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如何设计眼科医院配电系统
1 引言
随着医院建筑在我国的蓬勃发展, 营造良好的设施、幽雅的就医环境、提供优质的医疗服务已成为医院运营所必不可少的手段。现在的医院建设将目前国内外先进的供配电技术、照明技术、电气安全技术等运用于其中, 在提供温馨、舒适的就医和工作环境的前提下, 降低能量消耗, 实现安全可靠的运行, 使建成后的医院高效、稳定的运营。
根据目前调研的医院负荷情况, 医院的负荷比例仍然以空调照明为主体, 医疗设备用电所占的比例很小, 中医眼科医院不例外, 空调(电制冷的) 43 %, 照明35 %, 动力(包括医疗用电)22 %。医院变压器安装指标为76VA/m2 。
医院供电系统应遵循国内供电规范并参考国际IEC 相关标准进行设计, 将医院的供电等级分为一级或二级负荷, 因此电源一般采用两路10kV 供电。一级负荷采用双路电源供电。
照度水平在我国执行的标准的基础上有所提高。每个病床有床头灯, 病房及病房区设夜间照明灯。眼科医院的眼科诊室设有可调光的白炽灯。
中心层流手术室是一个医院的核心, 是医院最重要的医疗机构, 手术部的供电照明系统为最重要的供电系统。
数字检影成像设备是医院的重要医疗设备。它的配电设计引出了电源内阻来校核设备的配电线路截面。
医院电气安全是医院电气设计的一个重要环节。低压系统采用TN —S 系统。医院的接地也涉及到病人的安全、设备正常的运行等, 因此中医眼科医院设计采用防雷接地、电力系统接地、设备保护接地共用接地系统。以下对中医眼科医院的电气设计做一系统的介绍。
2 工程概况
某眼科医院位于北京市石景山区鲁谷路。医疗综合楼建筑面积为21000m2,是一座拥有病床位170 床的以中医眼科为重点的专科医院。某眼科医院的医疗综合楼由地下一层、三层A 、B 区裙房、一层设备层和B 区四层病房组成。裙房高13.2m , 病房高30.1m 。结构型式A 区采用现浇钢筋混凝土框架结构, B 区采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构, A 段为独立基础, B 段为筏基基础及独立基础。
3 强电电气设计
3.1 电气负荷及供电
某眼科医院的医疗综合楼属一类高层建筑。
主要用电设备有:冷水机组2 台;水泵16 台(其中冷冻、冷却泵6 台, 生活泵4 台、消防泵4台, 热交换站2 台);风机47 台(其中排烟、加压风机11 台, 新风及空调机组36 台);电梯8 部及医院动力, 照明等设备用电。
以上用电负荷性质可分为:一级负荷、二级负荷和三级负荷。该医疗综合楼的手术室、ICU 、急诊室、配变电所的照明、应急照明、计算中心、消防用电设备以及故障时必须持续供电的医疗设备均为一级用电负荷;生活泵、电梯、排水泵等为二级负荷;其余为三级负荷。
电气负荷计算采用了需要系数法并考虑其最大负荷的同期系数。本工程采用低压电容器作为无功功率补偿, 以提高功率因数。工程负荷计算如下:
用电设备安装容量Pe =2164.5kW
计算有功负荷P j =1190.6kW
计算无功负荷Qj =388.4kvar
补偿后全院平均功率因数:0.92
全院总的需要系数:0.55
其中一类负荷计算结果如下:
全院一类用电设备安装容量P e =390.1kW
一类负荷计算有功负荷Pj =210.8kW
一类负荷计算无功负荷Qj =121.6kvar
3.2 配变电所设计
本建筑为一类建筑, 供电电源采用两路10kV 专用线路, 电缆埋地敷设进入本楼地下一
层电缆分界室, 作为配变电所高压柜进线。配变电所高压柜采用KYN —10 型金属铠装移开式手车柜, 两路出线供本楼两台变压器两路出线备用。本楼变压器为两台800kVA 环氧树脂绝缘干式变压器。20 台低压配电屏采用GCL1 型抽出式配电屏。
10kV 高压系统采用单母线分段接线, 正常情况下两路电源同时供电, 分列运行, 互为备用。10kV 母联手动切换, 两路电源均能承担100 %用电负荷。配变电所内两台变压器, 一台变压器给一段220/ 380V 低压母线供电, 两段母线间设联络断路器, 其中一段母线失电后, 母联自动投入。中医眼科医院的高低压系统图见图1 。
在设计变压器低压侧出线系统时, 设计采用了能够快速开断短路电流并有限流作用的塑壳断路器。在短路电流上升未达到峰值之前(10ms之内, 短路电流从零迅速上升到峰值的时间是在短路发生后的半周波10ms 的时刻), 塑壳断路器快速开断。由于采用了具有限流作用的塑壳断路器, 通过查验曲线和核实导线, 在选择设计变压器低压侧出线电缆时, 可大大减小电缆截面, 即较小电缆截面的电缆即可通过电缆的短路稳定校验。
电气系统的无功功率补偿我们采用了低压侧集中无功功率补偿, 通过谐波校核, 在电容器回路串接6 %Xc 的电抗器, 以抑制5 次、7 次谐波电流。由于系统采用D , Yn11 接线的变压器,就限制了3 次谐波注入电源系统。
3.3 配电设计
医院用电负荷分成一般照明系统、医疗动力(插座) 系统、空调系统(新风机、空调机等)、应急照明系统等。
本楼用电设备的电源电压均为220/ 380V 。其中大型、重要性设备由配变电所放射式供电,
一类负荷均为双路供电末端自投。冷水机组、真空吸引、X 光机、CT 机等设备主机、中心手术
部的电力及照明、电梯及屋顶排风机、冷却塔风机、屋顶照明、中心供应的动力、值班室路灯照明均分别由配变电所低压配电屏放射式供电;地上部分风机、空调机、电梯等设备由低压配电屏采用放射式与树干式相结合的方式配电。
本楼A 、B 区各设有1 个电气竖井, 其中B区的电气竖井由地下1 层至地上7 层均设置, A区的电气竖井仅裙房3 层设置。竖井兼作配电间。竖井内设有一般照明总箱、应急照明箱、空调配电箱。其中照明及配电、应急照明及空调采用树干式配电方式。低压电气竖向系统见图3 。
大型水泵和风机采用了软起动器, 通过相位控制降低电动机电压, 并能在起动时间内将电动机电压提升到电网电压。软起动器可以限制起动电流和起动转矩, 从而有效防止机械冲击以及电网电压压降, 使机械设备能够平稳加速, 延长了机器的使用寿命。
在检验科、中心实验室等用房设置了沿墙敷设的电气组合线槽, 并将电源断路器设置其上,
以适应实验室用电设备多、用电变化多的要求。
一般配电及照明线路采用隔氧层阻燃交联聚乙烯电力电缆(GZR —YJV —0.6/1kV -), 导线采用BV 型铜芯导线;一级用电负荷的配电干线采用隔氧层耐火交联聚乙烯电力电缆(GNH —YJV —0.6/1kV -), 导线采用ZR —BV 型铜芯阻燃导线。从配变电所引出照明、应急照明和动力干线电缆, 走地下夹层, 沿封闭电缆桥架引至电气竖井、空调机房或用电设备;一般用电设备的电缆和一级用电设备的电缆分开, 分别用电缆桥架敷设, 一级用电设备的电缆桥架金属构件的外表面应加符合国家有关规范的耐火涂层。中间竖井内的照明、应急照明和设备层以上病房楼空调采用密集型插接式保护母线, 通过插接箱向各层配电箱供电。从电气竖井内一般总配电箱引至各层分配电箱的线路沿金属线槽在吊顶内暗敷;从电气竖井内应急照明总配电箱引至各层分配电箱的线路穿钢管在墙及结构内暗敷;中心手术部及设备层内一级用电负荷的配电干线沿金属线槽在吊顶内暗敷, 或沿电缆桥架在设备层明敷, 此类电缆桥架, 金属线槽等金属构件的外表面应施加符合国家有关规范的耐火涂层。从各分照明配电箱和各分动力配电箱引出的分支线路应穿钢管在吊顶内或结构内暗敷。插座及危险场所配电回路应安装漏电保护器。
3.4 照明设计
3.4.1 照度标准
由于经济发展水平的差异, 我国与国外发达国家的医院的照度标准相差甚远, 发达国家的照度标准约是我国现行标准的5 ～ 10 倍。为了体现现代化医院的良好形象, 结合本工程的具体情况, 照度水平在我国执行的标准的基础上有所提高。
(1) 手术室 500lx
(2) 诊断治疗室、护士站、药房 300lx
(3) 医生办公室、CT 室、中心供应 200lx
(4) 病房 100lx
(5) 夜间守护 5 ～ 10lx
(6) 大厅 300lx
(7) 候诊室 150lx
3.4.2 设计中注意医疗功能性用房照明的特殊要求
诊室、病房、急诊观察室、治疗室等处采用高显色荧光灯, 以便于观察病人的情况。色温在3500K 左右。病房、急诊观察室、手术室、治疗室等处的顶灯采用漫反射式灯具, 以减少眩光。手术室、中心手术部清洁走廊、污物、洗消等处设置电子灭菌灯。测听室的照明采用白炽灯。眼科暗室采用可调光的白炽灯。每个病床有床头灯, 病房及病房区设夜间照明灯。
3.4.3 其他灯具选型及安装
配变电所、强弱电竖井、病房值班及电梯机房等无吊顶的房间采用控照式荧光灯链吊安装;夹层和设备层采用控照式荧光灯吸顶安装, 地下一层水泵房、冷冻机房及热交换间采用壁装投光灯。空调机房采用控照荧光灯壁装;楼梯间和雨棚等处采用1 ×60W 斜扁圆吸顶灯;淋浴、开水间采用吊装防水防尘灯管。首层急诊、儿科及大堂雨棚采用节能筒灯吸顶安装。手术室、口腔诊室及修复诊室等采用棱晶面罩荧光灯嵌顶安装;病房采用棱晶面罩荧光灯吸顶安装。荧光灯管采用高显色荧光灯管。办公室、诊室、化验、挂号、收费、药房及病历等房间采用2 ×36W 格栅荧光灯嵌顶安装。洗消、备餐及消毒等潮湿环境场所采用密闭式荧光灯吸顶安装。走道采用2 ×18W 格栅荧光灯嵌顶安装, 候诊、大堂及卫生间等处采用3 ×18W 格栅荧光灯嵌顶安装。病房设置地脚灯。
各强电竖井内均设有应急照明配电箱, 其电源由配变电室提供两路电源末端切换, 为疏散通道及人员密集的门诊楼内的应急照明提供可靠电源。为便于疏散, 在疏散走廊和楼梯间设有明显的疏散指示灯和安全出口灯。
3.5 手术部的配电系统
本工程中心手术室集中在地上3 层, 共有手术室4 间, 四间均为千级。
中心手术室是一个医院的核心, 是医院最重要的医疗机构, 手术部的供电照明系统为最重要的供电系统。手术部配电设计以满足手术部用电需要,安全供电为目的。
(1)系统
根据规范规定, 手术室配电、照明均按照一级负荷配电, 应采用双路供电电源, 并且两路电源有自动切换功能。中心手术部设有专用双路电源自动切换配电柜, 从专用配电柜向各个手术室配电箱放射式配电。双路电源从配变电所低压配电屏直接引入。
手术部洁净空调集中在设备层, 设有专用配电柜, 双路电源从配变电所低压配电屏直接引入并能自动切换。从专用配电柜向各洁净空调配电箱放射式配电。
每间洁净手术室均配置独立的配电箱, 为减少外来尘、菌的侵入从而带来交叉感染的因素, 配电箱放在污染走廊一侧。配电箱分别给无影灯、一般灯带照明、观片灯、电子灭菌灯、插座组、综合医疗柱等供电。每间手术室设置220V 插座组3 组, 每组设置单相三线插座3 个, 三相插座1 个, 接地端子2 个。
电气所有进出手术室的管线均需要进行密闭封堵, 以保证手术室内部的洁净度。
(2) 照明、灯具选型及安装
手术室、洁净走廊等采用漫反射罩荧光灯嵌顶安装, 采用高显色荧光灯管及无噪音的电子镇流器;手术室光带一般照明采用光源色温为4500K左右的冷白色荧光灯;污染走廊等非洁净区采用格栅荧光灯嵌顶安装。
手术室洁净走廊(www.iwuchen.com)和清洁走廊均设100 %应急照明, 平时作为一般用, 发生火灾时, 不论当时情况如何, 均能强制点亮所有照明灯具。
(3)电气接地
配电箱旁设置等电位接地中心。接地中心与各插座接地端子及手术室内的金属体(如器械柜、手术床等)采用6mm2 铜导线, 穿PVC 管连接。手术室照明平面见图4 , 手术室配电平面图见图5 。手术室配电箱系统接线图见图6 。
3.6 数字检影成像设备的配电要求及内阻计算
3.6.1 数字检影成像设备供配电系统
本工程大型影像设备有CT 机、X 光机等设备。它们的主机电源采用双路电源供电。由配变电所低压配电屏放射式配电。
设备厂家对于CT 机、X 光机电源的要求引出了电源内阻这一技术指标。设备对电源电压的要求越高, 电源内阻越小。
3.6.2 负荷计算
大多数数字检影设备是短时反复工作制, 因此计算负荷时可以打较小的需要系数, 根据目前一些医院的实际运行结果表明, 四台设备同时曝光的可能性很低。如此计算出的总计算容量小于400kVA时, 可以不采用专用放射科变压器供电。
3.6.3 配电线路导线截面的确定
数字检影设备的配电线路导线截面要满足设备的内阻及电压降的要求。
电源变压器的内部电阻:R t (Ψ)
电源变压器额定容量:P t (kVA)
电源变压器相数:三相
电源变压器电压变动率:ε(%)
额定二次电压:Ut (V)
(1) 计算变压器内部电阻Rt
Rt =2 ×ε×0.01 ×Ut2/ (Pt ×103)(Ω)
(2) 计算干线电阻R l (Ω)
考虑到低压开关的电阻及其它接触电阻, 电源变压器和电源变压器二次侧的干线电阻为总电源电阻的80 %。
Rl=80%Rg -Rt(Ω)
(3) 最大允许内阻:Rg (Ω)
(4) 计算干线截面A (mm):
单相设备A =2 ×ρ×L/ Rl (mm)
三相设备A =ρ×L/ Rl (mm)
由上可见满足设备内阻要求, 实际就是要满足设备的电源电压。它受三个方面因素的影响:变压器阻抗、变压器至设备的配线长度、配线截面。在系统设置时, 尽量减小变压器阻抗、减小变压器至设备的距离。在满足电源内阻的条件下, 减少配线电缆截面, 节约投资。
以下是本院设备在电源变压器为1250kVA 时,不同内阻要求下的配电导线截面。如表1 所示。
3.6.3 接地
医用数字检影设备一般商家对接地均提出较高要求:接地电阻要求小于1Ψ, 且单独设置接地极。但目前医院中的大型设备很多, 且设备较为集中,设备单独设置接地极往往较为困难。我国现有规范对此没有明确规定。
目前的医疗设备的接地极主要是以下两种:(1)设备的保护接地;(2)设备的工作接地。要求
单独接地的主要是计算机的工作接地。我国的《电子计算机机房设计规范》及美国IEEE 的推荐标准都建议电子信号的工作地接到共用接地极上。美国IEEE 的推荐标准中还指出分别接地间距得不到保证, 其结果各接地极之间反而会受到影响。
因此宜将医院此部分设备的接地系统利用建筑物的基础作为共用的接地极。同时, 由于建筑物采用共用接地极, 为防止雷电过电压损坏计算机等电子设备, 应将有计算机等电子设备的机房、控制室等房间的建筑物内金属体(包括柱内、墙内、板内钢筋)作等电位连接。
3.7 医院电气安全
本工程防止电击的措施如下:
基础绝缘(医疗设备自身构造)。
保护接地:医院各医疗场所均采用接地保护。
漏电断路器:一般场所的移动式设备均采用漏电断路器保护。
建筑物进行总等电位连接, 浴室、手术室、治疗室等设置局部等电位连接。
采用共用接地系统:医院接地问题涉及到病人的安全、医疗仪器设备的正常运行等。本设计采用的是防雷接地、电力系统接地、设备保护接地及设备工作接地共用接地系统。
为减少电磁干扰的感应效应, 采取了建筑物及房间外部设置屏蔽, 如:含金属的墙、柱均可以作为格栅屏蔽分流。将建筑物金属等电位连接;电子仪器的接地采用共用一点接地;电气线路采用穿金属管, 目的是为了减少干扰。
3.8 防雷接地
接地系统采用TN —S 系统, PE 线和N 线绝缘分开。凡是在正常情况下不带电的电气设备的金属外壳、金属线槽、电缆铠装、配线钢管等均应可靠接地, 接地可利用100mm ×100mm ×5mm 接地钢板, 请结构专业预埋。手术室配电箱旁设置等电位接地端子, 综合布线设备间设置等电位接地干线采用25mm ×4mm 镀锌扁钢作为计算机的接地干线。病房卫生间设置等电位接地干线采用25mm ×4mm 镀锌扁钢。室内的水盆, 各种金属管道等均采用25mm ×4mm 镀锌扁钢与接地干线可靠连接。防雷与电气接地采用共用接地体, 接地电阻小于等于1Ω。等电位联结参见《等电位联结安装》图集02D501-2 。
防雷设计直接利用底板及柱基内的主钢筋做接地极, 利用柱内主筋作防雷引下线;屋顶设明敷避雷带, 外墙金属门窗接地;在相关部位预埋接地连接板, 供电气接地及等电位接地使用。防雷接地参见《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》图集02D501-2 。
配变电所高、低压配电装置均应安装过电压保护器。
4 结束语
随着我国国力的增强, 医疗卫生事业将在一定时间得到长足发展, 作为我们医疗工程的设计人员, 要不断了解学习最新的医疗设备;学习了解国内外的新规范;结合医疗设备的配电要求和设备的具体情况, 确定配电系统;进一步重视医院的电气安全, 大力推广安全可靠的配电及接地系统。
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