医疗场所及设备电气设计关键点探讨

医疗建筑作为有特殊工艺要求的民用建筑，对医疗功能区域及设备进行准确的场所分类、合理的负荷分级，判断各医疗用电负荷对自动恢复供电时间的要求并为其供应连续、持续的电源是医疗建筑供配电设计的基础。

GB 16895.24 - 2005《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》以及JGJ 312 - 2013《医疗建筑电气设计规范》第3.0.1条、GB 51039 - 2014《综合医院建筑设计规范》第8.1.1条、GB 51348 - 2019《民用建筑电气设计标准》第9.6.1条之条文说明，均对医疗电气设备场所按照电气安全防护要求进行分类：

a. 0类：不使用医疗电气设备接触部件的医疗场所；

b. 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；

c. 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。

按民用建筑电气设计通用做法，医疗建筑在进行供配电设计时，首先同样需要进行负荷分级，其中各类医疗场所内的不同工艺用电设备负荷分级是重中之重。JGJ 312 - 2013第4.2.1条及GB 51348 - 2019附录A表A，根据负荷供电可靠性要求、中断供电对生命安全、人身安全、经济损失等造成的影响程度，以及中断供电会否造成大型生化仪器、重症呼吸道感染区通风系统等设备损坏从而发生医疗事故等，将医疗用电负荷进行分级，在此不作赘述。

> > > >      要求自动恢复供电时间

JGJ 312 - 2013表3.0.2及国标图集19D706 - 2《医疗建筑电气设计与安装》第10页，按照电源转换时，医疗场所及设施允许间断供电时间即要求自动恢复供电时间作出分级。结合医疗建筑电气设计经验，提供不同安全设施分级选用的典型供电方案配置如表1所示。

医疗建筑设有门类繁多的专科部门，部门内部根据专业特点及需求设有各类功能房间。以某妇科门诊部为例，除设置诊室、治疗两大类功能房间外，有时还会设置多间超声检查室及手术室等。这就要求设计人员在进行场所分类、负荷分级时，既不可以简单按照楼层、防火分区等空间作为基本物理单元进行粗放切分，也不可按照专业科室作为基本功能单元进行狭隘分类。需依据各相关规范要求，仔细研究，深入了解各功能区域不同负荷的场所分类，根据场所内具体负荷性质、用电设备或用电设备组允许中断供电时间要求等进行相互定性，准确分类、分级。

结合某大型三级甲等妇幼保健院工程实践，选取部分医疗场所及设备进行负荷统计如表2所 示 。

JGJ 312 - 2013第6章及其条文说明参照国家《医疗器械分类目录》对医疗建筑内常用医疗设备作了分类，结合国标图集19D706 - 2第18 ~ 55页常用诊疗设备电气设计案例可知，较多医疗设备属于断续反复工作制，如CT、DSA、DR等。MRI、直线加速器的高能射线发生器由于在主机停机后，水冷机组仍需持续工作以保证低温，因此将MRI和直线加速器定性为连续工作制。19D706 - 2第31、50及53页明确，除主机电源现场配电箱外，工程设计尚需为直线加速器和MRI额外设置专用的水冷机组等现场辅助设备电源。基于此，笔者认为，直线加速器和MRI辅助电源属于连续工作制无疑，但其主机仍需按断续工作制考虑。

计算功率作为按热效应经换算而来的假定持续性负荷，取值是否准确直接影响变压器容量选择是否经济合理。《工业与民用供配电设计手册》第4版（以下简称《手册》）第1.2节“设备功率的确定”介绍，在进行负荷计算时，需在简单方便的原则下，将不同工作制式的用电设备额定功率PN统一换算为连续工作制的设备功率P _e 。断续、短时工作制用电设备可近似视为周期工作制，即按照P _e = P _N  √ε _N 将额定功率转换为可用于负荷计算的设备功率，式中，P _e 为统一负载持续率的有功功率，kW；P _N 为电动机额定功率，kW；ε _N 为电动机额定负载持续率。

然而，民用建筑领域内断续工作制用电负荷较少，手册或图集甚至医疗设备产品样本中均无法获取断续工作制医疗设备的负载持续率 ε _N ，且在较多产品样本中连设备额定功率也不体现，取而代之的是例如最大功率、瞬间功率、连续功率、平均功率、接入功率等众多术语。这对工程设计人员在确定设备功率进行负荷计算时造成了一定困扰。以CT主机为例，从几家主流医疗设备产品样本中摘录的设备主机电源参数如表3所示。

通过表3及其他医疗设备产品样本可知，大多数断续工作制医疗设备最大功率和连续功率差别较大，不同设备的不同运行状态及其对应时长均不同且无统一规律可循。简单通过产品样本选取设备最大功率或连续功率、平均功率等直接用于负荷计算，均不准确且会对确定变压器容量造成较大偏差，实不可取。

结合负载持续率的含义（满载工作时间的比率）及《手册》第1.1.3节“负荷曲线和计算参数”对平均功率（单位时间内有功电能消耗量）、额定功率（电源接入功率）的定义，在工程设计中无法经计算确定断续工作制设备功率P _e 的情况下，只能参考同类工作制式的其他负荷，通过相对合理而简便的方法进行估算取值：

a. 参考《手册》第1.2.1“单台用电设备的设备功率”（2）~（3）及其注解，将断续工作制医疗设备工作情况视为“频繁”启动和制动，负载持续率按ε _N  ≈ 25 % 考虑，即取断续工作制医疗设备额定功率 P _N 的一半作为应用于负荷计算的设备功率P _e 。

b. 参考DL / T 5153 - 2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》第4.1.1条第3款，经常而短时及经常而断续运行的设备，负荷计算时可以考虑其对变压器温升的实际效应而作适当折算，即将设备额定功率PN乘以运行方式系数作为负荷统计用的计算功率 P _e 。通过该标准附录公式（F.0.1 - 2）、公式（F.0.1 - 3）可知，连续工作制设备的计算功率等于额定功率，即运行方式系数为1；短时及断续工作制设备运行方式系数取值0.5，即计算功率等于额定功率的一半。

综上所述，笔者认为，在可以从产品样本中获取断续工作制医疗设备的连续功率、持续功率或平均功率时，按其值作为设备功率P _e ；在仅能获取额定功率或电源接入功率时，按其一半计为设备功率P _e ；仅能获取其最大、瞬间或峰值功率时，仍按其一半计入设备功率 P _e ，此时虽然较真正意义上的设备功率偏大，但对变压器容量的选取影响可忽略不计。按此原则确定断续工作制医疗设备的设备功率，即用于负荷计算的计算功率，从而确定配电变压器的容量相对合理。

当市电电源发生故障而中断供电时，为保证要求自动恢复供电时间不超过0.5 s的特级负荷的供电连续性，采用UPS提供应急电源。JGJ 312 - 2013第4.4.6条规定应用于医疗建筑内的UPS宜采用在线式。

> > > > 在线式UPS

带旁路的UPS通常分为在线式（双变换）、互动式和后备式（离线式）。三类UPS为负荷提供应急电源特征如表4所示。

通过表4可知，后备式和互动式UPS均无法做到实时在线地向负荷提供标准的正弦波电压，而在线式UPS只要有负荷处于工作状态，逆变器就会持续向负荷提供逆变后的稳定正弦波电源，且具有极高的输出电压瞬间响应特性。鉴于医疗建筑UPS多用于为2类场所涉及生命安全的设备及照明供电，因此医疗场所及设备需选用可靠性、连续性、稳定性和电压、频率、波形等电能质量均能满足需求的在线式UPS作为应急电源。

> > > > UPS工频机与UPS高频机

在线式UPS主要包括输入整流、蓄电池及充电装置、输出逆变等组成部分。根据整流器及电压输出元器件的不同，UPS又可分为工频机与高频机。其中工频机通过可控硅SCR即晶闸管整流，直流母线电压较低，逆变后通过输出变压器完成交流升压和输出滤波功能；高频机通过IGBT即绝缘栅双极晶体管整流，逆变前经直流斩波升压，直流母线电压较高，逆变后无需升压变压器而仅利用输出电感滤波后即可提供稳定电压。UPS工频机和高频机拓扑结构示意如图1和图2所示。

由图1和图2可知，UPS升压环节有无输出变压器是工频机与高频机的主要区别，这也是国外通常将工频机称为Transformer UPS，即带变压器UPS，而将高频机称为Transformer?less UPS，即无变压器UPS的原因。

基于JGJ 312 - 2013第4.4.6条，TN - S系统医疗建筑中，UPS输出端为三相时应加装三相隔离变压器并做重复接地。行业内有部分观点认为，工频机内的输出变压器可以代替甚至认为该变压器就是规范要求的隔离变压器，同时认为工频机在可靠性方面优于高频机，因此医疗建筑UPS必须选用工频机。笔者认为该类观点存在误区，分析如下：

a. 工频UPS内部的输出升压变压器起不到隔离变压器的作用。通过图1分析UPS构成及工作原理可知，N线为UPS主路输入和静态旁路输入共用，在UPS内部短接，为两种工作模式提供相同的基准电位，保证UPS工作时根据负载变化或自身状态，在主路工作模式和静态旁路工作模式之间动态同步切换。但是由于工频UPS整流和逆变环节均为降压环节，旁路所接市电电压高于经整流和逆变后的输出电压（输出变压器一次侧电压），二者之间存在压差导致不允许N线接入，因此N线接在输出变压器升压后的二次侧Y型绕组中性点后经UPS输出端输出。可见N线自UPS输入端至输出端一直连通，这与隔离变压器输入与输出电路在电气上彼此隔离这一原则相违背。因此，工频UPS内部的输出升压变压器不属于隔离变压器，医疗建筑三相输出UPS选用工频机时，仍然需要额外加装隔离变压器。

b. 工频UPS内部的输出升压变压器不可以重复接地。如上文所述，由于N线贯通的原因，工频UPS输出变压器一次进线侧和二次出线侧并未构成电气隔离，对TN - S系统医疗建筑而言，工频UPS的进线端、出线端及直到局部IT系统隔离变压器的进线端部分均属于同一TN - S系统。此时若将该输出变压器错误地理解为JGJ 312 - 2013第4.4.6条规定的隔离变压器并将N线和PE线短接做“重复接地”，既违反了GB 50054 - 2011《低压配电设计规范》第3.2.12条第3款“当从电气系统的某一点起，由保护接地中性导体（PEN）改变为单独的中性导体（N）和保护导体（PE）时，中性导体不应连接到电气系统的任何其他的接地部分”[14]；错误地理解并错误地做了“重复接地”，电源端即分开的N线和PE线到了“重复接地”端又连接在一起，TN - S系统内部出现了“TN - S - C”系统并构成了事实上的TN - C系统；也违反了JGJ 312 - 2013第9.3.1条“医疗场所配电系统的接地形式严禁采用TN - C系统”的规定。由此可见，工频UPS内部的输出升压变压器不能作为JGJ 312 - 2013第4.4.6条规定的隔离变压器，且不可对其做重复接地。

c. 认为工频机可靠性优于高频机的观点缺乏坚实的电路理论与实践基础支撑，该观点多数停留在早期IGBT较SCR整流技术尚为薄弱时期。然而随着电力电子技术的进步以及功率电子设备的革新，性能更好的IGBT器件和控制技术早已使得高频机可靠性达到了很高水平。而且由于体积小、重量轻、成本低、性能改善、效率提高等优点，高频UPS甚至在包括医疗建筑在内的较多应用领域都较工频UPS具有较大优势。

d. 医疗建筑应急电源通常靠UPS和应急柴油发电机组配合完成，由UPS保证用电负荷的允许断电时间，由柴油发电机组保证允许供电时长。工频UPS输入功率因数较低，输入谐波电流较大，在UPS - 柴油发电机应急供电切换时，若二者容量接近，容易引起柴油发电机输出电压畸变，造成电枢绕组发热，严重者将影响应急供电系统正常运行。而高频机以其较高的功率因数和谐波含量较低的输入电流，对柴油发电机输出电压波形畸变影响较小。即，医疗建筑提高供电等级为大量用电负荷提供UPS应急电源时，与柴油发电机的兼容性也是UPS选型的重要考量因素。

UPS作为医疗建筑不间断供电的重要应急电源，其对保障生命安全的作用不言而喻。深入解读并执行规范要求，了解电气设备工作及构成原理并正确而合理地选型，是确保电气设计工作完整性和准确性的必备工作。