医院接地与电击防护探讨

容 浩

(中南建筑设计院股份有限公司，武汉 430071)

0 前言

接地及安全防护是建筑电气设计的一个重要组成部分。对于医院而言，由于部分用电的医疗仪器设备需要直接接触人体，则用电设备的接地、人员的电击安全防护就显得尤其重要。

近段时期中国和欧洲的一些规范、标准如JGJ 312-2013《医疗建筑电气设计规范》、GB 51039-2014《综合医院建筑设计规范》、GB 16895.21-2011/IEC 60364-4-41：2005《低压电气装置第4-41部分：安全保护 电击防护》、IEC 60364-4-41：2017《Low-voltage electrical installations - Part 4-41: Protection for safety - Protection against electric shock》、IEC 60364-7-710：2018 CDV《Low voltage electrical installations - Part 7-710: Requirements for special installations or locations - Medical locations》及BS 7671：2008 Amendment 3：2015《Requirements for Electrical Installations - PART 7 Special installations or locations-SECTION 710 Medical locations》等均已或正在更新编制。

上述标准规范中关于医院的接地安全防护不完全一致，究竟如何实行应值得关注。本文就针对以下内容进行了讨论：医院的接地、1类2类医疗场所的电击防护措施及其特点。

1 医院的接地

1.1 医疗场所分类

根据JGJ 312-2013《医疗建筑电气设计规范》，医疗场所分为三类，具体如下。

0类：不使用医疗电气设备接触部件的医疗场所。

1类：医疗电气设备接触部件需要与患者体表、体内(除2类医疗场所所述部件外)接触的医疗场所。

2类：医疗电气设备接触部件需要与患者体内接触、手术室以及电源中断或故障后将危及患者生命的医疗场所。

这三类场所的分类及定义与GB 16895.24—2005/IEC 60364-7-710：2002《建筑物电气装置第7-710部分：特殊装置或场所的要求 医疗场所》的定义是基本一致的。国内其他标准规范也与上述分类和定义一致。

根据上述规范，医院内与病人相关场的大部分所均为1类医疗场所，如门诊室、病房、各功能检查室、影像科各检查室(心血管造影检查室除外)及理疗室等。其他少数场所为2类医疗场所，如手术室、重症监护室ICU、心血管造影检查室、急诊抢救室等。

需要注意的区别是，IEC的标准中将手术辅助用房(如术前准备室、麻醉室、术后复苏室等)归为2类医疗场所，我国的规范(如JGJ 312、GB 51039)中则将上述手术辅助用房归为1类医疗场所。

1.2 2类医疗场所的接地

2类医疗场所低压配电系统的接地型式通常采用局部IT系统，同时部分设备采用TN-S或TT系统。2类医疗场所内，由IT系统供电的设备金属外壳接地与TN-S系统共用接地装置，图1～2是以手术室为例的两种接地方案。

图1 医院手术室IT系统接地方案一

图1引自BS 7671：2008 Amendment 3：2015，由图中可以看到：(1)左侧引入的电源采用TN-S系统。其中相导体、中性导体接入IT隔离变压器的原边，TN-S系统的保护接地导体(PE线)由TN-S电源配电箱的PE端子排引来，该PE线连接IT电源配电箱的PE端子排；(2)IT隔离变压器的铁芯、金属外壳通过IT电源配电箱的PE端子排接地；(3)手术室内辅助等电位联结端子板(SEB)通过截面不小于10mm2的铜导体联结IT电源箱PE端子排；(4)手术室辅助等电位联结范围包括：手术室范围内的手术台金属构架、金属龙头及管道、无影灯、导电地板的金属网格等。

图2 医院手术室IT系统接地方案二

图2引自BS 7671：2018，由图中可以看到，图2与图1的区别主要是：(1)手术室内辅助等电位联结端子板(SEB)与IT电源箱PE端子排不直接联结；(2)手术室辅助等电位联结范围还包括：外界可导电部分(普通照明灯具外壳)、采用IT系统配电的设备外壳、采用TN-S系统配电的设备外壳。

由图2可以得到一个结论，即手术室SEB需联结手术室范围内所有可以联结的设备。

1.3 大型医疗设备的屏蔽接地

医院建筑的一个特点是有较多类型的诊疗设备，这其中包括一些大型诊疗设备，如医用磁共振成像设备(MRI)、医用X射线设备(CT机等)、医用高能射线设备(电子直线加速器、回旋加速器、中子治疗机、质子治疗机等)、医用核素设备(PET—CT等)等。以医用磁共振成像设备(MRI)为例，它是一种较新的医学成像技术，采用静磁场和射频磁场使人体组织成像，在现代化医院中得到了广泛应用。MRI的屏蔽接地是其机房设计需要着重考虑的因素。

屏蔽接地是指电气装置(主要是电子设备)为了防止其内部或外部电磁感应或静电感应的干扰而对屏蔽体进行接地。MRI机房主要考虑静磁场、梯度磁场和射频电磁场的屏蔽，其中静磁场的屏蔽主要采用铁磁质壳体进行屏蔽；梯度磁场主要采用高导磁率材料做成屏蔽壳体；射频电磁场的屏蔽主要采用一定厚度的金属板，通过金属对电磁波的吸收、反射等达到屏蔽效果。

对于MRI机房而言，要做好屏蔽接地需考虑如下具体措施：(1)选址：远离大型运动金属(汽车、电梯等)；(2)土建：采用铜板(硅钢板)形成屏蔽壳体；(3)通风：失超管、紧急排风管等采用不锈钢等非铁磁材质并采取屏蔽措施；(4)供电：电源设滤波器，采用屏蔽电缆供电；(5)安装：采用铝合金桥架(非铁磁材质)。

MRI机房的屏蔽测试主要依据GB/T 12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》的要求进行。

2 医院的电击防护

根据GB 16895《低压电气装置》系列标准的相关规定，电击防护的主要保护措施包括：自动切断电源；双重绝缘或加强绝缘；向单台用电设备供电的电气分隔；特低电压(SELV 和PELV)。其中自动切断电源是最常用的一种保护措施。

2.1 自动切断电源

2.1.1 自动切断电源时间

本节主要针对TN系统、IT系统的自动切断电源时间及保护电压限值进行探讨。表1列出了国内规范、IEC标准及英国标准中对普通场所及医疗场所自动切断电源时间的相关规定。

TN及IT系统自动切断电源时间 表1

需注意的是，表1中给出的时间均为最大自动切断电源时间。由表1可以得出：(1)对于常规场所，采用TN系统供电时，在IEC 60364-4-41：2005至IEC 60364-4-41：2017中的自动切断电源时间一致，如交流220V的切断时间均为0.4s。(2)对于1类、2类医疗场所，采用TN系统供电时，国内外各规范标准间、同一标准的新旧版本对自动切断电源时间的规定也不完全一致。(3)对于1类、2类医疗场所中采用TN系统供电的设备，IEC 60364-7-710：2018 CDV中已经规定，当设有辅助等电位联结时，其自动切断电源时间与普通场所的自动切断电源时间一致。(4)对于IT系统，尤其是医院2类医疗场所的IT系统，由于隔离变压器容量较小，其二次侧短路电流也较小，应仔细复核其短路电流灵敏度等参数。

2.1.2 自动切断电源的其他要求

(1)接触电压限值

根据IEC 60364-7-710：2002的规定，对于1类、2类医疗场所，采用IT、TN、TT系统供电时，其约定接触电压限值UL应≤25V(交流)。对于接触电压有三个概念，主要包括以下内容。

1)预期接触电压(prospective touch voltage)：人或动物尚未接触可导电部分时，这些可能同时触及的可导电部分之间的电压。

2)约定接触电压限值(conventional prospective touch voltage limit)：在规定的外界影响条件下，允许无限定时间持续存在的预期接触电压的最大值。

3)有效接触电压(effective touch voltage)：人或动物同时接触到两个可导电部分之间的电压。有效接触电压值可能会受到与可导电部分发生电接触的人或动物的阻抗明显的较大影响。

应当注意的是，其规定的约定接触电压UL≤25 V是指接触电压的安全限值，不等于发生故障时实际可能达到的预期接触电压，而是要求通过自动切断电源的时间内所允许的故障电压≥UL时，才可视为满足安全要求。

(2)额定电流适用范围

在IEC 60364-4-41：2017中，对于TN及TT系统，采用自动切断电源保护措施的适用范围中，其插座回路扩充到回路额定电流大于63A均适用。而在IEC 60364-7-710：2002及2018年CDV版中，插座回路的额定电流依然为不大于32A。

(3)辅助等电位联结范围

尽管在IEC 60364-7-710：2018 CDV版中关于1类、2类医疗场所的辅助等电位联结范围较之前的版本并无变化，但是根据IEC 60364-4-41：2017及BS 7671-710：2018的规定，1类、2类医疗场所的辅助等电位联结范围包括了固定设备可同时触及的外露可导电部分(simultaneously accessible exposed-conductive-parts of fixed equipment)、外界可导电部分(extraneous-conductive-parts)、保护导体及其他所有可以联结的设备。

由此可以得到的结论是：1类、2类医疗场所设置辅助等电位联结(SEB)是必要的，且SEB将联结范围内一切可以联结的设备等。

2.2 医用IT系统与电气分隔的异同

2.2.1 医用IT系统

2类医疗场所中，IT系统已成为标准配置，图3为医院手术室配电系统方案示例。

图3 医院手术室配电方案示例

在图3中，W1回路后的配电系统为医用IT配电系统，W2～W10回路为TN-S配电系统。

2.2.2 电气分隔

电气分隔(electrical separation)也是电击防护的基本措施之一。

本文中电气分隔是指采用隔离变压器供电的方式。电气分隔配电的特点是故障保护，即将被分隔回路与其他回路和与地之间做简单分隔。在被分隔回路带电部分的任一点上不应与其他回路的带电部分、地以及保护导体相连接。为确保电气分隔，不同回路之间应具有基本绝缘。图4为电气分隔示例。

图4 电气分隔示例

2.2.3 医用IT系统与电气分隔的异同

2类医疗场所的医用IT系统也设有隔离变压器，因此与电气分隔从电路上有类似之处，但其应用范围、保护方式等有根本区别，表2列出了两者之间的异同。

医用IT系统与电气分隔比较 表2

表2总结了医用IT系统与电气分隔的异同点。由上表可知：(1)两者保障人身安全的原理不同。由于医用IT系统二次侧所供电的电气装置的外露可导电部分需通过与PE线联结而作保护接地，因此为防止一次侧的故障电压随保护导体(PE线)或其他带电部分传导至二次侧，二次侧带电导体需绝缘、不允许接地，不设置PE线。(2)基于上述原则可知，医用IT系统的核心设备是隔离变压器和绝缘监视装置(见图3)，这是由其服务对象决定的。为保障供电连续性，2类医疗场所采用IT系统供电，其目的是在发生第一次接地故障时上级电路不跳闸，在此期间系统仍能正常运行。因此需设置绝缘监视装置，以便及时发现接地故障点，及时排除故障，维持系统正常运行。而电气分隔常用于需要有限供电的场所，是否设置绝缘监视装置不是首要考虑。(3)基于以上两点可知，医用IT系统适用于需同时保障人身安全及供电连续性的场所。而电气分隔主要侧重于保障人身安全，供电连续性不是主要考虑因素。

2.3 不同电压等级医用IT系统的应用

国内医院手术室、ICU等处设置的医用IT系统中，隔离变压器一次侧、二次侧电压通常为单相220V(交流)。

2.3.1 概况

笔者所在单位于2015年在南美洲苏里南承接了瓦尼卡医院援建项目。经过考察，苏里南当地低压配电系统采用三相四线制220V，频率60Hz。当地照明、空调、风机、水泵等均采用三相220V供电，接线方式主要有三相五线220V、三相四线220V、两相三线220V、单相两线127V，具体为： 三相220V 3P(L1,L2,L3)；两相220V 2P(L1,L2)/(L2,L3)/(L3,L1)；单相127V 1P(L1,N)/(L2,N)/(L3,N)。

根据当地使用习惯，医院医用设备带上需同时安装220V、三孔和127V、三孔的插座。

由于其使用的中小型医疗设备均为进口，不能按单一电压进行控制，因此要求采用两种电压的插座。

2.3.2 不同电压等级医用IT系统的应用

基于上述情况，笔者所在单位拟在手术室采用双电压IT系统，即IT隔离变压器同时提供220V及110V(或120V)两种输出电压。最初设想的方案为副边采用单绕组双抽头隔离变压器方案，具体如图5所示。

图5 隔离变压器接线

经与外方医用IT系统专业供应商沟通，外方同意采用此方案，具体如图6所示。

图6 双电压医用IT系统方案一

在上述方案中，可以只设一台隔离变压器，输出两种电压；其绝缘监视装置分别设置在两个输出电压端；且整套系统安装在一台IT电源柜中。在进一步沟通时，外方供应商明确此方案的隔离变压器容量为25kVA，且外方供应商不愿定制其他容量的隔离变压器方案。但由于不满足规范要求，最终未采用此方案。

在沟通后决定采用方案二，如图7所示。

在方案二中，采用了两套独立的隔离变压器，每台隔离变压器容量为5kVA，隔离变压器的副边输出电压分别选择为220V、120V。两套系统安装在一台IT电源柜中，分别设置绝缘监视装置。

3 结束语

图7 双输出电压医用IT系统方案二