Как показывает практика, проектирование сетей питания медицинских учреждений во многих случаях сопровождается определенными трудностями. Основной причиной является отсутствие единого комплекса современной нормативной базы в данной области.
К отечественным документам, регламентирующим проектирование и работы по силовым сетям питания медицинских учреждений, относятся:
- инструкция РТМ-42—80 — организация питания операционных;
- ПУЭ п.1.6.12 — пункт об обязательном применении автоматического непрерывного контроля изоляции в сетях переменного тока с изолированной нейтралью до 1 кВ;
- ГОСТ 30030 — требования к изолирующим трансформаторам.
Практическим выходом из сложившейся ситуации может быть ориентация на международные нормативы, где данные вопросы проработаны весьма тщательно. К таким стандартам относится IEC 60364—7—710.2001 (стандарт безопасности в медицинских учреждениях).
Классификация помещений
Согласно IEC 60364—7—710.2001 в зависимости от вида медицинских процедур, проводимых в помещениях, предусмотрена следующая классификация помещений:
- Гр 0 — мед. помещения, где не используются электроприборы;
- Гр 1 — мед. помещения, где приборы используются внешне или внутренне, но авария силового питания не может привести к гибели или серьезному ущербу для жизни пациента;
- Гр 2 — помещения, где первичная неисправность в цепи питания не должна приводить к отказу аппаратуры жизнеобеспечения.
К помещениям Гр 2 относятся: операционные, помещения интенсивной терапии, анестезионные, комнаты подготовки к операции, комнаты послеоперационного восстановления, искусственного сердца и помещения с детьми, родившимися недоношенными.
Для питания электроприборов в помещениях медицинских учреждений Гр 2 с целью обеспечения максимальной электробезопасности предписывается использование разделительных трансформаторов с системой контроля изоляции сети (режим изолированной нейтрали или IT сеть).
Построение сети с изолированной нейтралью
Основным способом получения IT-сети является применение разделительного трансформатора (рис.1).
Нагрузка подключается к силовым выходам трансформатора, а корпус прибора к заземляющей шине для предотвращения накопления статического заряда.
В случае применения трехфазного трансформатора выходное напряжение может быть как 220\380 В 50 Гц, так и трехфазное 220 В 50 Гц без использования нейтрали, где однофазная нагрузка подключается к линейному напряжению.
Цель использования и достоинства IT-сетей
Применение разделительных трансформаторов с системами контроля изоляции требует достаточно больших затрат и возникает законный вопрос о необходимости тратить такое количество средств.
Приведем ряд преимуществ, которые дает сеть с изолированной нейтралью.
- Первичный пробой (фаза — корпус) в отличие от TN-S сетей не приводит к аварии (рис. 2).
Результатом короткого замыкания любого из выходов трансформатора на заземление (корпус прибора) становится переход IT-сети в разряд сети типа TN-S.
При отсутствии устройства контроля изоляции данная ситуация может пройти незамеченной, поэтому для сетей с изолированной нейтралью обязательным является применение реле контроля изоляции (РКИ), обеспечивающего непрерывный контроль за состоянием изоляции выходной обмотки трансформатора и распределительной сети.
- Одновременное касание заземленного, неизолированного элемента конструкции и любого из силовых выходов разделительного трансформатора является безопасным. В «идеальной сети» напряжение равно нулю. В реальных сетях токи утечки составляют микроамперы, что значительно меньше уровня токов безопасности и не представляет угрозы.
- Разделительный трансформатор сам по себе является неплохим фильтром помех и хорошей защитой от импульсных, грозовых перенапряжений, что обеспечивает более надежную работу подключенной аппаратуры. Это свойство часто используется для обеспечения надежной работы цифровой аппаратуры на предприятиях в условиях высокого уровня помех от работы оборудования.
В результате, высокая надежность, электробезопасность и помехозащищенность IT-сетей определило их использование в нефтехимической отрасли, на шахтах, на транспорте и в медицине.
Применение разделительных трансформаторов и организация распределительной сети для питания медицинской аппаратуры имеет ряд специфических требований и правил.
Для сетей питания медицинского оборудования принят пороговый уровень сопротивления изоляции IT-сети в 50 кОм, что соответствует току утечки 4,4 мА.
Принцип организации питания медицинской аппаратуры
В основу организации сети питания для мед. аппаратуры в помещениях Гр 2 заложены три основных принципа:
- Использование устройств преобразования, передачи и распределения энергии обеспечивающих высокий уровень изоляции и надежности сети.
- Обеспечение непрерывности питания аппаратуры, как необходимого условия безопасности жизни пациентов.
- Непрерывный контроль персонала за состоянием IT-сети.
Требования к разделительному трансформатору
- Мощность разделительных трансформаторов ограничена диапазоном 0,5—10 кВА, как для однофазных, так и для трехфазных трансформаторов.
Данное требование связано с тем, что контроль за множеством потребителей в сильно разветвленной распределительной сети менее эффективен. Возникновение аварии или нарушения изоляции в любой из частей может привести к общей аварии сети и затрудняет поиск места неисправности. С этим связано требование нормативов, определяющее питание каждой операционной от одного трансформатора (РТМ-42).
- Выходное напряжение трехфазного изолирующего трансформатора 3 ф 220В.
Наличие линейного напряжения 380 В в помещении с медицинским оборудованием запрещено, так как является фактором, снижающим электробезопасность помещения (IEC 60364—7—710, Инструкция РТМ-42).
Подключение потребителей к трехфазному трансформатору осуществляется по приведенной схеме на рис. 3.
Применение трехфазного трансформатора требует соответствующей схемы организации распределительной сети, так как провод нейтрали не используется.
- Обязательное наличие экранирующей обмотки.
Данное требование уменьшает вероятность пробоя изоляции между первичной и вторичной сетями в случае аварии трансформатора и существенно уменьшает токи утечки, вызванные «паразитной» емкостью между обмотками. В-третьих, разделительный трансформатор с экранирующей обмоткой является неплохим фильтром высокочастотных помех, что весьма положительно сказывается на работе аппаратуры.
- Повышенные требования к изоляции трансформатора соответствующие медицинским стандартам.
Например, испытательное напряжение между обмотками и обмотками и корпусом 4150 В.
- Система плавного старта.
Обязательное требование ГОСТ 30030. Пусковой ток обычного трансформатора составляет от 5 до 8 крат рабочего тока, что может вызывать срабатывание автоматов защиты стандартного исполнения со стороны питающей сети и влиять на работу стороннего оборудования, инициируя кратковременный провал напряжения питания.
- Отклонение выходного напряжения на холостом ходу и под нагрузкой не более 5% от U ВХ.
- Повышенная нагрузочная способность.
- Обязательный контроль температуры обмоток.
Благодаря измерению этих параметров персонал получает оперативную информацию о перегрузке сети и выполняет необходимые мероприятия (например, отключает неиспользуемые нагрузки).
- Система контроля изоляции (РКИ).
- Выход дистанционного контроля (сигнализации) о превышении уровня нагрузки и температуры.
- Пост дистанционного контроля трансформатора (ПДК).
Требования к посту дистанционного контроля
- Индикация состояния сопротивления изоляции «НОРМА» при R > 50 кОм, «ПРОБОЙ» при R < 50 кОм.
- Индикация превышения допустимой температуры трансформатора.
- Кнопки дистанционного тестирования системы контроля изоляции.
Функция, необходимая для периодической проверки системы контроля изоляции.
- Отключаемый звуковой сигнал при выходе любого из контролируемых параметров за пределы нормы.
Так как большинство медицинских приборов имеет собственную звуковую сигнализацию (например ритм биения сердца), то звуковая сигнализация от поста дистанционного контроля может мешать проведению операции. Персонал, получив информацию о перегрузке трансформатора или снижении сопротивления изоляции сети, отключает звуковую сигнализацию поста.
- Исполнение, допускающее обработку санитарными растворами.
- Напряжение питания и индикации не более 24 В.
Обеспечение бесперебойности электропитания
Ввиду исключительной важности стабильного функционирования электрооборудования в медицинских учреждениях предусматривается питание электросети по категории 1. Наличие двух независимых источников питания является обязательным условием. Однако, участившиеся в последнее время техногенные аварии зачастую приводят к обесточиванию целых районов города и для надежности электроснабжения в качестве третьего источника питания применяют дизельные станции с системой автоматического запуска и источники бесперебойного питания.
Согласно IEC 60364—7—710.2001 в зависимости от рода работ для помещений групп 1 × 2 установлены различные продолжительности времени переключения и работы резервного источника питания:
- Время переключения менее 0,5 секунд для освещения операционных столов и другого необходимого осветительного оборудования с обеспечением бесперебойности электроснабжения при полной аварии по двум вводам на период не менее 3 ч.
- Время переключения менее 15 секунд для аварийного освещения, медицинского оборудования группы 2, оборудования питания медицинского газа, пожарной сигнализации.
- Время переключения более 15 секунд для оборудования поддержания больничных служб (стерилизаторы, холодильное, кухонное оборудование и т. д.).
В случае, если АВР на входе питания сети не удовлетворяет условию времени переключения (менее 0,5 сек.), возможно локальное применение источников бесперебойного питания для части нагрузок.
Источник бесперебойного питания устанавливается до разделительного трансформатора.
Построения сети питания
В настоящий момент не существует универсальной схемы электроснабжения для больниц и других учреждений здравоохранения. В каждом конкретном случае инженер, проектировщик вынужден самостоятельно решать вопрос по структуре электроснабжения объекта. Использование типовых европейских схем представляется сомнительным, так как для первой категории электроснабжения по их стандартам достаточно иметь один ввод от трансформатора подстанции и дизельную станцию. Нагрузки делятся на две группы AV — рабочее электроснабжение и SV — резервированное электроснабжение соответственно. Дизельная станция, в случае аварии основного ввода, поддерживает лишь группу нагрузок SV (рис.4).
Опыт разделения нагрузок на две основные части имеет существенные преимущества, особенно для больших больничных комплексов:
- Позволяет существенно уменьшить мощность дизельной станции, что в итоге сказывается на цене проекта.
- Улучшает надежность работы ответственных нагрузок с точки зрения помех.
На рис.4 приведен пример структуры энергоснабжения, использующий именно этот принцип.
В нормальном режиме питание разделенных нагрузок осуществляется каждой от своего ввода. При аварии любого из вводов АВР автоматически переключает все нагрузки на рабочий ввод. В случае аварии обоих вводов автоматически запускается дизельная станция и обеспечивается подача питания на ответственные нагрузки (SV).
Создание АВР с подобной схемой и описанным алгоритмом работы на современном уровне элементной базы особых трудностей обычно не вызывает.
Размещение оборудования
Принцип размещения электрооборудования достаточно стандартный, однако следует обратить особое внимание на расположение поста дистанционного контроля трансформатора (ПДК). Обязательно размещение его в зоне работы персонала, для оперативного получения информации о состоянии IT-сети и трансформатора.
При реконструкции больниц часто возникает проблема с установкой разделительных трансформаторов. В принципе, допустимо установить трансформатор в помещении операционной, но при выполнении следующего условия: трансформатор должен представлять собой закрытый электротехнический шкаф со степенью защиты IP 54 с возможностью обработки его санитарными растворами.
На рис. 5 приведен пример типовой и проверенной на практике схемы подключения консолей жизнеобеспечения операционной к разделительному трехфазному трансформатору мощностью 6 кВА (перегрузочная способность до 10 кВА в течении 30 мин.). Указанные номиналы автоматов обеспечивают стабильную работу системы и максимальную мощность нагрузки до 3,5 кВА на розетку.
Светильники операционого стола
К обеспечению электропитанием операционных светильников предъявляются самые жесткие требования. Согласно нормативам, время прерывания напряжения питания должно составлять не более 0,5 сек. и обеспечена бесперебойная подача напряжения не менее 3 ч при полном отключении электросети в случае аварии.
Средняя мощность светильников составляет 450 Вт. С напряжением питания возможны два варианта — 220 В 50 Гц или 24 В постоянного\переменного токов. При первом варианте питание осуществляется от разделительного трансформатора (РТМ-42, пункт 2.3.7), запитанного, в свою очередь от ИБП с соответствующей емкостью батареи. Во втором варианте питание осуществляется от специализированного ИБП (например ШБП 800—24), что с точки зрения затрат существенно дешевле и надежнее.
Защитное заземление и выравнивание потенциалов
Операционные помещения должны иметь защитную заземляющую шину из меди сечением не менее 80 мм2, либо из другого материала с эквивалентным по проводимости сечением.
Удельное электрическое сопротивление для различных проводников дано в таблице 1.
| Материал проводника | Удельное сопротивление мкОм х м | Коэффициент сопротивления по отношению к меди | Требуемое сечение для шины заземления мм2 |
|---|---|---|---|
| Медь | 0,017 | - | 80 |
| Сталь | 0,1 | 5,88 | 470 |
Операционный стол, наркозный аппарат и вся электромедицинская аппаратура, выполненная по 01 × 1 классам электробезопасности, должны быть соединены с шиной заземления проводниками.
Выбор сечения заземляющего проводника см. таблицу 2.
| Сечение питающего проводника мм2 | Сечение заземляющего проводника мм2 |
|---|---|
| менее или равно 16 | равно питающему |
| от 16 до 35 | не менее 16 |
| более 35 | 1\2 питающего |
Минимальное сечение защитного заземляющего проводника, имеющего механическую защиту, должно быть 2,5 мм2, а не имеющего механической защиты — 4 мм2.
Все штепсельные розетки должны быть с заземляющими контактами с сечением проводников подключения 2,5 мм2.
При расположении шины заземления по всему периметру операционной, шину выравнивания потенциалов не устанавливают.
Шина заземления крепится к стене с плотным прилеганием. Щели недопустимы.
В случае, если стены зашиты гипроком, то шина заземления должна проходить по капитальной стене, а в гипроке располагаются специальные розетки заземления, соединенные с основной шиной заземления проводником сечением 4 мм2.
При согласовании готового проекта в Энергонадзоре, как правило, возникает довольно серьезный и конфликтный вопрос о заземлении розеток, питающихся от разделительного трансформатора. Дело в том, что в ПУЭ присутствует пункт 1.7.85 о подключении нескольких нагрузок к разделительному трансформатору в режиме изолированной нейтрали.
Приведем дословно содержание:
«… Допускается питание нескольких электроприемников от одного разделительного трансформатора при одновременном выполнении следующих условий:
2) открытые проводящие части отделяемой цепи должны быть соединены между собой изолированными, незаземленными проводниками местной системы уравнивания потенциалов, не имеющей соединений с защитными проводниками и открытыми проводящими частями других цепей;
3) все штепсельные розетки должны иметь защитный контакт, присоединенный к местной незаземленной системе уравнивания потенциалов…»
Теперь, для наглядности, нарисуем рекомендуемую данным пунктом схему (рис. 7).
К сожалению, требования данного пункта пытаются распространить и на подключение аппаратов в операционных.
Результатом включения при данной схеме будет следующее:
- Системы контроля изоляции, как отечественного, так и импортного производства не смогут обнаружить первичный пробой.
- Появляется возможность накопления статического электричества на корпусах приборов, находящихся во взрывопожароопасном помещении операционной (мед. газы).
Пункт 1.7.85 противоречит пункту 1.7.104 того же ПУЭ, где даются расчеты заземления для сетей с изолированной нейтралью, пункту 2.4.4 РТМ-42, а заодно и европейским стандартам.
С точки зрения здравого смысла, в данном случае, для обеспечения безопасной и надежной работы электроаппаратов оптимально использовать подключение на выделенное технологическое заземление.
Заключение. В статье сделана попытка ответить на два основных вопроса: почему именно так и как это реализовать на практике. Надеюсь, что изложенные материалы помогут инженерам-проектировщикам в их работе, а специалисты нашей компании всегда готовы дать более подробную консультацию по данным вопросам.
В. В. СОСНИН,
технический директор компании ЗАО «НПФ Полигон».
Тел.: (812) 327-07-06
sosnin@poligonspb.ru
