北京市医院用电安全隐患消除对策.docx
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北京市医院用电安全隐患消除对策
北京市医院用电安全隐患消除对策
《北京市医院用电安全隐患分析》刊发后,引起了北京市医疗系统各级负责供配电的领导和工作人员高度重视,北京市医院管理中心和北京市医院后勤管理质控中心还多次组织行业专家和专业单位共同探讨,大家围绕提高重要医疗场所供电保障能力和大型医疗设备电能质量献计献策,提出许多切实可行的医院用电安全隐患消除对策,现整理如下,供大家在工作中参考。
一、从应急电源设计入手,提高重要医疗场所供电保障能力
(一)对UPS/EPS安装位置进行规划设计。
某医院在最早规划的时候,整个医院的UPS/EPS是采用“分散式”配备方式的,并且在建筑上都已经预留了部分UPS/EPS机房位置。
但是在净化工程设计完成后,发现“分散式”没办法实施,其中最大的原因就是机房承重满足不了UPS/EPS要求,楼板的承重设计载荷只有400千克/平方米,而手术家室的UPS主机差不多有1吨,电池则很重达数吨,另外作为一家现代化的医院,"分散式"的管理难度大。
按照规划,洁净区域就分大手术室、门诊手术室、EICU、ICU、NICU、DSA六块,而这个六块是在不同的楼层的,分散管理所需的人手不够,会导致管理混乱。
楼板加固处理起来难度很大。
设计院进驻后,根据各个部门的需求,规划出了医院各重要部分的配电容量,并设计出UPS/EPS的整套图纸。
设计院将UPS机房集中放在医疗大楼地下室内,分3个机房,两台300KVA一个机房,供住手术室、门诊手术室、DSA、ICU、NICU、EICU、检验科以及弱电井道。
两台80KVA一个机房,一备一用,重点保障信息中心机房内的交换机供电,一台60KVA一个机房,为监控设备提电力保障。
机房距离各自的供电区域都不远,距离变配电房也不远。
即方便380V电源的接入,又解决了楼板承重不够的问题。
(二)UPS和EPS不能混用
在医疗场所,既有为重要医疗场所提供应急保障的UPS系统,也有根据消防部门要求建设的EPS系统。
两者功能、适用场合和安全等级完全不同,但笔者在许多医院发现UPS和EPS混用滥用的现象。
UPS电源一般用于精密仪器负载,如医疗设备、电脑、服务器等。
UPS有三大功能:
稳压稳频;对切换时间要求极高的不间断供电;可净化市电。
而EPS电源只强调具有持续供电功能,一般对逆变切换时间要求不高。
EPS是以解决应急照明、事故照明、消防设施等一级负荷供电设备为主要目标,提供一种符合消防规范的具有独立回路的应急供电系统,该系统能够在应急状态下提供紧急供电,用来解决照明用电或只有一路市电缺少第二路电源,或代替发电机组构成第二电源,或做为需要第三电源的场合使用。
EPS电源与UPS电源两者都具有市电旁路及逆变电路,在功能上的区别是:
EPS电源具有持续供电功能,一般对逆变切换时间要求不高,特殊场合的应用具有一定要求,有多路输出且对各路输出及单个蓄电池具有监控检测功能。
日常着重旁路供电,市电停电时才转为逆变供电,电能利用率高。
UPS电源的逆变器冗余相对来说较小,与消防无关,无须阻燃,无互投功能。
EPS电源逆变器冗余量大,进线柜和出线柜都在EPS内部,电机负荷有变频启动。
机壳和导线有阻燃措施,有多路互投功,可与消防联动。
(三)工频UPS和高频UPS不能选错
目前,UPS通常分为工频结构UPS和和高频结构UPS两种。
根据不同的负荷设备,必须慎重选择,对于影像设备,如果选用工频UPS,就会由于出现无法消掉的横带干扰,最终使医疗影像设备无法正常工作。
工频结构UPS和高频结构UPS是按其设计电路工作频率来区分的。
工频结构UPS是以传统的模拟电路原理设计,由可控硅SCR整流器、IGBT逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组成。
因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz,顾名思义叫工频UPS。
而高频结构UPS通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成。
IGBT可以通过控制加在门极的驱动来控制其开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几k到几十kHz,甚至高达上百kHz,远远高于工频机,因此称为高频UPS。
在工频结构UPS电路中,主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。
由于SCR整流器属于降压整流,因此直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低,要使输出相电压能够得到恒定的220V电压,就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。
相比而言,高频结构UPS整流属于升压整流,其输出直流母线的电压比输入线电压的峰值高,一般典型值为800V左右,逆变器输出相电压可以直接达到220V,逆变器之后就不再需要升压变压器。
因此,隔离变压器是工频UPS与高频UPS在组成上的主要区别。
工频结构UPS都有输出变压器,在多机并联时就会出现多个变压器的并联。
变压器的并联是电力行业尽量避免的情况,因为变压器并联时的环流不可避免,环流的长期存在将导致设备寿命缩短,甚至造成主机烧毁。
而高频结构UPS因没有输出变压器,所以几乎没有环流。
UPS的对外干扰一般有两种,一种是听得到的机械噪声,一种是听不到的电噪声,工频UPS会产生这两种噪声,电噪声会影响机器的稳定度,机械噪声影响人的身心健康,降低工作效率。
而高频UPS由于工作在20kHz以上,20kHz是人的耳朵听不到的频率,使工作环境安静下来。
又由于一般的高频机UPS的输入功率因数高达0.99以上,几乎是线性,所以对外干扰几乎为零。
综上分析,对医疗场所,除数据中心的UPS外,都应配置高频UPS。
二、采取专项治理,提升大型医疗设备供电质量
(一)消除闪络,减少精密医疗设备的损坏
消除闪络的方法主要有不间断电源UPS、静态切换开关STS、静止无功补偿器SVC、谐振变压器CVT、电动机发电机组MG、变压器分接头调节器TCR和动态电压恢复器(DVR)。
根据医疗场所的特点,我们推荐使用超级电容储能式动态电压恢复器(DVR)。
它采用超级电容作为储能单元。
闪络发生时,DVR处于逆变供电模式,超级电容的能量经DVR转换为标准电压源给负载供电。
供电恢复正常范围内时,DVR处于旁路模式,电网直接给负载供电,同时DVR从输出侧获取能量给超级电容充电。
这种超级电容储能式DVR可以快速检测电压暂降,保护策略完善。
运用直流电容进行稳压,并且摒弃了传统的电池元件,不需要更换电池,维护费用与工作量也因此而减少。
而系统电压处于正常时,DVR工作在旁路状态,仅当发生电压暂降时才进行补偿。
只有在补偿期间,装置核心部分才会进行能量交换,这种特殊的工作方式可以大幅度的提高装置整体的寿命。
IEEEStd1668对额定电压低于1kV用电设备的电压暂降耐受能力测试进行了规定,在采购精密医疗设备时,应当要求设备厂家依据中国电源学会团体标准TCPSS1008-2020《低压电气设备电压暂降及短时中断耐受能力测试方法》提交测试报告,并依据测试结果采取相应的设备保护措施。
(二)治理谐波,使医疗设备运行更安全
目前,谐波治理方法按技术手段可分为无源滤波(PF)和有源滤波(APF);按治理策略又可分为高压母线治理、低压母线治理和就地治理。
有源滤波(APF)治理策略有高压母线治理(在变压器的上端,高压(10KV)母线上治理谐波)和低压母线治理(在变压器的下端,低压母线上治理谐波),APF采用可关断电力电子器件(IGBT)组成自换相桥式电路,经过电抗器并联在电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧电流。
迅速吸收或者发出所需的无功功率,实现快速动态调节无功的目的。
作为有源形补偿装置,不仅可以跟踪冲击型负载的冲击电流,而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。
以上两种策略,根据医疗场所谐波源特点,采用并联有源滤波器(APF)抑制谐波。
因为并联有源滤波器能够检测、分析系统电流中的谐波分量;自动补偿,不受频谱范围的制约;可以单独治理谐波,不影响功率因数。
且APF单机可滤除2~51次全频谐波电流,避免谐振危害。
无源滤波(PF)治理策略是就地治理。
主要用于对重点谐波源设备就地治理。
如在大型医技设备(MRI、CT、伽玛刀)的电源入口处装设HTHF(设备级无源谐波滤波器)或专用隔离变压器,可以有效地抑制3次或5次谐波注入电网,降低主要谐波源对医疗电网和其他医疗设备的影响。
治理谐波的最经济方案是从谐波的源头着手,哪里产生,哪里治理。
一方面要严格限制谐波的发射水平,另一方面设法提高设备自身的抗谐波干扰的能力,改善谐波保护性能,提高供电质量。
对于大多数医疗场所,就地治理策略将非线性负载在设备端转变成了线性负载,既防止设备产生的谐波外窜,又保证设备不受外来谐波干扰,是最理想化的谐波治理策略。
(三)解决三相不平衡,提高医疗设备使用寿命
目前,适合医疗场所的三相不平衡治理方案是装设三相不平衡调节装置。
这种装置在相与相之间以及各相与零线之间恰当地接入不同数量的电容器,通过换相开关调整三相负荷的不平衡,不但可以使各相都得到良好的补偿,而且可以调整不平衡有功电流。
三、推行柔性管理,提高医院供配电系统的整体安全
医院普遍存在用电环境复杂、用电设备种类繁多和用电管理专业人员匮乏的问题。
因此,有必要构建医院供配电柔性安全体系,即通过柔性安全的技术手段,实现以下目标:
运行状态的可视性、运行逻辑的自发现、运行过程的可控性和运行故障的自修复。
(一)坚持科学评估,实现运行状态的可视性
1.确定医院供配电可靠性指标体系。
在边界条件确定上,指标体系以医院中的重要医疗场所和大型医疗设备供电为核心,以四重保障能力和电能质量为重点,定义各项指标涵义及计算公式,确定统计的边界条件。
在参数选择上,指标体系立足于北京市医院供配电系统现状,回避难以采集的数据,同时要求参与计算的参数能表征出医院供配电系统的基本特性,最终选择了五类采样节点和六类输入参数。
2.建立医院供配电可靠性评估模型。
可以采用人工神经网络方法,也就是通过人工智能算法,模仿人类神经网络的思维逻辑,并进行简化、抽象和模拟,利用各元节点之间的相互作用来处理信息,从而形成的数学模型。
这种模型具有并行结构和并行处理的特性、知识的分布存储特性、良好的容错性、高度非线性计算能力及自组织、自学习和自适应性等。
医院供配电可靠性评估模型通过潮流计算等方法,对于正在运行的供配电系统,可以判断重要医疗场所的四重保障能力和大型医疗设备的电能质量,如果有风险,就会自动提醒医院采取措施,调整运行方式。
对于正在改扩建的医院供配电系统,通过该模型,可以为选择电网供电方案和电气设备提供依据。
该模型还可以为继电保护和自动装置定整计算、电力系统故障计算和稳定计算等提供原始数据。
医院供配电可靠性评估模型的输出为:
医院供配电可靠率指标、重要医疗场所供电保障能力指标和大型医疗设备供电质量评价指标。
3.节点级设计、结构级设计和训练级设计。
模型的节点级设计的首要任务是确定元节点类型。
元节点主要包括两种功能:
组合和转移。
组合功能即是对节点输入信号采用组合方式,通常为节点输入的简单加权;转移功能即是节点的输出变换能力,通常由节点的转移函数决定。
例如,对于重要医疗场所这种元节点,供配电四重保障能力的组合和转移主要通过ATS(自动转换开关)来实现。
模型的结构级设计内容是进一步确定模型内不同层的数目、大小和连接,即确定模型的层数、各层节点数量和元节点的连接方式。
确定模型的层数主要就是确定隐含层的层数。
隐含层具有抽象分析作用,增加隐含层可以增加模型的处理能力,保障结果的准确度。
输入层的作用是将待处理数据从数据源加载至模型,当模型输入参数选定后便可得到输入层节点数量。
根据节点间的连接方式,可分为前馈连接和反馈连接,前馈连接的上一层的元节点只接受下一层元节点的输入,同层的元节点之间可以存在连接,也可以不存在连接,医院中核磁和PET-CT等大型医疗设备属于此种;反馈连接的每一层元节点要接受多重输入,医院中手术室和急救室等重要医疗场所属于此种。
模型的训练级设计的目的是确定模型采用的学习训练算法,并确定学习参数、初始条件、初始值以及模型的终止条件。
我们已经完成了有指导的学习方式,即能向模型提供成对的输入和输出模式对作为模型的训练样本。
目前正进行无指导的学习方式,即模型学习训练过程中依赖于自身特有结构,在输入的动态信息中寻找存在的模式和学习规律,对属于同一类的信息自动分类,并同时根据模型的功能和输入信息自主地调整连接权值或阀值。
完成以上工作后,医院供配电管理部门就可以坚持经常性评估,实现运行状态的可视性。
(二)建立供电智慧树,实现医院供配电运行逻辑的自发现
医院供电智慧树可以解决医院供电线路不清的问题。
它用分层拓扑矩阵描述了医院供配电系统各节点顺序关系,用邻接矩阵描述了各节点的邻接关系。
因此,供电智慧树模型可以表明各层节点和邻近节点的连接关系,如果底层节点负荷已知,利用反向推理可以方便求出上一层的负荷。
供电智慧树通过现场分支测试,建立供电树的拓扑分层模型,最终在管理平台上直观展示完整的供配电拓扑结构和设备参数。
在已知开关状态的情况下,可以快捷估计各顶点的负荷指向及负荷组成情况;可以方便有效地辨识供电网中的区域和分支,并将区域与分支的负荷有机地集合于一体。
供电智慧树在医院供配电系统运行中也发挥了重要作用。
正常运行时,它能监视系统的负荷分配情况,并通过改变供配电系统的运行方式,达到负荷优化分配的目的;在故障发生后,它能隔离故障区段,防止医院出现大面积停电,并且在恢复健全区段供电时.帮助管理人员采取最快的恢复策略。
供电智慧树的实现算法不仅包含配电网的拓扑结构描述和状态变量描述.而且必须将这两方面有机地综合起来。
(三)监测断路器的健康状态,实现运行过程的可控性
医院供配电系统中,断路器占医院配电系统资产总额的70%~80%。
而80%以上的电力故障也是由断路器引发,核心断路器一旦发生故障,就会造成大面积突然停电,直接威胁患者生命。
目前,通过大数据技术,可以实现断路器健康状态监测,即根据智能监测平台采集的断路器平均负荷、操作次数和触头磨损等参数,通过建模,自动生成设备健康状况曲线,及时给出小修、大修和退役等维护提示,实现了断路器健康状态在线监测。
断路器健康状态在线监测可以让运维人员及时了解断路器的工作状态,提醒运维人员进行预防性维护,并在发生故障前通知维护人员检修,有效避免了重复检修导致浪费了大量人力和物力。
断路器健康状态在线监测还可以有效预防恶性安全事故。
其通过及时监测断路器的每次动作,诊断其状况,提前故障报警,通知电力设备维护人员及时检查,排除故障,更换零部件,避免发生安全事故,保证人民财产安全。
断路器健康状态在线监测可以优化医疗设备的运行方式。
其通过实时在线监测断路器的动作情况,采集大量断路器动作的数据,分析医疗设备运行规律,查找故障的原因,改进运行方式,延长其使用寿命。
断路器健康状态在线监测可以防止过度检修或者检修不足。
该方式能够及时评估断路器的性能。
正常工作时,不发生报警;若有故障征兆,立即发出预警,通知维护人员及时检修,此种方法可以避免检修人员盲目检修造成过度检修或者检修不足。
如果坚持对断路器进行周期性状态评估和预防性维修,可以将配电维修由“被动维修”变成“主动预防”,就可以有效提高配电系统安全水平。
四、结束语
本文是针对北京市医院用电安全隐患提出的切实可行消除对策,随着智能配电网的推广和普及,智能配电网的自愈控制将成为从根本上消除用电安全隐患的重要手段。
智能配电网的自愈控制是指智能电网系统能自行察觉运行情况,如果自身运行情况出现了问题,在不需要派相关技术人员去检修的情况下,配电网系统就可以自行通过某种方式将出现问题的状态直接恢复到预先设定的正常状态,这就节省了人力资源,同时也为工作人员降低了检修时的危险。
智能配电网的自愈控制主要包含了4个过程,分别为信息采集、诊断、决策以及执行,这个过程对整个配电网运行状态进行实时评估,如果电网状态出现问题系统能快速进行处理,保障电力安全运行防止事故发生。
【参考文献】
1.GB51039-2014,综合医院建筑设计规范
2.GB50052-2009,供配电系统设计规范
3.TCPSS1008-2020,低压电气设备电压暂降及短时中断耐受能力测试方法
4.何学农,现代电能质量测量技术,中国电力出版社,2016,6
5.王毅强、王大刚,北京市医院用电安全隐患分析,中国医院建筑装备,2020(11):
80-82
【作者简介】
王大刚:
中国科学院研究员,电气专业教授级高级工程师,计算机专业高级工程师,北京市医院后勤管理质控中心专家委员会顾问专家,北京市电力行业协会专家
王毅强:
北京市医院后勤管理质控中心电气组组长,宣武医院后勤服务中心副处长
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