现代大型综合医院高低压供电方案与保护配合策略分析

国网长沙供电公司 聂仕军 高立兵 廖华西 罗 建 曾 健 易先松

现代大型综合医院作为服务人民群众生命安全和健康的重点公共服务机构，在社会运行中扮演者重要角色。2020年初爆发的新型冠状病毒肺炎疫情对全国医疗系统造成了巨大的压力，稳定可靠供电作为保障大型综合医院正常运行的重要一环，医院后勤部门同样承担着巨大的压力。2020年2月13日武汉市东西湖方舱医院C厅发生的停电事件引起社会广泛关注，也反映非专业医疗场地供电环节存在的巨大风险。2021年3月31日，因主供电源同母线的其他出线发生短路跳闸、系统电压短时波动，浏阳市人民医院7台变压器低压侧欠压脱扣动作错误地跳开了总开关，低压负荷自动切换至发电机，造成医院断电数分钟。上述事件表明集一、二级重要负荷于一身的医院供电系统必须要充分考虑内外部的供电可靠性，避免异常断电对正常医疗工作的影响。现代大型综合医院作为极为特殊的高可靠性电力用户，需要从外部供电线路、医院中心配电间保护设置、变压器保护设置、400V低压母线备投、柴油发电机启动配合等方面分层次改进供电系统的稳定性和可靠性。

1 医院配电负荷分级与可靠性分析

1.1 医院负荷的特点

医院是救死扶伤、传染病控制、科研检测的重要场所，供电稳定可靠极为重要，主要表现在：

可靠性。供电可靠性是指持续供电能力的量度，常以供电可靠率来衡量。可靠率以某一统计期内，实际供电时间与本统计期全部时间的比值的百分数表示[1]，即Kc=Ty/Ts×100%；Ty=Ts-Tt，Ty为统计期实际供电时间之和，h；Ts为统计期全部时间，h；Tt为统计期内停电时间之和，h；Kc≤1，Kc越接近1可靠性就越高。假如医院年停电5分钟，折合医院内部供电可靠率为99.999%，即“五个9”；连续性。大型医院科室齐全，用电设备种类多，手术室、检测室、电梯、污水处理设备、计算机等需要连续供电，供电中断可能造成生命安全受损、样品报废、设备受损、数据丢失等，影响医院日常工作开展[2]；稳定性。医院电子设备越来越多，电力电子元件是典型的非线性负荷，可能带来电压波形畸变。浪涌电压、高次谐波、电压暂态突降都有可能造成精密医疗仪器损坏或者停机，检验科、理疗科、心电监护仪等医疗设备对电源电压的稳定性要求高，应采用相应的稳压、滤波等设备保证供电的稳定性[3]。

1.2 医院的负荷分级

现代大型综合医院对电的依赖也越来越严重，特别是在抢救室、手术室和重症监护室(ICU)中，一旦出现了断电事故无法恢复会直接危及患者的生命安全。根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治经济上所造成影响的程度，医院负荷可进行分级：一级负荷。医护区照明、应急照明、感染区风机、CT、ICU及净化空调、手术室及净化空调、负压检测及净化空调、产科分娩室、早产儿室、放射诊断治疗室、血液透析室、血库、核磁共振、培养箱与恒温箱、火灾报警系统、消防泵等；二级负荷。门诊室、护士站、实验室、镜检、生化室、电子显微镜、客梯[4]。

1.3 医院供电可靠性分析

本文所探讨的供电可靠性取样点为400V母线，即通过外部电源、内外部保护配合来减少400V母线停电时间。可能造成400V母线失压的因素有：上级变电站停电。如是变电站上级电源故障，可通过重合闸或站内备自投功能恢复，恢复时间一般2～8s；外接电源跳闸。通过医院中心配电间主备供切换恢复供电，10kV母联备投切换时间可控制在4s内；单母线分段联络+双变压器互为备用的供电模式。可通过低压母联备投恢复供电，切换时间可控制在4s内；通过柴油发电机恢复供电。因发电机启动与稳定需要一定时间，估算恢复时间为20～30s，一般不能供带医院所有负荷。根据运行经验，电压等级越高供电稳定性越好，主供电源也一般会选择供电可靠性高的线路，因此在保护策略上优先使用高电压等级恢复供电，优先使用主供线路供电。

2 医院高压供电方案与保护配合分析

2.1 高压供电方案的选择

大型综合三甲医院属于二级重要电力用户，根据《重要电力用户供电电源及自备应急电源配置技术规范（GB/T 29328-2018）》要求应采用双回路供电方式。两路供电电源的切换时间和切换方式必须满足医院允许中断供电时间的要求并自备应急电源[5]。以浏阳市人民医院为例，其定位为湘赣边区域医疗中心，计划用2～3年创建一流“三甲”医院，因此新院建设时中心配电间引入三电源（专线），其中有两回电源来自于同一变电站同一母线。因存在同时失去两路电源的风险，后调整成三个变电站供电，其中两路专线、一路为公网线路（图1）。

图1 浏阳市人民医院三电源供电方式

上述三电源两主一备，各供带一段母线，其中备供线路所处的母线不直接供带负荷，仅作为主供母线的备用电源。因此三母线供电可靠性非常高，达到了特级重要电力用户供电要求。部分地区因外部电源受限无法接入三电源，可采用双电源+母联备投的方式供电，外线推荐采用不同变电站两条专线供电，变压器低压母线应设置联络柜，其10千伏部分接线方式如图2，此方式供电可靠性可满足大型医院供电要求。

图2 双电源+母联备投供电方式

2.2 医院中心配电间保护配置分析

浏阳市人民医院中心配电间有三段母线，分别为10千伏道吾II回供带的I母、10千伏人民医院I回供带的II母、10千伏胡家线供带的III母。

备自投功能：I母与II母、I母与III母各配置备自投装置一套，通过母联备投确保各段母线不失压。因上级变电站可能使用进线（或母联）备投（时间8s）和线路重合闸（3.5s）恢复供电，因此设置医院中心配电间备自投切进线的时延必须大于8s，按10s设置，预留合备供线路开关时间2s，即12s内可完成主供电源切换至备供电源；变压器高压柜保护配置：设置两段电流保护、高温报警和超高温跳闸，不设置零序保护和重合闸，可防止单台变压器故障造成整段母线失压。

变压器低压总开关欠压（失压）脱扣：为防止异常低电压对医院设备造成的损坏，每台变压器必须配置欠压（失压）保护功能。浏阳市人民医院低压总开关欠压（失压）保护时延默认为0.2s，因此3月31日系统电压扰动数秒后造成所有低压总开关误跳闸。因此欠压（失压）保护必须设置合理时延，以躲开系统短时电压扰动，同时欠压（失压）脱扣时延必须要大于中心配电间备自投恢复时间，以优先采用高压设备恢复供电，即必须大于12s、按13s设置。据了解浏阳市人民医院变压器低压总开关均采用西门子WL I2000H型，最长时延为3.2s，无法满足使用要求，因此最终取消低压总开关欠压（失压）脱扣功能，另加装一套延时继电器，电压取自低压总开关上桩头（变压器侧），满足欠压（失压）条件后经13s跳开低压总开关的要求。

3 400V低压供电方案选择与保护配合

400V低压供电方案：医院手术室、ICU等涉及患者生命安全的设备及照明为一级负荷中特别重要负荷，需在0.5s内或更短时间内恢复供电。因此二级及以上医院低压系统为单母线分段配置，每段母线由非同源的变压器供电，确保任何时候不会发生两段低压母线同时失电情况（图3）[6]。两路低压电源通过ATS向重要场所供电，并配置集中式或分散式UPS保障供电。

图3 非同源双主变+发电机低压供电模式

低压母联备投配合分析：低压母联备投装置切低压总开关在时间上必须要大于中心配电间高压母联备投恢复时间，即必须大于12s、按14s设置。计及合闸时间2s，可认为在10kV母线自恢复失败时，约停电16s通过低压母联备投恢复失电母线的供电。

自备发电机启动条件与时间配合：如图3所示，当某400V母线失电达到一定时限后，可认为变电站自恢复、中心配电间备自投恢复、400V母联备投恢复均失败，此时须依赖自备发电机恢复供电，即400V母线失电一定时限后将启动发电机组，待发电机电压稳定后通过ATS向失电母线供电。发电机启动前须通过节点逻辑判断低压总开关和低压联络开关已断开，避免反送电。发电机作为医院自备应急电源，一般不能供电医院所有负荷，只供带一二级重要负荷，其正确启动与输出与否关系重大。可设置发电机启动延时为15s，即低压母线失电且低压总开关和低压联络开关断开后15s启动发电机。

4 结语

现代大型综合医院稳定可靠供电极为重要，为实现少停电、快复电，必须从医院高低压供电方案上进行优选，在此基础上优化上级变电站电源、配电间高压柜、低压母线、自备发电机四级保护功能配合：采取独立的三电源（两主一备）外线方案，可基本杜绝两路电源同时发生停电的情况，避免了医院10千伏母线失压后无法恢复的情况；以上级电源复电优先、高压优于低压为原则，提出延长低压总开关欠（失）压脱扣时间以躲开高压短暂停电或系统短时扰动的必要性与改造方法；联络的两段低压母线须由两个独立的上级电源供电，才能保证上级线路或变压器故障时可通过低压母联备投恢复供电。低压母联备投启动时间须大于上级高压系统故障自恢复时间。

按文中四级保护配合方式，医院不同类型故障下400V母线的恢复方式及停电时长为：上级电源电压短暂扰动。低压脱扣延时/0s；上级电源跳闸并重合闸成功。高压备自投延时躲避/8s以内；某一主供电源跳闸无法恢复。高压备自投切换/12s以内；变压器或其高压电缆故障。低压备自投切换/16s以内；上级电源停电且高低压备自投均失败（保护功能故障）。发电机启动/60s以内。

在忽略医院内部设施故障的情况下，以外部电源每年发生2次故障为例（实际专线电缆供电故障极少），折合年停电时间24s，供电可靠率为99.99992%，即“六个9”。