医疗建筑供配电系统设计分析

赵德全

（北京市新厦建筑设计有限公司，北京100080）

1 引言

与一般的民用建筑相比，医疗建筑可被视为一种特殊建筑。这一特殊性来源于“医疗体系”所具有的专业性、用电设备的多样性和复杂性等。近年来，社会经济快速发展，人民群众对医疗服务的需求不断提高，相应地，新建医疗建筑的规模越来越大，医疗手段日新月异，医疗设备日益繁多，在这样的情况下，医疗建筑的供配电系统设计也日益复杂。本文试图以某医院病房医技综合楼的供配电系统设计为例，总结其中的规律和经验，意图能够化繁为简，抓住本质，提高供配电系统设计水平。

2 工程基本情况

某病房医技综合楼建筑面积127 958m2；其中，地上面积90 617m2；地下面积37 341m2。建筑共21层，建筑高度88.70m。地下室主要为设备用房和停车场，停车数量732辆。地上1层主要为放射科、药房；2层主要为内镜科、介入中心、超声科及心电科；3层为检验中心和配液中心；4层为内科ICU、外科ICU及病理科；5层主要为手术室及输血科；6层为手术办公区及数据中心；7层为妇产科和病房；8～12层为专科ICU和病房；9～21层为病房，其中21层设有血液病房。总计床位1 350张。

3 负荷分析及负荷计算

建筑供配电系统的作用是电能的传输和分配，从电气系统本身看，其服务对象是用电设备。供配电系统设计要做到安全可靠、经济合理，必须先搞清楚其服务对象也就是用电设备的性质、用途和规模。

3.1 确定负荷等级

医疗建筑用电负荷应根据负荷供电可靠性要求及中断供电对生命安全、人身安全、经济损失等所造成的影响进行分级。

设计中，根据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》,对本工程主要负荷分级如下：介入中心、内科ICU、外科ICU、手术室、产房、专科ICU、血液病房用电等涉及患者生命安全的设备及与之相关的照明用电为一级负荷中的特别重要负荷。放射科、内镜科、检验中心、病理科、输血科的电力照明用电，大楼的走道照明，手术室、ICU洁净空调用电，计算机系统用电，安防用电，高层建筑的客梯用电，消防用电，排污泵、生活水泵、医用气体系统用电等为一级负荷。中心供应、配液中心等用电等为二级负荷。其余用电均为三级负荷【1】。

根据GB 50052—2009《供配电系统设计规范》，一级负荷应由双重电源供电；一级负荷中特别重要负荷，除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统，且供电电源的切换时间应满足设备允许中断供电的要求【2】。对于医疗建筑，各类医疗场所及设备的供电自动恢复时间，JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》已明确规定。

表1 医疗场所及设备的供电措施及电源切换时间要求

3.2 明确供电措施

根据负荷的基本情况，本工程由市政电源引入2路10kV双重电源（分别引自不同的220kV变电站，专线供电）供电作为正常供电电源，两路电源同时工作，每路电源均能承担全部一、二级负荷；对于特别重要负荷及对电源切换时间要求小于0.5s的负荷，按用电设备要求单独配置UPS作为应急电源；考虑到特别重要负荷比较集中，另设置柴油发电机作为特别重要负荷及消防负荷的备用电源。

本工程中，医疗场所及设备的供电措施及电源切换时间要求见表1。

数据中心用电考虑UPS电源应急，发电机备用；手术电梯、生活供水设施用电、医用气体系统用电纳入发电机备用供电范围。

负荷计算是选择变压器、发电机容量的依据，本工程采用需要系数法进行负荷计算。对于本工程的规模，要设置数组变压器，故负荷计算可按变压器组来进行。所以对于每个负荷分配哪组变压器，应先规划，再计算，后根据结果调整，最后得出合理的方案。

3.3 规划负荷分配方案

在本工程中，负荷分配规划从以下几个方面进行考虑。

首先，在T1/T2变压器组低压母线设置消防备用母线段，故所有消防负荷应分配至T1/T2变压器组；在T3/T4变压器低压母线设置重要负荷备用母线段，故所有特别重要负荷应分配至T3/T4变压器组。

其次，医疗建筑一、二级负荷占比高，故每组变压器均应承担一部分三级负荷，这样在变压器组中有1台退出时，可保证另一台变压器承担所有一、二级负荷时的负载率合理。

再次，应充分考虑空调负荷的分配。空调负荷在全部用电负荷中占比可达一半甚至更高，空调系统的形式直接影响供配电系统设计。例如，北方冬季制冷系统可能不工作，可以考虑切除，而在南方，空调系统冷源由水冷压缩机和室外空气源热泵组成（本系统即采用此种形式），夏季供冷，冬季考虑采暖运行，由室外空气源热泵制热。另外，本工程中的洁净空调系统采用冷凝除湿电再热的处理方式，用电负荷相当可观。

最后，大型医疗设备多为冲击性负荷，可设专用变压器，但显然利用率不高，是否设置应结合多个因素进行权衡。在本程中单台变压器容量都不小1 250kV·A，这些大型设备均为放射式市电供电，故其对电能质量的影响应在可接受范围内，故未专设变压器。

3.4 负荷计算

负荷计算按以下要点进行。一是负荷分类，应根据负荷性质、特点及工作制情况来确定设备组。对于电梯、大型医疗设备功率的确定，应注意其工作制，如普通的X射线诊断机、CR机、DSA机、CT机为断续反复工作制设备，X射线治疗机、直线加速器及其冷却设备、MRI及其冷却设备等为连续工作制设备。对于断续反复工作制设备的功率，须将其换算为连续工作制功率，负载持续率可按25%考虑。二是每个设备组应采用统一的需要系数和功率因数。三是同时系数的选取一般在0.8～0.9，对于分散性负载，可取低限；对于集中负载，可取高限。四是目前一般供电部门要求低压侧功率因数均补偿至0.95，考虑目前一些用电设备（照明、电子式仪器设备）的自然功率因数可达到0.9以上，故应避免过补偿。

4 变压器、发电机配置及电气系统主结线

本工程中，根据计算结果，在地下1层变配电所设置6台10kV/0.4kV干式变压器（T1～T6），在7层屋顶设置2台室外箱式10kV/0.4kV干式变压器（T7/T8）,设置1台柴油发电机组。具体如下：

T1、T2变压器组为2台2 000kV·A、SCB13、10kV/0.4kV干式变压器，T1变压器负载率65%，T2变压器负载率68%。可由任何1台变压器承担全部一、二级负荷，负载率为69%。

T3、T4变压器组初步选择为2台2 000kV·A、SCB13、10kV/0.4kV干式变压器，T3变压器负载率79%，T4变压器负载率82%。可由任何1台变压器承担全部一、二级负荷，负载率为94%。

T5、T6变压器组初步选择为2台1 250kV·A、SCB13、10kV/0.4kV干式变压器，T5变压器负载率70%，T6变压器负载率72%。可由任何1台变压器承担全部一、二级负荷，负载率为68%。

T7、T8变压器组初步选择为2台800kV·A、SCB13、10kV/0.4kV干式室外箱式变压器，T7变压器负载率71%，T6变压器负载率68%。

选择1台常用功率为1 000kW的风冷柴油发电机作为一级负荷中特别重要负荷及消防负荷的备用电源，发电机负载率为75%。

变压器安装总容量为121 00kV·A，核算至单位面积接近95V·A/m2，接近目前经验指标高限100V·A/m2，考虑项目地处南方，空调负荷较大，结果应在合理区间。

本工程供配电系统主结线示意图如图1所示。

图1 供配电系统主结线示意图

双重10kV电源由市电引入，10kV主结线采用单母线分段结线，2路电源同时工作，互为备用。应急电源设置UPS，柴油发电机作为备用电源。0.38kV母线采用单母线分段结线，分别设置重要负荷备用母线段和消防负荷备用母线段。

5 配电系统及接地型式

5.1 低压配电和一般民用建筑措施相近

一级负荷主要采用双电源放射式配电末端切换，如本工程中介入中心、内科ICU、外科ICU、手术室、产房、专科ICU、血液病房、放射科、内镜科、检验中心、病理科、输血科的电力照明用电，以及ICU、手术室等的洁净空调用电；二级负荷一般由变电所放射式配电；三级负荷主要采用树干式配电。

5.2 大型医疗设备，一般由变电所双路放射式供电末端切换

这类设备主机和附属机构一般应分开配电，设备厂家对主机电源的内阻抗有要求，设计时应注意根据配电电缆的长短、变压器的大小复核电缆截面是否满足电源内阻抗要求，有的设备配套有冷却设备，其电源和设备电源一样重要，应由变电所双路放射式供电并末端切换，其他附属设施可以由机房的照明电源供电。

5.3 接地型式

本工程低压配电系统接地形式采用TN-S系统，手术室、重症监护室等局部采用IT系统。变压器组中性点接地，在低压配电柜内N母排和PE母排间设置1处跨接片，实现一点接地，发电机中性点在发电机处直接接地。变压器组母线段联络开关采用3极开关，备用母线段进线ATS应为功能转换性开关，应采用4极开关。

6 结语

医疗建筑供配电系统涉及患者生命安全，可靠性要求高，且用电负荷集中，变压器安装容量可观。随着科学技术的不断进步，各种新的医疗手段不断涌现，医疗设备层出不穷，对医疗建筑的供配电系统设计不断提出新的要求。在设计过程中应掌握基本方法、抓住要点、不断深入分析，一定能够找到完善的解决方案。