擇為220V、120V。兩套系統安裝在一臺IT電源柜中，分別設置絕緣監視裝置。

3 結束語

圖7 雙輸出電壓醫用IT系統方案二