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趙斌
安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801
摘 要 參考IEC標準中對手術室內(nèi)電源系統(tǒng)級絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的規(guī)定和要求，結合國家有關規(guī)范和標準，對手術室配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)作了設計和應用舉例；論述了絕緣監(jiān)測儀的測量原理和應用范圍；分析IT系統(tǒng)電網(wǎng)接地故障及應用的局限性。
關鍵詞 手術室配電 絕緣監(jiān)測 IT系統(tǒng)電網(wǎng) 故障
目前在醫(yī)院的手術室中，大量采集電氣醫(yī)療設備，其中對接觸人體內(nèi)臟（心臟）、大腦等器官的醫(yī)療電氣設備需進行絕緣監(jiān)測和特殊保護。我國的標準、規(guī)范中，設計醫(yī)療電氣設備安全保護、絕緣監(jiān)測方面的條款，不甚詳細、也不全面，暫未能與IEC 364-7-710（建筑物內(nèi)的電氣安裝第7部分：對特殊區(qū)域安裝的要求）標準接軌。筆者就手術室內(nèi)配電、絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的設計及設備選型，作一些探討。
1 IEC 標準中對手術室電源及絕緣監(jiān)測的規(guī)定
IEC 364-7-710（1997）（《建筑物內(nèi)的電氣安裝》）第七部分：對特殊區(qū)域的特殊安裝的要求710節(jié)：醫(yī)療場所中，把醫(yī)療場所按電擊危險分組和按不間斷供電要求分級，同時屬于第2應用組的0.5級別的場所，僅有手術準備室、手術室、特別監(jiān)護室；對上述場所IEC 364-7-710•413•1•5規(guī)定：除了IEC 364-7-710•413•1•3條規(guī)定外的設備，用于維持生命或外科手術的醫(yī)療電氣設備、照明和類似照明設備，額定電壓超過AC250V或DC60V的設備，必須使用帶絕緣電阻監(jiān)測儀器的IT電源系統(tǒng)，該儀器還應滿足：①內(nèi)部交流絕緣電阻必須大于100KΩ。②測試電壓不大于DC25V。③即使在故障條件下，測試電流不得超過1mA。④最遲在絕緣電阻降至50KΩ時，應有顯示，應提供一測試儀器測試該設備。⑤如果接地線或電路連線松開，應有顯示。
2 《民用建筑電氣設計規(guī)范》（JGJ/T16-2008）的規(guī)定及問題提出
在《民用建筑電氣設計規(guī)范》（JGJ/T16-2008）（以下簡稱《民規(guī)》）中，僅在第14.7.6.3條提出“在電源突然中斷后，有招致重醫(yī)療危險的場所，應采用電力系統(tǒng)不接地（IT系統(tǒng)）的供電方式”。第14.2.8條：“IT系統(tǒng)必須裝設絕緣監(jiān)測儀及接地故障報警或顯示裝置”。在有的實際設計中，僅對重要的醫(yī)療場所，采用專用醫(yī)療隔離變壓器，引出IT系統(tǒng)電源，在房間配電箱內(nèi)設一套絕緣監(jiān)測裝置，系統(tǒng)圖如圖1所示。
圖1 IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測
上述設計過于簡單，籠統(tǒng)，且有的絕緣監(jiān)測儀器的測量技術方法落后，不能準確、可靠地顯示與報警，給手術室等重要醫(yī)療場所的配電留下了極大隱患。
3 手術室配電、絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的設計
根據(jù)《醫(yī)用電氣設備》（GB9706.1-93 ）中“第一部分：安全通用要求”，結合IEC 364-7-710、《民規(guī)》，筆者總結以往手術室配電、絕緣監(jiān)測設計經(jīng)驗，對手術室配電及絕緣監(jiān)測作如下設計探討。
3.1 設計舉例
a. 監(jiān)測儀選用安科瑞電氣股份有限公司的產(chǎn)品。
b. 由于手術室安裝大量的單相醫(yī)療電氣設備，采用IT系統(tǒng)電源，需配出N線。據(jù)《民規(guī)》第8.6.6.6條要求，在N線上須裝設過流保護器。因此，采用兩極（單相）低壓斷路器，在IT系統(tǒng)電源發(fā)生第二次異相接地（短路）故障時，切斷相線或N線。
c. 采用AITR6300隔離變壓器，滿足單相負荷要求。
d. 采用AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀，它具有如下功能：①監(jiān)測絕緣阻抗，范圍為10～999KΩ。②監(jiān)測負載電流，范圍為2.1～50A。③監(jiān)測隔離變壓器溫度。④在線監(jiān)測儀表和電網(wǎng)、N線、PE線的連接。⑤在線監(jiān)測儀表與電流互感器的連接。⑥在線監(jiān)測儀表與溫度傳感器的連接。⑦兩路繼電器報警輸出、LED報警指示。
當AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀連接電流互感器AKH-0.66P26，可用于監(jiān)測隔離變壓器的負荷狀況；采用隔離變壓器內(nèi)部的溫度傳感器PT100（見圖2、圖3中的接線端子ST），可監(jiān)測變壓器溫度狀況。
e. 選用AID系列外接報警與顯示儀，安裝于手術室內(nèi)信息控制面板上，顯示AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀的所有信息，并具有遠程設置AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀的報警參數(shù)等功能。
f. 圖2中各儀表之間的通信通過RS485接口實現(xiàn)，圖3中各儀表之間的通信通過CAN接口實現(xiàn)。
g. 選用儀表專用電源ACLP10-24，保證儀表所用電源的可靠性與穩(wěn)定性。ACLP10-24能將AC220V轉換為DC24V。
3.2 手術室配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的典型設計圖例
按照上述儀表選用及設計原則，手術室單相IT系統(tǒng)電源配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)圖(不帶故障定位)如圖2所示,儀表功能及報價如表1所示。
圖2 單相IT系統(tǒng)電源監(jiān)視系統(tǒng)接線（不帶故障定位功能）
表1 不帶故障定位功能儀表的功能及報價表
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名稱
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型號
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功能
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價格（元）
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絕緣監(jiān)測儀
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AIM-M100
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具有對被監(jiān)測的IT系統(tǒng)對地絕緣電阻、隔離變壓器負荷電流、變壓器繞組溫度實時監(jiān)測及故障報警功能。
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15600
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直流穩(wěn)壓電源
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ACLP10-24
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儀表專用的直流穩(wěn)壓模塊，導軌式安裝
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300
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報警與顯示儀
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AID100
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具有絕緣電阻、變壓負荷率實時顯示功能；可遠程設置絕緣監(jiān)測儀的報警閥值。
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900
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AID120
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電流互感器
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AKH-0.66P26
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與AIM-M100絕緣監(jiān)測儀配套使用的保護型電流互感器。最大可測電流為50A,變比為2000:1。
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150
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手術室單相IT系統(tǒng)電源配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)圖（帶故障定位功能）如圖3所示，儀表功能及報價如表2所示。
圖3 單相IT系統(tǒng)電源監(jiān)視系統(tǒng)接線（帶故障定位功能）
表2 帶故障定位功能儀表的功能及報價表
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名稱
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型號
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功能
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價格（元）
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絕緣監(jiān)測儀
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AIM-M200
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具有監(jiān)測IT系統(tǒng)絕緣電阻、負荷電流、變壓器繞組溫度的功能，可配合絕緣故障儀準確定位系統(tǒng)絕緣故障回路。采用兩種現(xiàn)場總線通訊技術，分別用于集中報警與顯示儀、測試信號發(fā)生器、絕緣故障定位儀以及上位機管理軟件通訊。儀表具有斷線故障監(jiān)測、兩路繼電器輸出和事件記錄功能。
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19600
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集中報警與顯示儀
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AID200
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采用CAN通訊，可遠程顯示多達16套絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況，也可以遠程設置各類報警閥值和啟動各種監(jiān)測自檢。儀表可實時監(jiān)控監(jiān)測儀通訊是否完好，并可記錄20條事件記錄。
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900
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測試信號發(fā)生器
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ASG100
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采用CAN總線技術，可與其他設備進行數(shù)據(jù)交互。當系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時，可產(chǎn)生故障定位信號注入系統(tǒng)中，配合故障定位儀定位故障回路，具有電網(wǎng)斷線監(jiān)測功能。
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3780
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絕緣故障定位儀
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AIL100-4
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采用CAN總線技術，可與其他設備進行數(shù)據(jù)交互。當系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時，配合信號發(fā)生器實現(xiàn)故障定位功能，AIL100-4可定位4個回路絕緣故障，
AIL100-8可定位8個回路絕緣故障。
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6050
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AIL100-8
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8050
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直流穩(wěn)壓電源
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DR-60-24
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為AIM-M200、ASG100、AIL100和AID200提供直流24V的穩(wěn)壓電源
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450
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電流互感器
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AKH-0.66P26
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和AIM-M200配套使用的保護型電流互感器，用于測量被監(jiān)測IT系統(tǒng)當前的負荷電流。
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150
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3.3 儀表的選型及安裝：
A.儀表的技術數(shù)據(jù)、參數(shù)：AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀、AITR系列隔離變壓器、AID系列報警與顯示儀、ASG100測試信號發(fā)生器、AKH-0.66P26電流互感器、AIL100絕緣故障定位儀、ACLP10-24電源模塊的技術參數(shù)分別見表3～表9。
表3 AIM-M系列絕緣監(jiān)測儀技術參數(shù)
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型號
參數(shù)
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AIM-M100
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AIM-M200
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輔助電源
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電壓
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AC220V（可波動范圍±10%)
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DC24V（可波動范圍±25%)
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頻率
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50/60Hz
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—
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最大功耗
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<8VA
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<3VA
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絕緣監(jiān)測
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絕緣電阻測量范圍
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10～999kΩ
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相對百分比誤差
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0～±10%
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報警值范圍
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50～999kΩ
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響應時間
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<2s
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測量電壓
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<12V
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測量電流
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<50uA
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電流監(jiān)測
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測量范圍
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2.1～50A
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報警值可設范圍
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5～50A
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測量精度
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5級
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顯示方式
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百分比顯示
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數(shù)值和百分比顯示
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溫度監(jiān)測
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熱敏電阻
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PT100
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測量范圍
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-50～+200℃
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報警值范圍
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0～+200℃
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報警輸出
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輸出方式
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2路繼電器輸出（可編程）
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2路繼電器輸出
（不可編程）
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觸點容量
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AC 250V/3A DC 30V/3A
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通訊
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2路RS485接口，
Mod bus-RTU協(xié)議
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1路RS485接口，
Mod bus-RTU協(xié)議
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1路CAN接口，
自定義協(xié)議
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環(huán)境
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工作溫度
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-10～+50℃
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存儲溫度
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-20～+70℃
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相對濕度
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5%-95%，不結露
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海拔高度
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≤2500m
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額定沖擊電壓/污染等級
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4KV/3
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EMC電磁兼容和電磁輻射
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符合IEC61326-2-4
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表4 AITR系列隔離變壓器技術參數(shù)
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額定容量
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3.15KVA/6.3KVA/8KVA/10KVA
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短路電壓
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<3% Un
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頻率
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50/60Hz
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效率
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>96%
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額定輸入電壓
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230V
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最高環(huán)境溫度
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<40℃
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輸出電壓
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230V/115V
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空載溫升
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<33℃
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沖擊電流（IE）
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<12In
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滿負荷溫升
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<76℃
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泄漏電流
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<180uA
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耐壓
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4200V/分鐘
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空載輸出電壓（U0）
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<235V
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絕緣等級
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H
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空載輸出電流（I0）
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<3% In
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噪聲等級
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<40dB (A)
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表5 AID系列報警與顯示儀技術參數(shù)
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參數(shù) 型號
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AID100
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AID120
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AID200
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輔助電源
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電壓
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DC 24V
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功耗
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< 0.6W
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絕緣電阻顯示范圍
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0～999kΩ
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—
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絕緣報警范圍
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50～999kΩ
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—
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變壓器負載率顯示
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百分比顯示
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—
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負載電流報警設置
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14A、18A、22A、28A、35A、45A
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溫度報警設置范圍
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０～+200℃
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報警方式
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聲光報警
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報警類型
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絕緣故障、過負荷、超溫、設備故障
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通訊方式
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RS485接口 MODBUS-RTU協(xié)議
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CAN接口，自定義協(xié)議
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顯示方式
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數(shù)碼管顯示
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128×32點陣液晶顯示
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表6 ASG100測試信號發(fā)生器技術參數(shù)
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輔助電源
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電壓
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DC24V(±25%)
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最大功耗
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≤2VA
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被監(jiān)測系統(tǒng)
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額定電壓
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AC 220 V(±10%)
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額定頻率
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45 ~ 60Hz
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定位信號
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定位電壓
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<25V a.c.r.m.s.
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定位電流
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<1mA r.m.s.
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通訊
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方式
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CAN通訊
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協(xié)議
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自定義協(xié)議
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表7 AIL100絕緣故障定位儀技術參數(shù)
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項目
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指標
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AIL100-4
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AIL100-8
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輔助電源
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電壓
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DC24V(±25%)
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最大功耗
|
≤2VA
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被監(jiān)測系統(tǒng)
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額定電壓
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AC 220 V(±10%)
|
|
額定頻率
|
45 ~ 60Hz
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定位信號
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定位電壓
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<25V a.c.r.m.s.
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定位電流
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<1mA r.m.s.
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故障定位
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最大回路數(shù)
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4路
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8路
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響應時間
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<2s
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通訊
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方式
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CAN通訊
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協(xié)議
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自定義協(xié)議
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表8 AKH-0.66P26電流互感器技術參數(shù)
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輸入電流
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0.5mA～50A
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使用頻率范圍
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0.02-10 KHZ
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輸出電流
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0.025～25 A
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負載電阻
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<200Ω
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溫度系數(shù)
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100 ppm/℃
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瞬間電流1s
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200A
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相移
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10¢
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安裝固定
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十字槽盤頭4×10螺絲固定
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工作溫度
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-35～+70℃
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二次側接線
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單芯線>0.75mm2 最長1m
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儲存溫度
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-40～+75℃
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單芯雙絞線0.75mm2 最長10m
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副邊內(nèi)阻范圍
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95～120Ω
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隔離耐壓
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5000Vac
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精度
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0.5%
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線性度
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0.5%
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表9 ACLP10-24電源模塊技術參數(shù)
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輸入電壓
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AC 220V（可波動范圍±10%)
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頻率
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50/60Hz
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功率
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3W
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輸出電壓
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DC 24V±5%
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電壓調(diào)整率
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≤30%
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溫升
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≤20℃
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抗電強度
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4000V AC/分鐘
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B. 安裝：隔離變壓器可安裝于醫(yī)院內(nèi)靠近手術室的配電間內(nèi)，AID系列報警與顯示儀安裝于手術室或監(jiān)控室易于觀察和操作的位置，明裝與墻上。
4 絕緣監(jiān)測儀的類型及監(jiān)測原理
絕緣監(jiān)測儀對IT系統(tǒng)電網(wǎng)的絕緣進行連續(xù)不斷的監(jiān)測，當絕緣值降至預先設計的響應值，則發(fā)出聲光報警，使絕緣故障得到及時的監(jiān)測和維修，保證了IT系統(tǒng)電網(wǎng)供電可靠性。
4.1 疊加直流測量電壓法
在電網(wǎng)和保護導線之間疊加一個直流測量電壓，其正極經(jīng)高阻抗耦合電阻與電網(wǎng)連接，負極經(jīng)一電子電路與大地相連，當IT系統(tǒng)電網(wǎng)中出現(xiàn)絕緣故障，測量電路經(jīng)絕緣故障處閉合，這時直流測量電流I m經(jīng)絕緣故障處流過測量電阻R m, I m由電子電路評估。
圖4 疊加直流測量電壓法原理
該測量方法只能使用于純交流單相或三相電網(wǎng)內(nèi)，如果電網(wǎng)內(nèi)有直流元件、大電容，或電壓頻率的變化均會影響該方法的準確性。
4.2 不對稱電壓測量法
該測量方法采用一橋電路與被監(jiān)的電網(wǎng)兩極相連接，如圖5所示。電網(wǎng)內(nèi)不疊加任何電壓信號，而是使用電網(wǎng)電壓作為驅動電壓。當某相發(fā)生對地故障時，會引起電壓漂移，Rf+或Rf-驅動測量電流I m，該電流被電子電路記錄下來，當數(shù)值達到響應值時，報警繼電器動作。擔當發(fā)生一個平衡的對地短路故障，儀器則不能識別該故障。且方法不能直接顯示對地的kΩ級的絕緣故障。該測量方法適用于直流電網(wǎng)中。
圖5 不對稱電壓測量法原理
5 IT系統(tǒng)電網(wǎng)接地故障分析
IT系統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)生第一次接地故障時，據(jù)《民規(guī)》第8.6.4.15條：可自動切斷電源，采用絕緣監(jiān)測儀進行聲光報警，應在最短時間內(nèi)排除故障。如IT系統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)生第二次接地故障，如在圖6中，在設備Ⅰ發(fā)生接地故障后，設備Ⅱ又發(fā)生接地故障，故障點遭受線電壓，造成短路故障，危害極大。手術室、手術準備室、特別監(jiān)護室，在醫(yī)院內(nèi)的地理位置如相距較遠，則醫(yī)療電氣設備外漏導電部分均各自接地；如相距距離較近或統(tǒng)一室內(nèi)有數(shù)臺醫(yī)療電氣設備，應采用共同接地。
圖6 IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測
參考文獻
[1 ]楊成德 . 手術室配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的設計與探討
[2 ]王厚余 . 醫(yī)院中的電氣安全要求 . 建筑電氣，1993（4）：~7
[3 ]楊成德 . 低壓配電系統(tǒng)的接地和接零保護 . 電工技術雜志，2000（7）：23~26
[4 ]楊德成 . 醫(yī)療電氣設備的供電及安全保護設計 . 供用電，2000（5）：41~43
作者簡介
趙斌，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為醫(yī)療供配電設計，Email:7377987@qq.com手機：13917437076 QQ:7377987
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