醫療建筑配電系統設計要點

李 雪

(中外建華誠工程技術集團有限公司, 寧夏 銀川 750001)

0 引 言

醫療建筑有別于其他一般建筑,它的設計難點在于具有特殊性、功能復雜、專業性強,對于電氣安全的要求很高,并且需要將復雜的醫療場所技術要求與建筑設計結合起來。電氣設計作為建筑設計中的重要環節,其設計難度也不言而喻。本文結合某地婦幼保健院的工程設計實例,淺析醫療建筑配電系統的設計要點。

1 供配電系統

1.1 概況

該婦幼保健院是一家二級甲等綜合性醫院,集預防、保健、醫療、教學、計劃生育、急救為一體,承擔該地區婦女兒童健康管理和計劃生育工作,計劃新建一棟業務大樓。業務大樓建筑面積為7 387 m2,地下共1層地上共4層,使用功能:地下一層為平戰結合的人防地下室,平時功能為戊類儲藏室,戰時用途為二等人員掩蔽所;一層為兒科病房;二層為手術部;三層為婦科病房;四層為月子中心。地下一層為2個防火分區,地上每層為1個防火分區。

1.2 醫療場所及設施的類別劃分

醫療建筑與其他建筑最大的不同在于醫療場所對電氣安全防護的要求很高,在設計醫療建筑的供配電系統前,需要先了解醫療場所及設施的類別劃分,根據醫療電氣設備與患者的接觸程度分為3類:① 0類:不使用醫療電氣設備接觸部件的醫療場所;② 1類:醫療電氣設備接觸部件需要與患者體表、體內、(除2類醫療場所所述部位外)接觸的醫療場所;③ 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[1]。各類別醫療場所對于工作電源中斷或供電電壓驟降10%及以上,且持續時間超過3 s時,要求應急電源切換投入供電的時間也不同,等級越高要求也越高,且2類醫療場所需要設局部IT系統。

根據JGJ 312—2013《醫療建筑電氣設計規范》[1](以下簡稱《醫規》)第3.0.2條,本項目醫療場所及設施的類別劃分與要求自動恢復供電的時間如表1所示。

表1 醫療場所及設施的類別劃分與要求自動恢復供電的時間

1.3 負荷等級劃分

醫療建筑功能復雜,其負荷等級劃分也相對比較復雜。一般以《醫規》第4.2.1條作為負荷等級劃分的主要依據,需要先明確醫院的等級,再根據各醫療場所的功能及類型,判斷其對供電可靠性的要求,中斷供電對生命安全、人身安全等造成影響越大,相對應的用電負荷等級也越高。消防用電的負荷等級則根據GB 55037—2022《建筑防火通用規范》第10.1.3條及GB 50016—2014(2018年版)《建筑設計防火規范》第10.1.2條做判斷。本項目為二級醫院多層醫療建筑,室外消防用水量為30 L/s。用電負荷分級如表2所示。

表2 用電負荷分級

1.4 供電系統

根據《醫規》第4.4.1條“三級醫院應設置應急柴油發電機組。二級醫院宜設置應急柴油發電機組?！惫蕿闈M足表1中自動恢復供電時間的要求,0.5級(在0.5 s內恢復供電)及以下安全設施供電的應急電源采用在線式不間斷電源UPS+應急柴油發電機組,15級(在15 s內恢復供電)安全設施供電的應急電源采用快速(15 s內)供電的應急柴油發電機組。根據《醫規》第4.4.5條、4.4.7條,柴油發電機組的供油時間,三級醫院應大于24 h,二級醫院宜大于12 h,二級以下醫院宜大于3 h,且UPS應急供電時間不應小于15 min。二級及以上醫院的供電方案均采用市電加柴油發電機加UPS的形式,再根據項目大小確定市電為1路或是2路供電。

本項目供電方案采用1路10 kV市電供電,自備0.4 kV柴油發電機組,以實現雙電源供電。變壓器采用室外箱式變電站,設置在業務大樓北側綠化帶內,柴油發電機房設置在鄰近的庫房內,業務大樓一層設置低壓配電室。一級負荷及消防負荷采用雙電源末端互投供電,其中一級負荷中的特別重要負荷在末端配電箱處增加在線式不間斷電源供電。由于本項目的非消防二級負荷較少,為簡化供電方案,也采用雙電源末端互投的供電方式。供電方案示意圖如圖1所示。

圖1 供電方案示意圖

1.5 柴油發電機容量計算

柴油發電機的容量有3種計算方法,按穩定負荷計算、按最大的單臺電動機或成組電動機啟動的尖峰負荷計算、按啟動電動機時發電機母線允許電壓降計算,3種計算結果取最大值[2]。由于電動機直接起動產生的尖峰電流對柴油發電機的容量選型影響很大,因此本項目大功率的電動機均采用降壓起動的方式,可以大幅降低尖峰負荷,最終按穩定負荷計算柴油發電機的容量。

根據各專業提供的用電設備條件及負荷等級要求,應急時的最大容量為一級負荷中的特別重要負荷、一級負荷、二級負荷及平時工作的消防負荷的總和,其有功計算負荷P∑約為303.36 kW,所帶負荷的綜合效率η∑取85%,發電機額定功率因數cosφ取0.8,發電機效率η取85%。

則發電機的容量:

發電機的有功功率:

故可選擇500 kW的柴油發電機,要求供油時間大于12 h,當正常供電電源中斷供電時應在15 s內自動起動;正常供電電源恢復供電后,應延時切換并停機。

2 手術部配電

2.1 手術部配電方案

二層手術部包含3間潔凈手術室、3間產房及其他輔助房間,采用UPS分散供電的方式,每間手術室、產房設1個專用配電箱及1個UPS,其他輔助房間設1個配電箱。由于手術部專用配電箱數量較多,且一級負荷的雙電源供電回路需要在末端配電箱處切換供電,所以供電回路數量也很多。雖然各專用配電箱直接從進線柜處放射式供電最為可靠,但會出現電纜敷設距離長、造價高、敷設難度大以及橋架體積過大等問題。為避免這些問題,可以在手術部增加一級配電,即在二層配電間內設置層箱為專用配電箱供電,并根據使用功能及潔凈區域的劃分,分別設置兩組層箱,這種配電方式在實際使用中更為經濟合理。手術部配電方案示意圖如圖2所示。

2.2 潔凈手術室電氣布置

潔凈手術部最常見的平面布局為雙通道外圍回收型,手術室的兩側均設走廊,內走廊為潔凈走道,醫護、患者、潔物從內走廊進入各手術室;外走廊為污物通道,術后手術器械、污物經外走廊送出?！夺t規》第5.2.2條規定:“總配電柜應設在非潔凈區。每個手術室應設有1個獨立的專用配電箱,且配電箱應設在該手術室的清潔走道,不得設在手術室內?！边@里的清潔走道是指內走廊還是外走廊存在一些爭議。一般醫院規定外走廊為非限制區,內走廊為限制區,通常會避免檢修人員進入限制區,且非醫護人員進入前須征得科室同意,經嚴格消毒更換無菌衣后才能進入,維護巡檢非常不便,所以實際使用中將手術室專用配電箱設在非限制區更加合理。UPS分散設置時一般放置在專用配電箱旁,且體積大、質量大,只能落地放置,但直接放置在走道內會占用走道影響疏散,可在手術室與外走廊相鄰的設備夾層或其他房間分隔出電井,檢修門開向走廊,進深不小于0.6 m。

手術室內的電氣布置需要滿足外科手術所需的功能,一般需要配合專業醫療設備廠家進行深化設計,設計前期可先按照最基本的功能需求進行設計。手術室照明采用LED嵌入式密封燈并設防眩光燈罩,局部照明采用手術專用無影燈,手術臺的頭部有時候會轉換,一般在手術臺兩頭各設置3支應急照明燈。手術室內須對物品表面進行照射消毒,可設置吊裝紫外線消毒燈或可移動紫外線消毒器,紫外線消毒燈的開關設在手術室外,并設專用開關防止誤開啟。手術室的外門上方設置手術工作指示燈,燈亮表示手術中,燈滅表示手術結束,可以更方便快捷地傳達手術進程,室內墻面設嵌入式觀片燈,方便主刀醫生查看膠片。手術室照明、手術中門燈、觀片燈等由智能控制面板控制。室內一般設置不少于3個治療設備用電插座箱,至少1個非治療設備用電插座箱,每箱不宜少于3個插座,其中非治療設備用電插座箱內至少要有1個三相插座[3]。手術室電氣平面示意圖如圖3所示。

圖3 手術室電氣平面示意圖

2.3 手術室配電系統

手術室、搶救室為2類醫療場所,用于維持生命、外科手術、重癥患者的實時監控和其他位于患者區域的醫療電氣設備及系統的回路,如無影燈、吊塔、智能控制面板、醫療專用插座箱等,采用醫療場所局部IT系統供電;手術臺驅動機構、X射線設備、額定容量超過5 kVA的設備等,非直接接觸患者身體或非生命支持系統的電氣設備回路,采用帶剩余電流保護器RCD的TN-S系統供電,用于醫療電氣設備的RCD采用電磁式。產房、術后復蘇室雖為1類醫療場所,未強制要求采用局部IT系統供電,但因其場所的特殊性,對配電系統的安全性要求仍然很高,該場所中涉及患者生命安全的設備及其照明回路,仍參照2類場所采用局部IT系統供電。

本項目手術室IT系統和非IT系統設在同一配電箱內。關于單相隔離變壓器的額定輸出容量,《醫規》第5.4.6條3款中要求不應超過10 kVA,GB 51039—2014《綜合醫院建筑設計規范》[4]第8.4.1條1款中要求不宜超過8 kVA,按照最新發布及最嚴格的規定執行,采用8 kVA的單相隔離變壓器。隔離變壓器的一次側與二次側采用單磁式斷路器,即設置短路保護,但不設置動作于切斷電源的過負荷保護,保證手術時不會因為過負荷忽然斷電而造成更大損失。局部IT系統設置絕緣監視裝置,并在各分支回路設置絕緣故障定位系統,可實現系統的絕緣監視、隔離變壓器溫度監視、負荷監視、故障報警、實時數據采集、圖形顯示等功能,最大限度地防止電氣設備回路產生微電擊,同時保證生命支持系統電氣設備的持續供電。局部IT系統的配電線纜采用塑料管敷設,有利于降低醫療場所局部IT系統的容性漏電。手術室配電系統示意圖如圖4所示。

圖4 手術室配電系統示意圖

3 局部IT系統接地

醫療場所局部IT系統又稱隔離電源系統或中性點不接地的配電系統,采用隔離變壓器與供電系統的接地系統完全分開。IT系統中包括中性導體在內的任何帶電部分嚴禁直接接地,用電設備外露可導電部分可單獨或集中接地。手術室內設置可靠的輔助等電位接地系統,輔助等電位接線箱(SEB箱)設在手術室內,一般設在離專用配電箱較近的地方。醫療場所局部IT系統接地及等電位聯結示意圖如圖5所示[5]。需要注意的是,圖中PE排至隔離變壓器的聯結線,其作用是隔離變壓器金屬屏蔽層的等電位聯結,而不是隔離變壓器的中性點接地。局部IT系統不會單獨設置接地極,它既不配出中性線也不配出PE線,根據《醫規》第9.3.2條可知,由局部IT系統供電的設備金屬外殼接地是與TN-S系統共用接地裝置的,原因是在同一場所內如果存在兩個相對獨立的接地裝置,兩者之間可能產生電位差,會威脅到人身安全,在要求電氣安全非常嚴格的2類醫療場所更加不允許存在這種安全隱患。

4 結 語

醫療建筑的電氣設計涉及的內容非常多,本文只是就其中幾個設計要點對醫療建筑的配電系統展開論述,為類似工程的電氣設計提供一些思路,在設計過程中應充分了解相關規范、標準及醫療場所的用電要求,力求為患者和醫護人員提供一個安全可靠的醫療環境。