医疗建筑配电系统设计要点

李 雪

(中外建华诚工程技术集团有限公司, 宁夏 银川 750001)

0 引 言

医疗建筑有别于其他一般建筑,它的设计难点在于具有特殊性、功能复杂、专业性强,对于电气安全的要求很高,并且需要将复杂的医疗场所技术要求与建筑设计结合起来。电气设计作为建筑设计中的重要环节,其设计难度也不言而喻。本文结合某地妇幼保健院的工程设计实例,浅析医疗建筑配电系统的设计要点。

1 供配电系统

1.1 概况

该妇幼保健院是一家二级甲等综合性医院,集预防、保健、医疗、教学、计划生育、急救为一体,承担该地区妇女儿童健康管理和计划生育工作,计划新建一栋业务大楼。业务大楼建筑面积为7 387 m2,地下共1层地上共4层,使用功能:地下一层为平战结合的人防地下室,平时功能为戊类储藏室,战时用途为二等人员掩蔽所;一层为儿科病房;二层为手术部;三层为妇科病房;四层为月子中心。地下一层为2个防火分区,地上每层为1个防火分区。

1.2 医疗场所及设施的类别划分

医疗建筑与其他建筑最大的不同在于医疗场所对电气安全防护的要求很高,在设计医疗建筑的供配电系统前,需要先了解医疗场所及设施的类别划分,根据医疗电气设备与患者的接触程度分为3类:① 0类:不使用医疗电气设备接触部件的医疗场所;② 1类:医疗电气设备接触部件需要与患者体表、体内、(除2类医疗场所所述部位外)接触的医疗场所;③ 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[1]。各类别医疗场所对于工作电源中断或供电电压骤降10%及以上,且持续时间超过3 s时,要求应急电源切换投入供电的时间也不同,等级越高要求也越高,且2类医疗场所需要设局部IT系统。

根据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》[1](以下简称《医规》)第3.0.2条,本项目医疗场所及设施的类别划分与要求自动恢复供电的时间如表1所示。

表1 医疗场所及设施的类别划分与要求自动恢复供电的时间

1.3 负荷等级划分

医疗建筑功能复杂,其负荷等级划分也相对比较复杂。一般以《医规》第4.2.1条作为负荷等级划分的主要依据,需要先明确医院的等级,再根据各医疗场所的功能及类型,判断其对供电可靠性的要求,中断供电对生命安全、人身安全等造成影响越大,相对应的用电负荷等级也越高。消防用电的负荷等级则根据GB 55037—2022《建筑防火通用规范》第10.1.3条及GB 50016—2014(2018年版)《建筑设计防火规范》第10.1.2条做判断。本项目为二级医院多层医疗建筑,室外消防用水量为30 L/s。用电负荷分级如表2所示。

表2 用电负荷分级

1.4 供电系统

根据《医规》第4.4.1条“三级医院应设置应急柴油发电机组。二级医院宜设置应急柴油发电机组。”故为满足表1中自动恢复供电时间的要求,0.5级(在0.5 s内恢复供电)及以下安全设施供电的应急电源采用在线式不间断电源UPS+应急柴油发电机组,15级(在15 s内恢复供电)安全设施供电的应急电源采用快速(15 s内)供电的应急柴油发电机组。根据《医规》第4.4.5条、4.4.7条,柴油发电机组的供油时间,三级医院应大于24 h,二级医院宜大于12 h,二级以下医院宜大于3 h,且UPS应急供电时间不应小于15 min。二级及以上医院的供电方案均采用市电加柴油发电机加UPS的形式,再根据项目大小确定市电为1路或是2路供电。

本项目供电方案采用1路10 kV市电供电,自备0.4 kV柴油发电机组,以实现双电源供电。变压器采用室外箱式变电站,设置在业务大楼北侧绿化带内,柴油发电机房设置在邻近的库房内,业务大楼一层设置低压配电室。一级负荷及消防负荷采用双电源末端互投供电,其中一级负荷中的特别重要负荷在末端配电箱处增加在线式不间断电源供电。由于本项目的非消防二级负荷较少,为简化供电方案,也采用双电源末端互投的供电方式。供电方案示意图如图1所示。

图1 供电方案示意图

1.5 柴油发电机容量计算

柴油发电机的容量有3种计算方法,按稳定负荷计算、按最大的单台电动机或成组电动机启动的尖峰负荷计算、按启动电动机时发电机母线允许电压降计算,3种计算结果取最大值[2]。由于电动机直接起动产生的尖峰电流对柴油发电机的容量选型影响很大,因此本项目大功率的电动机均采用降压起动的方式,可以大幅降低尖峰负荷,最终按稳定负荷计算柴油发电机的容量。

根据各专业提供的用电设备条件及负荷等级要求,应急时的最大容量为一级负荷中的特别重要负荷、一级负荷、二级负荷及平时工作的消防负荷的总和,其有功计算负荷P∑约为303.36 kW,所带负荷的综合效率η∑取85%,发电机额定功率因数cosφ取0.8,发电机效率η取85%。

则发电机的容量:

发电机的有功功率:

故可选择500 kW的柴油发电机,要求供油时间大于12 h,当正常供电电源中断供电时应在15 s内自动起动;正常供电电源恢复供电后,应延时切换并停机。

2 手术部配电

2.1 手术部配电方案

二层手术部包含3间洁净手术室、3间产房及其他辅助房间,采用UPS分散供电的方式,每间手术室、产房设1个专用配电箱及1个UPS,其他辅助房间设1个配电箱。由于手术部专用配电箱数量较多,且一级负荷的双电源供电回路需要在末端配电箱处切换供电,所以供电回路数量也很多。虽然各专用配电箱直接从进线柜处放射式供电最为可靠,但会出现电缆敷设距离长、造价高、敷设难度大以及桥架体积过大等问题。为避免这些问题,可以在手术部增加一级配电,即在二层配电间内设置层箱为专用配电箱供电,并根据使用功能及洁净区域的划分,分别设置两组层箱,这种配电方式在实际使用中更为经济合理。手术部配电方案示意图如图2所示。

2.2 洁净手术室电气布置

洁净手术部最常见的平面布局为双通道外围回收型,手术室的两侧均设走廊,内走廊为洁净走道,医护、患者、洁物从内走廊进入各手术室;外走廊为污物通道,术后手术器械、污物经外走廊送出。《医规》第5.2.2条规定:“总配电柜应设在非洁净区。每个手术室应设有1个独立的专用配电箱,且配电箱应设在该手术室的清洁走道,不得设在手术室内。”这里的清洁走道是指内走廊还是外走廊存在一些争议。一般医院规定外走廊为非限制区,内走廊为限制区,通常会避免检修人员进入限制区,且非医护人员进入前须征得科室同意,经严格消毒更换无菌衣后才能进入,维护巡检非常不便,所以实际使用中将手术室专用配电箱设在非限制区更加合理。UPS分散设置时一般放置在专用配电箱旁,且体积大、质量大,只能落地放置,但直接放置在走道内会占用走道影响疏散,可在手术室与外走廊相邻的设备夹层或其他房间分隔出电井,检修门开向走廊,进深不小于0.6 m。

手术室内的电气布置需要满足外科手术所需的功能,一般需要配合专业医疗设备厂家进行深化设计,设计前期可先按照最基本的功能需求进行设计。手术室照明采用LED嵌入式密封灯并设防眩光灯罩,局部照明采用手术专用无影灯,手术台的头部有时候会转换,一般在手术台两头各设置3支应急照明灯。手术室内须对物品表面进行照射消毒,可设置吊装紫外线消毒灯或可移动紫外线消毒器,紫外线消毒灯的开关设在手术室外,并设专用开关防止误开启。手术室的外门上方设置手术工作指示灯,灯亮表示手术中,灯灭表示手术结束,可以更方便快捷地传达手术进程,室内墙面设嵌入式观片灯,方便主刀医生查看胶片。手术室照明、手术中门灯、观片灯等由智能控制面板控制。室内一般设置不少于3个治疗设备用电插座箱,至少1个非治疗设备用电插座箱,每箱不宜少于3个插座,其中非治疗设备用电插座箱内至少要有1个三相插座[3]。手术室电气平面示意图如图3所示。

图3 手术室电气平面示意图

2.3 手术室配电系统

手术室、抢救室为2类医疗场所,用于维持生命、外科手术、重症患者的实时监控和其他位于患者区域的医疗电气设备及系统的回路,如无影灯、吊塔、智能控制面板、医疗专用插座箱等,采用医疗场所局部IT系统供电;手术台驱动机构、X射线设备、额定容量超过5 kVA的设备等,非直接接触患者身体或非生命支持系统的电气设备回路,采用带剩余电流保护器RCD的TN-S系统供电,用于医疗电气设备的RCD采用电磁式。产房、术后复苏室虽为1类医疗场所,未强制要求采用局部IT系统供电,但因其场所的特殊性,对配电系统的安全性要求仍然很高,该场所中涉及患者生命安全的设备及其照明回路,仍参照2类场所采用局部IT系统供电。

本项目手术室IT系统和非IT系统设在同一配电箱内。关于单相隔离变压器的额定输出容量,《医规》第5.4.6条3款中要求不应超过10 kVA,GB 51039—2014《综合医院建筑设计规范》[4]第8.4.1条1款中要求不宜超过8 kVA,按照最新发布及最严格的规定执行,采用8 kVA的单相隔离变压器。隔离变压器的一次侧与二次侧采用单磁式断路器,即设置短路保护,但不设置动作于切断电源的过负荷保护,保证手术时不会因为过负荷忽然断电而造成更大损失。局部IT系统设置绝缘监视装置,并在各分支回路设置绝缘故障定位系统,可实现系统的绝缘监视、隔离变压器温度监视、负荷监视、故障报警、实时数据采集、图形显示等功能,最大限度地防止电气设备回路产生微电击,同时保证生命支持系统电气设备的持续供电。局部IT系统的配电线缆采用塑料管敷设,有利于降低医疗场所局部IT系统的容性漏电。手术室配电系统示意图如图4所示。

图4 手术室配电系统示意图

3 局部IT系统接地

医疗场所局部IT系统又称隔离电源系统或中性点不接地的配电系统,采用隔离变压器与供电系统的接地系统完全分开。IT系统中包括中性导体在内的任何带电部分严禁直接接地,用电设备外露可导电部分可单独或集中接地。手术室内设置可靠的辅助等电位接地系统,辅助等电位接线箱(SEB箱)设在手术室内,一般设在离专用配电箱较近的地方。医疗场所局部IT系统接地及等电位联结示意图如图5所示[5]。需要注意的是,图中PE排至隔离变压器的联结线,其作用是隔离变压器金属屏蔽层的等电位联结,而不是隔离变压器的中性点接地。局部IT系统不会单独设置接地极,它既不配出中性线也不配出PE线,根据《医规》第9.3.2条可知,由局部IT系统供电的设备金属外壳接地是与TN-S系统共用接地装置的,原因是在同一场所内如果存在两个相对独立的接地装置,两者之间可能产生电位差,会威胁到人身安全,在要求电气安全非常严格的2类医疗场所更加不允许存在这种安全隐患。

4 结 语

医疗建筑的电气设计涉及的内容非常多,本文只是就其中几个设计要点对医疗建筑的配电系统展开论述,为类似工程的电气设计提供一些思路,在设计过程中应充分了解相关规范、标准及医疗场所的用电要求,力求为患者和医护人员提供一个安全可靠的医疗环境。