野战帐篷医院供配电系统设计

刘培朋，饶梦琳，赵君建，石梅生*，张 琼

（1.军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津 300161；2.解放军总医院海南医院信息科，海南三亚 572013；3.山东恒卓医疗科技有限公司，山东德州 253000）

0 引言

野战帐篷医院系统是我军卫勤保障和国家卫生应急救援的骨干卫生装备之一[1]，配备有大量的诊、检、防、救、治医疗仪器设备和血、液、氧、空调、电等医技保障装备，其中供配电保障装备为必备装备，其电力保障能力、供电品质和供配电系统的可靠、稳定运行对野战帐篷医院医疗救治任务的顺利实施和卫勤保障的效能发挥起关键性作用[2]。野战帐篷医院供配电系统设计的特殊性在于：（1）保障对象：即以医疗设备为主，供配电系统交流谐波失真、三相电压不平衡、电流波动、电压偏差、频现尖波、时常发生瞬态过电压和暂态过电压、出现浪涌电压、突发电压下降、噪声干扰等电能质量问题将对医疗设备产生不良影响，甚至损毁设备；（2）作业环境：供配电系统在野外环境下作业面临雷电、雨淋等自然气候的影响；（3）勤务适应性要求：供配电系统应具备快速展开与撤收、便于操作和维护保养等特点。以下将对野战帐篷医院供配电系统设计进行探讨。

1 供配电系统设计

1.1 野战帐篷医院构成

野战帐篷医院由检伤分类、手术、急救、临床检验、X线诊断、药房、制药用水和制压氧等功能模块构成，野外作业时，以帐篷作为掩体和作业平台，依据任务执行地现场地形、地况，按集中布局方式或分散布局方式展开，形成具有检伤分类、急救处置、紧急手术、早期治疗、影像诊断、临床生化/血液/细菌检验、手术器械/敷料灭菌、战救药材发放、处方调剂、供血、医用氧气制备和医用水制备等功能的医疗救治区，对伤病员实施分类后送、紧急救命手术、早期外科处置、部分专科治疗等[3-6]。图1为野战帐篷医院集中式布局展开示意图。

1.2 电力保障需求分析

野战帐篷医院用电设备大致可分为医疗设备、保障设备和照明设备。医疗设备主要有手术灯、高频电刀、麻醉机、监护仪、呼吸机、X线机、心电图机、彩超和生化分析仪等；保障设备主要有消毒灭菌器、制氧设备、制水设备、冷暖空调等；照明设备主要有帐篷内照明灯和场地照明灯，其中场地照明灯通常由独立的专用发电机组供电。各模块用电设备类别、供电类型、负荷等级[7]、用电量等情况见表1。此外，各功能帐篷内的照明设备总用电量为2.52 kW（220 V）。

图1 野战帐篷医院集中式布局展开示意图

表1 野战帐篷医院各模块用电情况

夏季空调用电量比冬季暖风用电量大，故以空调用电量计算用电需求。整个帐篷医院总用电量为82.92 kW。实际作业时，不是所有设备都处于同时使用状态，通常按其最大用电量的80%～90%计算，所需最大供电电量≯75 kW。

1.3 具体设计

1.3.1 系统构成

野战帐篷医院供电系统设计应用箱仪一体化技术，采用箱组式设计理念，由发电机组、电源转接箱（或称主配电柜）、帐篷配电照明箱等组成，主要为帐篷医院在野外作业时提供稳定、可靠的电源，并具有防雷、漏电、相序、短路、过载、接地等保护功能。其中，电源转接箱为2个，各配1根30 m长主电缆线，收拢时缠绕在箱内的电缆盘上；帐篷配电照明箱为15个，内装配电盒、支路电源电缆、应急照明灯、电源转接插排、帐篷照明灯、转接电缆、接地线、接地桩等设备、配件，详见表2。

1.3.2 发电机组配置与电能质量控制

为遵循野战帐篷医院可快速、灵活部署的特点，便于野外装卸、搬运，同时满足用电负荷等级一、二级的医疗设备供电要求，发电机组采用2台30 kW具备并网功能的发电机组和2台8.5 kW的便携式发电机组的配置方式，总供电量为77 kW。当全要素展开时，各发电机组独立供电，或其中2台30 kW发电机组并网供电，确保可靠供电；为满足应急前伸需要，受运力限制时，选配2台8.5 kW便携式发电机组，供手术急救和必要的诊断使用。发电机组电能质量应达到国家军用标准关于军用交流移动电站二类以上指标要求[8]，以满足医疗设备对交流谐波失真、电压偏差、尖波、噪声干扰等供电品质要求。

表2 帐篷配电照明箱内装设备、配件明细

1.3.3 供配电原理

（1）电源转接箱。

根据医疗设备用电特点和野战帐篷医院电力保障需求，基于供配电系统基本原理[7-9]和设计规范[10]，电源转接箱供配电原理框图如图2所示。电路中设有转换开关、单相和三相防雷器、相序保护器、电源指示灯、三相电压和电流显示器、总断路器和分断路器等，其中转换开关用于三相380 V或单相220 V供电电源的转换，以适应不同环境下的供电保障条件；单相和三相防雷器用于释放雷电引发的瞬时过电压形成的浪涌电流，以保护用电设备不受损毁；相序保护器在供电电源相序与预设不符时将跳闸，并产生报警信号，以保护三相用电设备电动机不发生抱缸现象而损毁整个设备；电源指示灯用于监视A、B、C三相进线的供电电源是否正常；三相电压和电流显示器分别用于显示A、B、C三相供电电压和电流的实时数值；总断路器带有漏电、过流、过压保护功能，既起保护作用，又作为电源总开关；分断路器具有过流、过压保护功能，既起保护作用，又用于各三相电源输出的分开关。电源输入端设有单相和三相电源输入接口，输入接口均采用快插式电连接器，通过主电缆线与发电机组快速连接。输出端设有8路三相电源输出和1路单相电源输出，额定容量40 kW。所有输出端口均采用快插式电连接器，不同功能、不同供电方式和不同容量的各电连接器采用防差错方式设计，以防误操作，相同功能、相同供电方式、相同容量的各电连接器采用一致性方式设计，便于通用。本设计中的快插式电连接器选用航空式接插件。

图2 电源转接箱供配电原理框图

（2）配电盒。

配电盒供配电原理如图3所示，电路中设有三相断路器、转换开关、电源指示灯和单相断路器，其中三相断路器具有漏电、过流、过压保护功能，作为电源总开关；转换开关用于选择A、B、C哪相供电，当三相供电负荷不平衡时，可通过该转换开关切换供电线路，确保三相负荷相对平衡，使发电机组稳定运行；电源指示灯用于监视A、B、C三相进线的供电电源是否缺相；单相断路器具有过流、过压保护功能，作为各路的开关，分别控制各路供电电源输出。电源输入端口采用快插式电连接器，通过分支电缆线与电源转接箱快速连接。输出端共设2路三相电源输出、4路单相电源输出和1路直流24 V照明输出，其中2路三相电源输出中，一路是直接从三相电源输入端转接输出，输出端口采用快插式电连接器，另一路则是经过电源总开关后采用插座形式输出；4路单相电源输出中，3路采用快插式电连接器输出，1路采用插座形式输出；照明输出是经开关电源将交流220 V转换成直流24 V输出，以适应24 V高亮度发光二极管（light emitting diode，LED）照明灯，其输出端口采用快插式电连接器。由表1可知，手术、急救模块的用电负荷等级为一级负荷中的特别重要负荷，设计中在配电盒与手术、急救用电设备之间增设不间断电源（uninterruptible power supply，UPS），确保手术、急救期间的可靠供电。

1.3.4 供配电方式

本供配电系统由发电机组、电源转接箱和帐篷配电盒构成三级供配电网络，采用以并联为主、并串结合的供配电形式，为集中或分散展开布局方式的野战帐篷医院各用电设备供电，如图4、5所示。发电机组向电源转接箱供电为一级供配电网络，电源转接箱向各帐篷配电盒供电为二级供配电网络，帐篷配电盒向各终端用电设备供电为三级供配电网络；电源转接箱采用并联方式向手术、急救、检伤分类、X线、指挥、病房等各功能帐篷配电盒供电，而通道帐篷配电盒则采用串联方式由功能帐篷配电盒供电。

图3 配电盒供配电原理框图

图4 野战帐篷医院集中展开布局方式的供配电方案

图5 野战帐篷医院集中分散布局方式的供配电方案

2 供配电作业

2.1 供配电方案

以野战帐篷医院集中布局的展开作业方式为例，如图4所示，将发电机组并网后的动力电分成2路分别送至帐篷医院医疗功能区两侧的电源转接箱，再通过电源转接箱分别送至各医疗帐篷内配电盒和冷暖空调。用电量较大的设备可直接从电源转接箱进行电力转接。

2.2 作业流程

2.2.1 展开

（1）发电机组就位。

帐篷医院手术、急救、病房等医疗救治功能区域应具有相对舒适、安静的环境，而发电机组运行噪声大，因此应尽可能远离这些功能区进行布设，通常设在保障帐篷或X线帐篷右后方20 m之外区域。

（2）电源转接箱展开。

根据图4所示的供电方案，将电源转接箱设置在医疗功能区的两侧，确认电源转接箱的所有电源开关、输出断路器处于断开状态之后，通过主电缆线以快插方式连接电源转接箱和发电机组，并埋好接地柱，接好地线。

（3）配电照明箱就位及配电盒展开。

展开时，将帐篷内配电照明箱设置在各功能帐篷内的一端，从箱内取出帐篷内配电盒，悬挂在帐篷内的挂环上或放置在配电照明箱上。确认帐篷配电盒的所有电源开关、输出断路器处于断开状态之后，通过箱内的电缆线以快插方式连接配电盒和电源转接箱，并埋好接地柱，接好地线。帐篷内配电照明箱收拢状态如图6（a）所示，内部结构如图6（b）所示。

所配的可移动式配电盒具有通用性，设有4路输出电源接口和1路220V/2 A照明电源接口，4路输出电源接口分别为1路主电路转接、1路空调电源转接和2路仪器设备插座，如图7所示。

2.2.2 发电与供电

首先确认发电机组电源输出总开关和输出断路器处于断开状态，然后按照操作说明展开发电机组并启动，待发电机组运行稳定后再合上发电机组电源输出总开关；确认所需供电之路的供电线路连接好后，再合上该路输出断路器。依次确认电源转接箱、帐篷内配电盒电源的三相电压、相序正常，合上总开关和各路断路器。

图6 配电照明箱收拢状态和内部结构示意图

图7 医疗帐篷用配电盒展开示意图

2.2.3 监控

供电期间，随时观察发电机组的运行状态，查看供电线路、电源转接箱、帐篷内配电盒以及各用电设备的工作状态，尤其是用电量较大的设备，一旦出现异常立即断开该路供电线路，及时查明故障原因，排除故障后方可供电。

2.2.4 撤收

供电系统撤收的作业流程与展开流程相反，但必须注意：在断开发电机组、电源转接箱和配电照明箱的所有开关和断路器之后，方可拆卸各航空快插式电连接器并撤收电缆线，确保作业安全。

2.3 注意事项

供配电系统应注意以下几个方面：

（1）安全操作：作业过程中，牢记安全意识，严禁带电作业。接地桩和接地线应按勤务教材要求及时、规范设置，并连接可靠。

（2）规范化作业：撤收时，严格按照勤务教材要求，将撤收的供电器材放置回原包装箱，做到归类有序，便于下一次快速作业。

（3）及时检修：任务完成后，及时对供配电装备进行检修，更换受损电器元件，补充照明灯等耗材，确保下次保障任务的顺利实施。

（4）妥善存放：储存时，避免野外露天下长期裸露闲置，防止雨水淋泡，以免受潮、漏电。

3 试验与应用

本供配电系统随野战帐篷医院系统经国家包装产品质量监督检验中心（天津）、军队车辆装备检测试验中心等具有国家、军队资质的第三方检测机构进行了电气安全性、环境适应性等试验，检验情况见表3。

电源转接箱、帐篷配电盒的A、B、C三相回路之间和各相与地之间的绝缘电阻在试验电压500 V、判定时间60 s的试验条件下均为9 999 MΩ，电介质强度试验在试验电压1 200 V、判定时间60 s的试验条件下均无击穿或闪烁现象，接地电阻在测试电流10 A的试验条件下分别为56和42 mΩ；电源转接箱和配电照明箱在高温70℃和低温-55℃的储存试验条件下未见异常，供配电系统在高温46℃和低温-41℃的工作试验条件下正常供电；配电照明箱经振动频率4.2 Hz、振幅25 mm、振动时间120 min的正弦定频振动（反复冲击）试验后外观和内装物均无异常，经2～5 Hz扫描频率范围时位移 1 in（1 in=25.4 mm）、5～300 Hz扫描频率范围时加速度1.3g和速率0.5 oct/min的120 min扫频振动试验以及14.32 Hz共振频度上加速度1.3g的15 min定频振动试验后外观和内装物均无异常。

表3 供配电系统检验情况

本供配电系统随野战帐篷医院系统进行了部队适应性试验，结果表明：作业能力和保障功能满足野战帐篷医院野外作业电力保障要求，供电正常，维护保养方便，与部队配发的野战电站具有良好的匹配性。

本供配电系统随野战帐篷医院参与了朱日和“卫勤使命-2014”卫勤保障演练、“和平友谊-2015”中马卫勤联合演习、“联合救援-2016”中德卫勤实兵联演等，受到了实战检验。应用结果表明：本供配电系统满足野战帐篷医院的电力保障需求，适应多种展开布局方式，确保了野战帐篷医院野外医疗救治的顺利实施，有效地提升了野战帐篷医院的卫勤保障能力。

4 结语

本供配电系统通过性能指标检测，达到设计指标要求，满足野战帐篷医院供电保障需求，并已得到应用。实践表明，欲提高供配电的保障效能，一是必须了解保障对象的功能、构成、使用状态及医疗设备用电负荷等级，熟悉关键设备对电力保障的要求，掌握大型设备的供电安全要求；二是平时多演练供配电操作技能，熟悉作业规程，对各阶段作业步骤烂熟于心，才能做到快速展开、精准保障；三是多学习供电基础理论和供电装备维护保养与故障维修知识，确保现场第一时间排除故障，做好常规的维护保养，使供配电装备时刻处于最佳状态。供配电的规范化作业和及时维护保养对野战帐篷医院野外医疗救治的顺利实施发挥了积极的作用。本供配电系统的研究为国家重点研发计划“紧急医学救援保障成套化装备关键技术研究”中的可空投式帐篷医院供配电系统设计奠定了基础，针对可空投式帐篷医院，本供配电系统在箱体的体积、质量和强度方面还有待进一步改进。下一步拟采用3D结构设计技术并选用新型电气元件以进一步减小体积，采用碳纤维材质减轻质量和增加强度，以满足机载和空投要求。