UPS在医疗建筑中的应用

张 倩, 王俊俊

(浙江省现代建筑设计研究院有限公司, 浙江 杭州 310000)

0 引 言

不间断电源(UPS)是确保供电稳定性和连续性的重要装置。UPS在现代大型综合医院的供电应用中越来越重要,是为患者提供优质的医疗服务、保证医疗安全管理以及医疗事业持续良好发展的重要因素。

医院作为特殊的用电单位,对供电的可靠性有着严格的要求,尤其是在医院使用的生命攸关的医用设备,其正常运行必须要有稳定、可靠的电源作保障。为应对因市电停电、事故停电、电涌、电压下陷、频率偏移不稳定等危害电力正常供应带来的问题,诸多场所采用UPS装置作为保证供电稳定性、连续性的可靠电源。本文着重介绍UPS在医疗建筑中具体的应用场所、分类、配电方案及容量选择等内容。

1 医疗建筑UPS的应用场所

由于发电机投入使用需要一定的准备时间,为了保证医疗建筑中涉及生命安全的特别重要设备的供电连续性,需设置应急电源设备。

根据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》中第4.4.6条的规定:要求中断供电时间小于或等于0.5 s的一级负荷中特别重要的负荷,应设不间断电源装置,且宜为在线式[1]。三级、二级医院应设置UPS的医疗场所及设施如表1所示。

表1 三级、二级医院应设置UPS的医疗场所及设施

UPS有多种类型,在以上讨论的场所选择UPS时宜选用在线式。

2 UPS分类

UPS按照其拓扑结构进行分类,可分为后备式、双变换在线式和在线互动式[2]。

2.1 后备式UPS

后备式UPS主要由逆变器、蓄电池、蓄电池充电器、UPS转换开关(电子式或机械式)等部分组成。后备式UPS拓扑结构如图1所示。在市政电网正常供电情况下,市电通过UPS转换开关直接向负载供电,同时通过充电器为蓄电池充电,主机上的逆变器为空载状态,此时蓄电池处于“备用”状态;在电网故障而中断供电或交流输入供电超出设定的允许偏差时,系统通过转换开关切换至储能供电模式,由蓄电池、逆变器来保持负载功率的连续性,这种状态维持到蓄电池电量耗尽或者交流电恢复供电。

图1 后备式UPS拓扑结构

这种形式的UPS结构简单、成本低、体积小,但其输入电压范围窄,输出电压稳定性较差,对市电品质基本没有改变,转换时间一般为10 ms,相对较长,不适合应用在对不间断供电时间要求较高的场所。

2.2 在线互动式UPS

在线互动式UPS由双向逆变器、电源接口、蓄电池等部分组成。在线互动式UPS拓扑结构如图2所示。在市政电网正常供电情况下,通过电源接口对负载供电,同时,通过逆变器的反向工作方式(整流工作状态)对蓄电池进行充电;当交流市电异常时,蓄电池/逆变器供电方式下保持负载电力的连续性,同时切断逆变器至电源接口方向的交流输入开关,以防止逆变器反向馈电。其特点是结构简单,有较宽的输入电压范围,输出电压较稳定,输出波形为模拟正弦波。

图2 在线互动式UPS拓扑结构

2.3 双变换在线式UPS

双变换在线式UPS由整流器、逆变器、蓄电池等部分组成。双变换在线式UPS拓扑结构如图3所示。图3中,蓄电池也可采用专用充电器方式充电。在市政电网正常供电情况下,主要由整流器/逆变器组合向负载供电,同时通过整流器给蓄电池组浮充电,保证蓄电池组满容量;一旦因电网故障而中断供电或交流输入供电超出设定的允许偏差,则转换为由蓄电池/逆变器组合继续向负载供电。在两种情况下,逆变器始终处于工作状态,可以确保不间断输出交流电且不存在转换时间问题。

图3 双变换在线式UPS拓扑结构

这种UPS结构复杂,有很宽的输入电压范围,输出电压稳定、精度高,输出波形为交流正弦波,可提供高质量的交流电源,适用于对电源有严格要求的场合。

由于这种拓扑结构的UPS可以实现市电断电零秒转换供电,而且可以提供整流逆变后高质量的电源,对医院装备的稳定安全运行起着非常重要的保障作用,在医院建筑中应用最为广泛。

3 UPS配电方案

UPS在医疗场所的配电方案有集中式设置与分散式设置的方式[3],设计时可以参考图集19D706-2《医疗建筑电气设计与安装》。但在实际的医院建筑设计中,图集表达的集中式设置与分散式设置较为少用。

3.1 集中式设置

在楼座某层设置一处UPS配电间,UPS配电方案示例如图4所示。其中,集中式设置方案如图4(a)所示。这种方式设置UPS数量少,占用的配电房间最少,但选用的UPS容量较大,为设备供电距离相对较远,设备故障时涉及范围较大,在设计时较少采用。

3.2 区域集中式设置

区域集中式设置方案如图4(b)所示。在某层设置UPS配电间,提供本层附近设备的供电电源。这种方式选择UPS容量较小,为设备供电距离相对较近,设备故障涉及范围较小,UPS数量相对较少,但占用一定数量的配电间,在实际工程中常用。

3.3 分散式设置

分散式设置方案如图4(c)所示。为每台设备设置一台UPS电源。这种方式选择UPS容量较小,为设备供电距离近,故障范围最小,但UPS数量多,运行维护不方便,设计中较少采用。

通常,医院某类科室较为集中,如手术部一般集中于某一层,而距离其他需要UPS供电的科室较远,因此,可在手术部区域设置一处UPS配电间,为手术部提供可靠电源。但是,如果建筑没有足够面积设置UPS配电间,也可为每间手术室设置独立UPS电源,以解决配电间面积不足的问题。

4 UPS容量选用

UPS的选择应按负荷性质、负荷容量、允许中断供电时间等要求确定。单台UPS为信息网络系统供电时,UPS的额定输出功率应大于信息网络设备额定功率总和的1.2倍,对其他用电设备供电时,其额定输出功率应为最大计算负荷的1.3倍。当选用两台UPS并列供电时,每台UPS的额定输出功率应大于信息网络设备额定功率总和的1.2倍[4]。以上系数主要是考虑到UPS在承受较低功率因数时存在不同程度的降容运行系数。

例如,需设置UPS的医疗场所用电负荷为30 kW,负荷的功率因数为0.8,则UPS容量需大于1.3×30/0.8=48.75 kVA,因此选择50 kVA的UPS为宜。

影响UPS容量选择的还有海拔高度[5]。UPS能在额定条件下,即在海拔1 000 m及以下的高度正常运行。而当海拔高度超过1 000 m时,应降额使用,在海拔1 000 m以上使用的降额系数如表2所示。例如,上述选择50 kVA的UPS的建筑海拔高度为2 500 m,那么容量需降额选取,查表2可知降额系数为0.86,那么48.75/0.86=56.69 kVA,宜选60 kVA。

市面上有很多品牌的UPS产品,如科华、艾默生、山特、伊顿等,UPS的容量有1～20 kVA小容量,也有20～600 kVA等大容量,形式系列有机架式和模块化,可供用户按实际需求进行选择。

5 UPS供电时间

规范JGJ 312—2013中第3.0.3条规定:恢复供电时间小于或等于0.5 s时,自备备用电源供电维持时间不应小于3 h。而第4.4.7条中规定:应急电源为柴油发电机组时,不间断电源装置(UPS)应急供电时间不应小于15 min。另外,规范GB 50333—2013《医院洁净手术部建筑技术规范》第11.1.3条规定:洁净手术室内生命支持电气设备的供电时间不应小于30 min[6]。

根据以上条文规定,在医疗建筑设置柴油发电机组做应急电源的情况下,除手术室内生命支持电气设备的供电时间不应小于30 min外,表1中其他需设置UPS的医疗场所应急供电时间不应小于15 min。

6 结 语

通过以上分析可知,医院UPS电源应用在负荷等级有要求的特定场所,宜选取双变换在线式UPS作为应急电源,并根据建筑房间分布、配电距离等因素选取合适的配电方式。