医用低压配电柜(MDP)的设计

吴晓亮

(河北汇能电子技术有限公司,河北石家庄 050035)

医用低压配电柜(MDP)的设计

吴晓亮

(河北汇能电子技术有限公司,河北石家庄 050035)

医院的供配电方式与其他民用建筑有较大区别,为了保证对该场所内的医疗电器提供一个安全可靠的电源,以确保病人的安全,本系统采用IT供电系统,运用PLC逻辑控制及通讯的优势,替换传统低压控制电路器件,即节省了成本,由提高了系统的可靠性和操作性。

低压配电;断路器级联;PLC;IT供电系统

1 引言

医院因其工作的特殊性,医院的供配电方式与其他民用建筑有较大区别,尤其在医院的特殊环境里,漏电流对病人构成了潜在的危险,因此对电气安全设计提出了特殊而且严格的要求。尤其是那些生命攸关的场所,如外科手术室、重症监护室等地均需安装医用IT供电系统(IT指不接地供电系统,此系统俗称医用隔离电源),其目的就是为了保证对该场所内的医疗电器提供一个安全可靠的电源,以确保病人的安全。为此,笔者设计了一种医用低压配电柜(MDP)。

2 功能要求

1)系统主空开关并和配电柜门之间设有机械联动装置,确保只要在主空开关断后才可打开柜门(可为专用人员设有“后门”)满足IEC60204-6.2.2要求。

2)系统设有急停按钮“E-OFF”和主功率恢复按钮“main power on”。不管系统工作在何种状态,按下“E-OFF”键,系统所有功率部分均被断开,系统各部分处于无电状态(包括UPS输出)。按下“main pow er on”键,系统立刻恢复到从前(除PDU分路需要人工干预)工作状态。

3)除PDU分路(the Power Distribution Unit(PDU))在启动时需要人工干预(无停电后重启功能)。其他各分路在停电后有延时重启功能,且延时时间可设制(0s～30s)。

4)各分路有各自相应的状态指示功能和分路开关功能。

3 功能实现

3.1 安全性设计

①IT系统须由专用的医用隔离变压器供电。由于系统电源端带电导体不接地,即使系统发生单相接地故障也只能通过系统对地电容构成回路,故障回路阻抗极大,故障电流极小,发生电击的危险很小,所以不必及时切断电源来防电击,从而维持供电的不间断,只有在发生第二次接地故障时才要求切断电源。同时,安装在系统中的绝缘监测器能及时地检测并给出系统绝缘故障报警信号,提醒工作人员及时排除故障。因此该系统是一个连续、可靠的供电系统。

②单相医用隔离变压器二次线圈的额定电压120V,医用隔离变压器的金属外壳需与局部等电位联结端子板联结;在该系统中,提高回路的绝缘阻抗、降低回路对地电容,是提高系统安全性与可靠性的关键。因此在系统设计时要尽量缩短系统配电线路的长度,减小系统容量,减少系统分支回路数,并做好线路的绝缘防护措施。

③隔离变压器的上级和下级馈电回路不允许装设过负荷保护,可用熔断器作短路保护。系统中的绝缘监测器,一方面实时监测系统的绝缘状态,另一方面还检测系统的过负荷和变压器的温升状态,一旦出现异常立即报警。因此该系统能够减少因系统发热、漏电等原因引起的电气火灾事故,大大提高了系统的防火安全性。

机柜外壳设计达到IP2X的要求标准;柜门与主开关具有联锁装置,确保断电后才可开启柜门,符合IEC60204-6.2.2 b要求;柜内带电的接头和端子均采用绝缘防护且满足IP2X标准;对控制操作部分采用PELV(安保特低电压)设计;柜内具有良好的等电位接地连接。

3.2 功率部分设计

三相总输入经空开引入,通过三相汇流端子,给5个分路供电。总开关和各分路开关下级设接触器和熔断器,实现输出控制和电流三段保护。

3.2.1 断路器的选择

(1)断路器极限分断能力(Icu)的选择:断路器的极限分断能力(Icu)应大于其所在电路处的短路电流(Isc)即Icu>Isc;上下级断路器可采用级联技术,降低下一级断路器的分断级别。选型时可参考断路器生产厂商提供的级联表。

根据要求,主断路器CB1分断能力(Icu)选为1600A大于要求1000A;分路断路器CB2～CB5的分断能力(Icu)选为1000A～620A。路断路器CB6～CB9的分断能力(Icu)选为小于620A即可。具体参数见元器件清单(表1)。

(2)断路器额定电流的选择:在选择断路器额定参数时,要考虑到上下级断路器之间的选择型。即:通过上下级断路器之间的电流选择性、时间选择性和能量选择性来实现整个电路的全选择性或局部选择性,可参考断路器生产厂商提供的选择性表。额定电流(In)的选择取决于它要保护的下级用电设备的额定电流(I),即In>I;断路器在环境温度和海拔高度超出规定值范围(40℃;3km)使用时要做降容使用。根据设计要求,综合考虑各级分路容量分配,选择合适的额定值,具体参数见元器件清单。分路分配形式见原理图(图1)。

(3)断路器脱扣特性的选择:断路器根据使用环境的不同,设计有B、C、D等不同电磁脱扣特性。根据此配电柜的使用要求,除CB1路断路器选用B脱扣特性外,其他断路器均选用C脱扣特性。

3.2.2 导线参数选择

在各分路容量确定后,即各分路所用断路器的额定值得以确定后,各分路所用导线的参数也得以确定。在选择导线时要遵守这个原则,就是分路所选导线的额定电流(I0)值应该大于其上端的电流分断保护装置的额定值(In),即I0>In。再结合各厂家提供的导线选型表选型。

3.2.3 其他元件的选择

变压器和继电器、交流接触器等元件的额定值的选择,要本着大于本级电流分断保护装置的额定值的要求选取。这样才能起到对元件的保护作用。具体参数见元器件清单(表1)。

表1 元器件清单

3.3 控制部分设计

采用可编程控制器(PLC)对电路进行逻辑控制,PLC采用两路选择性输入,一路从总输入下方通过变压器变压到120V后引入;另一路从UPS输出端引入。两路优先第一路,第一路断电时自动切换到第二路。PLC内置超强电容,停电状态下可保持数据近1年。原理图见图1。

图1 逻辑控制原理图

4 结论

该系统经过在一些医院实际应用,效果良好,该系统具有泄漏电流小,可带故障运行的特点;比目前国内大部分医院采用的 TN系统配电接地方式性能优于很多,TN系统接地故障多为金属性短路,故障电流大,使断路器等过电流保护装置动作,造成停电。因此该系统在大型医院、地下矿井、石油化工等领域应用前景。

[1]王增尧.低压配电设计规范.北京.:北京中国计划版社,1995.

[2] 孙娟.机械安全.机械电气设备.北京:中国标准出版社,2003.

[3] 董保生.低压成套开关设备和控制设备.北京:中国标准出版社,2006.

[4] 黄兢业.低压系统内设备的绝缘配合.北京:中国标准出版社,2008.

The design of medical low-voltage distribution cabinet(MDP)

WU Xiao-liang

(Hebei HuiNeng electronic technology Co.,L TD050035,Hebei province Shijiazhuang)

There w as difference of themeans of the pow er supp ly betw een the the hospital and the civil construction.In o rder to ensure the safety and reliability of source of themedical device and guarantee safety of patients,the system was designed by IT power supp ly system,w hich use the advantagesof PLC logic contro l to rep lace the traditional low-vo ltage control circuit devices,w hich can save cost and imp rove maintainability and operability and extend the function.

Low-voltage distribution;Circuit breaker cascade;PLC;IT power supp ly system

TP271

:A

1001-9383(2011)02-0049-04

2011-04-20

吴晓亮(1974-),男,河北省石家庄市人,主要从事电气工程及结构设计.