醫用空氣加壓氧艙電磁兼容現場測試方法的研究

朱成科，李慶雨，劉美麗，徐志洲

山東省醫療器械產品質量檢驗中心 電磁兼容室，山東 濟南 250101

引言

大型醫用電氣設備或系統的電磁兼容現場檢測是目前研究的熱點問題之一。醫用空氣加壓氧艙（以下簡稱氧艙）為大型永久安裝系統，安裝調試后交付使用，其組成和安裝位置不再變化。醫用空氣加壓氧艙通常由艙體、供排氣系統、供排氧系統、空調系統和電氣系統組成，一般涉及的分布式系統單元主要包括控制臺、空氣壓縮機和空調等，結構相對復雜且各單元間互連電纜較多。由于永久安裝、結構復雜等原因造成其無法在實驗室進行檢測。

氧艙符合YY0505-2012中所定義的大型設備或系統，即：不能在2 m×2 m×2.5 m空間內安裝的設備或系統，其中不包括電纜，但包括分布式系統。由于大型醫療設備或系統的永久安裝、體積過大、使用環境等原因，不能進入實驗室進行型式試驗，根據GB 4824-2013/CISPR 11:2010和YY 0505-2012/IEC 60601-1-2:2004等標準的規定，結構上不能進行子系統模擬運行的大型永久安裝設備或系統可在其使用場所進行現場測試[1-2]。

但是，目前國際國內標準主要規定了在實驗室條件下的型式試驗，而對電磁兼容現場測試的要求和方法都不同程度存在一些問題。本文主要結合現行標準和現場環境對氧艙的電磁兼容現場測試項目及其試驗方法進行了介紹。

1 發射試驗

1.1 傳導發射

GB 4824-2013中規定在現場測試的條件下，不要求傳導發射的評估[3]。但是氧艙通常結構復雜、且運行功率較大，產生較大傳導騷擾值的概率高，鑒于風險分析方面的考慮，此類設備的傳導發射應符合實驗室標準測試的限制要求。

試驗時將接地參考平面靠近氧艙放置，人工電源網絡置于接地參考平面上并良好接地，距離氧艙最近表面0.8 m，因實際配備電源線長度不固定，為規范測試均采用1 m長電源線進行試驗。

1.2 輻射發射

如何做好輻射發射現場測試，使得測試方法更加科學規范，是目前電磁兼容現場測試的難點[4-6]。天線的選取與布置、環境噪聲的影響、測試位置的選擇和測試距離的選取是輻射發射現場測試需要重點注意的問題。

天線的選取與布置。輻射發射現場測試頻率范圍包括150 kHz～30 MHz 和 30 MHz～1 GHz。150 kHz～30 MHz 測試輻射發射的磁場分量，采用環形天線在1 m高度（小環天線底部距離地面）測量，環形天線垂直放置，測試時天線沿軸線旋轉尋找最大的騷擾發射，對于額定功率≤20 kVA的氧艙不進行此頻段測試，且關于此頻段磁場分量的測量實驗室型式試驗并不做要求。30 MHz～1 GHz測試輻射發射的電場分量，分別采用雙錐天線和對數周期天線固定在（2±0.2）m高度，在水平和垂直兩個極化方向上分別進行測量。

環境噪聲的影響。氧艙主要安裝于大型醫院，其周圍往往存在著大量的動態或靜態環境輻射源，如各種廣播信號電臺、移動基站、雷達、電視塔、高壓輸電線和各類大功率設備等。這些輻射源的電磁特性是非常復雜的，有的環境噪聲電平遠大于被測設備的輻射信號。為了滿足標準要求，同時避免騷擾過大對測試設備造成損壞，現場試驗時首先應盡量關停附近的大功率電氣設備，測試點遠離基站、廣播電視塔、變電站等強輻射源，測試時間盡量選擇夜間非工作時間段，以此最大限度的減少測試時的環境噪聲，其次可通過縮短測試距離提高限值的方法來達到環境噪聲比限值低6 dB的要求。

當環境噪聲電平和氧艙輻射發射電平的合成電平數據不超過規定限值時，可以認為氧艙的輻射發射滿足規定限值的要求；而當兩者的合成數據結果超過規定限值時，如果在超過規定限值所對應的每一頻率點上都能表明同時滿足環境噪聲電平比合成電平至少低6 dB且環境噪聲電平至少比規定限值低4.8 dB，則認為發射不符合要求[7-9]。150 kHz～30 MHz測試磁場分量時，如果環境噪聲電平超過了標準規定的限值，氧艙產生的發射使環境噪聲電平抬高不超過3 dB，則認為發射是符合要求。

測試位置的選擇。對于現場測試應盡可能選取較多的測量點，至少應在正交的四個方向上測量，見圖1，還應在任何可能對無線電系統產生有害影響的方向上進行測量。如果由于現場環境原因無法滿足，測試時可根據氧艙設備結構特性在懷疑的位置進行快速預掃描，找到幾個最大發射方向后再進行完整測試。

圖1 輻射發射3 m距離測試圖

測試距離的選取。GB 4824-2013僅規定了30 m測試距離的限值，在環境噪聲電平過高或測量場地條件無法滿足的情況下，可按每10倍距離20 dB的反比因子對距離和限值進行調整，考慮到氧艙設備尺寸較大，距離較近可能存在不確定的近場效應，測量距離應不能小于3 m。

通過現場測量的數據分析發現，距離建筑物外墻30 m，由于建筑物隔離防護等因素測得的騷擾信號基本為環境噪聲，所以僅通過對距離建筑物外墻30 m的輻射發射測試不能充分反映氧艙的發射特性，尤其是安裝于醫院的大型醫療設備或系統，鑒于風險分析方面的考慮，應對距離醫用空氣加壓氧艙3 m或10 m的位置進行測試評估。

2 抗擾度試驗

氧艙適用的抗擾度項目涉及靜電放電、輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群、浪涌、傳導抗擾度、電壓暫降及短時中斷和工頻磁場。

2.1 靜電放電

氧艙的靜電放電試驗要求：接觸放電為±6 kV（包括與金屬外殼部分的直接接觸放電和垂直耦合板的間接放電），空氣放電為±8 kV。

現場試驗布置與試驗室型式試驗主要的不同是接地參考平面的尺寸和擺放位置?，F場測試為了便于放電回路電纜的連接，接地參考平面鋪設在地面上并保持與氧艙0.1 m的距離，其尺寸大小為2 m×0.3 m[10]。

氧艙的靜電防護薄弱點常見的有控制臺的顯示器、測氧儀、溫度儀、對講通訊設備和多媒體系統，試驗中應重點關注。

2.2 輻射抗擾度

YY0505-2012規定結構上不可實現子系統模擬運行的大型永久安裝設備和系統，可免于GB/T17626.3規定的試驗要求，如果使用該豁免條件，那么其應在安裝現場或開闊試驗場，利用出現在典型健康監護環境中的射頻源（如無線電話、對講機和其他合法發射機）進行型式試驗，試驗頻率應是80 MHz～2.5 GHz上受ITU支配的工科醫設備頻段。

為模擬實際環境的干擾，通常有兩種方法：第一種方法是用手機、對講機、無線路由器等能產生輻射干擾的常規電子設備對氧艙各部件依次進行近場干擾，但此類方法存在的問題是，首先典型射頻源比較多，存在模擬不全面的情況；其次手機和對講機等產品較多，它們的輻射頻率和輻射強度等特性不一致，因此較難實現統一且具有代表性的規范，因此，該方法不是首選方法。第二種方法是參照IEC 60601-1-2:2014標準的RF無線通信設備鄰近場輻射抗擾度測試[11]，見表1。通過近場干擾測試設備模擬常規對講機、移動通訊、藍牙和Wi-Fi等頻段的干擾測試。該方法具有覆蓋頻段多、重復性高、可規范化、可操作性強等優點，因此是首選方法。

2.3 電快速瞬變脈沖群

氧艙的電快速瞬變脈沖群試驗電平：±2 kV對電源線，±1 kV對長度不小于3 m的信號電纜和互連電纜。

表1 IEC 60601-1-2:2014 RF無線通信設備鄰近場輻射抗擾度測試

由于氧艙為大型永久安裝系統且在安裝后試驗，采用尺寸最小為1 m2的接地參考平面靠近氧艙放置，接地參考平面進行良好接地，測試儀器放置于接地參考平面上，對于電源線的測試，耦合裝置與氧艙間采用（0.5±0.05）m長度的電源線。

電源端脈沖群信號的注入可使用33 nF電容直接注入的方法，尤其針對較大額定電流工作設備，例如氧艙組件的空氣壓縮機，可直接通過33 nF的耦合電容將干擾信號耦合至電源線端口處。

為盡可能逼近的模擬實際的電磁環境，在進行安裝后現場試驗時應該不用去耦網絡。但考慮到試驗本身不僅可能對受試設備有破壞性，對位于同一地點或同一供電網下的其他設備也可能造成損傷或不可接受的影響。為避免造成其他影響，一般經用戶和制造商雙方同意后，試驗仍可使用去耦網絡[12]。

2.4 浪涌

氧艙的浪涌試驗要求為：交流電源線線對線±0.5 kV和±1 kV，交流電源線線對地±0.5、±1和±2 kV。

對浪涌試驗的現場測試試驗布置目前無特別要求。接地參考平面和測量儀器的布置可參照上述電快速瞬變脈沖群試驗，耦合/去耦裝置和氧艙之間電源線長度不超過2 m[13]。

2.5 傳導抗擾度

氧艙的傳導抗擾度試驗要求：頻率150 kHz～30 MHz，試驗電平3 V。

對傳導抗擾度試驗的現場測試試驗布置目前無特別要求。接地參考平面和測量儀器的布置可參照上述電快速瞬變脈沖群試驗。耦合/去耦裝置距離氧艙0.1～0.3 m。

現場測試環境通常無法滿足共模阻抗要求，當對氧艙信號線和互連線纜的試驗參照不滿足共模阻抗要求時的鉗注入程序[14]，采用電流監測探頭配合電流注入鉗進行試驗測試。

2.6 電壓暫降及短時中斷

對每相額定輸入電流超過16 A的氧艙免于此項試驗，對于不超過16 A的設備進行此項試驗。

對電壓暫降及短時中斷試驗的現場測試試驗布置目前無特別要求。對于三相供電的氧艙逐相進行試驗，因具有內部電源，適用于電壓暫降及短時中斷試驗的氧艙在規定的試驗后還需驗證其僅在網電源供電時繼續工作的能力。

2.7 工頻磁場

氧艙的工頻磁場試驗要求：3 A/m。因氧艙體積太大，無法采用浸入法進行試驗，現場測試采用鄰近法[15]對氧艙的不同位置進行試驗。

3 結論

氧艙是較典型的大型永久性安裝系統，本文從標準出發并結合對較多氧艙的實際測試情況，主要探討了發射與抗擾度等電磁兼容項目現場測試的方法。為了嚴謹規范的完成對氧艙的現場測試，一定程度確保試驗的可行性和可靠性，檢測前期一定要做好充分的現場環境情況分析，明確氧艙實際安裝情況，制定規范的現場試驗計劃[16-17]。