現代大型綜合醫院高低壓供電方案與保護配合策略分析

國網長沙供電公司 聶仕軍 高立兵 廖華西 羅 建 曾 健 易先松

現代大型綜合醫院作為服務人民群眾生命安全和健康的重點公共服務機構，在社會運行中扮演者重要角色。2020年初爆發的新型冠狀病毒肺炎疫情對全國醫療系統造成了巨大的壓力，穩定可靠供電作為保障大型綜合醫院正常運行的重要一環，醫院后勤部門同樣承擔著巨大的壓力。2020年2月13日武漢市東西湖方艙醫院C廳發生的停電事件引起社會廣泛關注，也反映非專業醫療場地供電環節存在的巨大風險。2021年3月31日，因主供電源同母線的其他出線發生短路跳閘、系統電壓短時波動，瀏陽市人民醫院7臺變壓器低壓側欠壓脫扣動作錯誤地跳開了總開關，低壓負荷自動切換至發電機，造成醫院斷電數分鐘。上述事件表明集一、二級重要負荷于一身的醫院供電系統必須要充分考慮內外部的供電可靠性，避免異常斷電對正常醫療工作的影響。現代大型綜合醫院作為極為特殊的高可靠性電力用戶，需要從外部供電線路、醫院中心配電間保護設置、變壓器保護設置、400V低壓母線備投、柴油發電機啟動配合等方面分層次改進供電系統的穩定性和可靠性。

1 醫院配電負荷分級與可靠性分析

1.1 醫院負荷的特點

醫院是救死扶傷、傳染病控制、科研檢測的重要場所，供電穩定可靠極為重要，主要表現在：

可靠性。供電可靠性是指持續供電能力的量度，常以供電可靠率來衡量。可靠率以某一統計期內，實際供電時間與本統計期全部時間的比值的百分數表示[1]，即Kc=Ty/Ts×100%；Ty=Ts-Tt，Ty為統計期實際供電時間之和，h；Ts為統計期全部時間，h；Tt為統計期內停電時間之和，h；Kc≤1，Kc越接近1可靠性就越高。假如醫院年停電5分鐘，折合醫院內部供電可靠率為99.999%，即“五個9”；連續性。大型醫院科室齊全，用電設備種類多，手術室、檢測室、電梯、污水處理設備、計算機等需要連續供電，供電中斷可能造成生命安全受損、樣品報廢、設備受損、數據丟失等，影響醫院日常工作開展[2]；穩定性。醫院電子設備越來越多，電力電子元件是典型的非線性負荷，可能帶來電壓波形畸變。浪涌電壓、高次諧波、電壓暫態突降都有可能造成精密醫療儀器損壞或者停機，檢驗科、理療科、心電監護儀等醫療設備對電源電壓的穩定性要求高，應采用相應的穩壓、濾波等設備保證供電的穩定性[3]。

1.2 醫院的負荷分級

現代大型綜合醫院對電的依賴也越來越嚴重，特別是在搶救室、手術室和重癥監護室(ICU)中，一旦出現了斷電事故無法恢復會直接危及患者的生命安全。根據對供電可靠性的要求及中斷供電在政治經濟上所造成影響的程度，醫院負荷可進行分級：一級負荷。醫護區照明、應急照明、感染區風機、CT、ICU及凈化空調、手術室及凈化空調、負壓檢測及凈化空調、產科分娩室、早產兒室、放射診斷治療室、血液透析室、血庫、核磁共振、培養箱與恒溫箱、火災報警系統、消防泵等；二級負荷。門診室、護士站、實驗室、鏡檢、生化室、電子顯微鏡、客梯[4]。

1.3 醫院供電可靠性分析

本文所探討的供電可靠性取樣點為400V母線，即通過外部電源、內外部保護配合來減少400V母線停電時間。可能造成400V母線失壓的因素有：上級變電站停電。如是變電站上級電源故障，可通過重合閘或站內備自投功能恢復，恢復時間一般2～8s；外接電源跳閘。通過醫院中心配電間主備供切換恢復供電，10kV母聯備投切換時間可控制在4s內；單母線分段聯絡+雙變壓器互為備用的供電模式。可通過低壓母聯備投恢復供電，切換時間可控制在4s內；通過柴油發電機恢復供電。因發電機啟動與穩定需要一定時間，估算恢復時間為20～30s，一般不能供帶醫院所有負荷。根據運行經驗，電壓等級越高供電穩定性越好，主供電源也一般會選擇供電可靠性高的線路，因此在保護策略上優先使用高電壓等級恢復供電，優先使用主供線路供電。

2 醫院高壓供電方案與保護配合分析

2.1 高壓供電方案的選擇

大型綜合三甲醫院屬于二級重要電力用戶，根據《重要電力用戶供電電源及自備應急電源配置技術規范（GB/T 29328-2018）》要求應采用雙回路供電方式。兩路供電電源的切換時間和切換方式必須滿足醫院允許中斷供電時間的要求并自備應急電源[5]。以瀏陽市人民醫院為例，其定位為湘贛邊區域醫療中心，計劃用2～3年創建一流“三甲”醫院，因此新院建設時中心配電間引入三電源（專線），其中有兩回電源來自于同一變電站同一母線。因存在同時失去兩路電源的風險，后調整成三個變電站供電，其中兩路專線、一路為公網線路（圖1）。

圖1 瀏陽市人民醫院三電源供電方式

上述三電源兩主一備，各供帶一段母線，其中備供線路所處的母線不直接供帶負荷，僅作為主供母線的備用電源。因此三母線供電可靠性非常高，達到了特級重要電力用戶供電要求。部分地區因外部電源受限無法接入三電源，可采用雙電源+母聯備投的方式供電，外線推薦采用不同變電站兩條專線供電，變壓器低壓母線應設置聯絡柜，其10千伏部分接線方式如圖2，此方式供電可靠性可滿足大型醫院供電要求。

圖2 雙電源+母聯備投供電方式

2.2 醫院中心配電間保護配置分析

瀏陽市人民醫院中心配電間有三段母線，分別為10千伏道吾II回供帶的I母、10千伏人民醫院I回供帶的II母、10千伏胡家線供帶的III母。

備自投功能：I母與II母、I母與III母各配置備自投裝置一套，通過母聯備投確保各段母線不失壓。因上級變電站可能使用進線（或母聯）備投（時間8s）和線路重合閘（3.5s）恢復供電，因此設置醫院中心配電間備自投切進線的時延必須大于8s，按10s設置，預留合備供線路開關時間2s，即12s內可完成主供電源切換至備供電源；變壓器高壓柜保護配置：設置兩段電流保護、高溫報警和超高溫跳閘，不設置零序保護和重合閘，可防止單臺變壓器故障造成整段母線失壓。

變壓器低壓總開關欠壓（失壓）脫扣：為防止異常低電壓對醫院設備造成的損壞，每臺變壓器必須配置欠壓（失壓）保護功能。瀏陽市人民醫院低壓總開關欠壓（失壓）保護時延默認為0.2s，因此3月31日系統電壓擾動數秒后造成所有低壓總開關誤跳閘。因此欠壓（失壓）保護必須設置合理時延，以躲開系統短時電壓擾動，同時欠壓（失壓）脫扣時延必須要大于中心配電間備自投恢復時間，以優先采用高壓設備恢復供電，即必須大于12s、按13s設置。據了解瀏陽市人民醫院變壓器低壓總開關均采用西門子WL I2000H型，最長時延為3.2s，無法滿足使用要求，因此最終取消低壓總開關欠壓（失壓）脫扣功能，另加裝一套延時繼電器，電壓取自低壓總開關上樁頭（變壓器側），滿足欠壓（失壓）條件后經13s跳開低壓總開關的要求。

3 400V低壓供電方案選擇與保護配合

400V低壓供電方案：醫院手術室、ICU等涉及患者生命安全的設備及照明為一級負荷中特別重要負荷，需在0.5s內或更短時間內恢復供電。因此二級及以上醫院低壓系統為單母線分段配置，每段母線由非同源的變壓器供電，確保任何時候不會發生兩段低壓母線同時失電情況（圖3）[6]。兩路低壓電源通過ATS向重要場所供電，并配置集中式或分散式UPS保障供電。

圖3 非同源雙主變+發電機低壓供電模式

低壓母聯備投配合分析：低壓母聯備投裝置切低壓總開關在時間上必須要大于中心配電間高壓母聯備投恢復時間，即必須大于12s、按14s設置。計及合閘時間2s，可認為在10kV母線自恢復失敗時，約停電16s通過低壓母聯備投恢復失電母線的供電。

自備發電機啟動條件與時間配合：如圖3所示，當某400V母線失電達到一定時限后，可認為變電站自恢復、中心配電間備自投恢復、400V母聯備投恢復均失敗，此時須依賴自備發電機恢復供電，即400V母線失電一定時限后將啟動發電機組，待發電機電壓穩定后通過ATS向失電母線供電。發電機啟動前須通過節點邏輯判斷低壓總開關和低壓聯絡開關已斷開，避免反送電。發電機作為醫院自備應急電源，一般不能供電醫院所有負荷，只供帶一二級重要負荷，其正確啟動與輸出與否關系重大。可設置發電機啟動延時為15s，即低壓母線失電且低壓總開關和低壓聯絡開關斷開后15s啟動發電機。

4 結語

現代大型綜合醫院穩定可靠供電極為重要，為實現少停電、快復電，必須從醫院高低壓供電方案上進行優選，在此基礎上優化上級變電站電源、配電間高壓柜、低壓母線、自備發電機四級保護功能配合：采取獨立的三電源（兩主一備）外線方案，可基本杜絕兩路電源同時發生停電的情況，避免了醫院10千伏母線失壓后無法恢復的情況；以上級電源復電優先、高壓優于低壓為原則，提出延長低壓總開關欠（失）壓脫扣時間以躲開高壓短暫停電或系統短時擾動的必要性與改造方法；聯絡的兩段低壓母線須由兩個獨立的上級電源供電，才能保證上級線路或變壓器故障時可通過低壓母聯備投恢復供電。低壓母聯備投啟動時間須大于上級高壓系統故障自恢復時間。

按文中四級保護配合方式，醫院不同類型故障下400V母線的恢復方式及停電時長為：上級電源電壓短暫擾動。低壓脫扣延時/0s；上級電源跳閘并重合閘成功。高壓備自投延時躲避/8s以內；某一主供電源跳閘無法恢復。高壓備自投切換/12s以內；變壓器或其高壓電纜故障。低壓備自投切換/16s以內；上級電源停電且高低壓備自投均失敗（保護功能故障）。發電機啟動/60s以內。

在忽略醫院內部設施故障的情況下，以外部電源每年發生2次故障為例（實際專線電纜供電故障極少），折合年停電時間24s，供電可靠率為99.99992%，即“六個9”。