本文主要探討了各種規(guī)模的醫(yī)院手術(shù)區(qū)在不同需求情況下的供電方案，對(duì)不間斷電源在手術(shù)室供電中的重要性進(jìn)行了闡述，為保證手術(shù)室用電安全提供參考。

隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，手術(shù)中用到的先進(jìn)設(shè)備越來(lái)越多，也越來(lái)越依賴不間斷的電力供應(yīng)。然而，醫(yī)院卻面臨各種停電風(fēng)險(xiǎn)，如電網(wǎng)崩潰(美國(guó)東北部2004年8月14日大停電、郴州2008年受凍雨影響全城停電) 、電網(wǎng)短時(shí)停電(主要受雷雨影響，約3～6次 /a) 、人為操作失誤、短路跳閘等。因此，需要采取各種措施保證醫(yī)院用電安全，尤其是手術(shù)室用電安全。

1手術(shù)室用電負(fù)荷等級(jí)

無(wú)影燈、手術(shù)用IT系統(tǒng)、單相插座等設(shè)備發(fā)生停電事故，將會(huì)對(duì)病人造成嚴(yán)重傷害，導(dǎo)致重大的醫(yī)療事故。手術(shù)室電動(dòng)門、情報(bào)面板等設(shè)備發(fā)生停電事故，將嚴(yán)重干擾手術(shù)過(guò)程，且該類設(shè)備均為單相設(shè)備，功率小，數(shù)量眾多。為保證系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠，手術(shù)間的設(shè)備均統(tǒng)一認(rèn)定為同一級(jí)別設(shè)備。其配電箱系統(tǒng)如圖1所示。

根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷需采用雙重電源+應(yīng)急電源供電方式。從兩個(gè)高壓變電站各引一路10kV高壓線路組成雙重電源。

應(yīng)急電源必須滿足手術(shù)對(duì)電源的要求。當(dāng)前，大多數(shù)手術(shù)持續(xù)時(shí)間為2～3h，但有時(shí)會(huì)延長(zhǎng)，如有些心臟、腦科手術(shù)可能持續(xù)7～8h。因此，應(yīng)急電源應(yīng)選用可持續(xù)供電、成本低、易維護(hù)的柴油發(fā)電機(jī)組作應(yīng)急電源。選用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源可解決電網(wǎng)崩潰時(shí)手術(shù)室的電力供應(yīng)問(wèn)題。

根據(jù)《建筑物電氣裝置》：特殊裝置或場(chǎng)所的要求———醫(yī)療場(chǎng)所規(guī)定，手術(shù)室電源級(jí)別≤0.5s級(jí)，包括0s級(jí)、0.15s級(jí)、0.5s級(jí)。對(duì)于0s級(jí)應(yīng)急電源必須使用不間斷電源( Uninterrupted Power Supply， UPS) 供電。0.15s級(jí)、0.5s級(jí)使用切換時(shí)間小于相應(yīng)級(jí)別的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換兩路市電。

由于0.15s級(jí)、0.5s級(jí)只使用相應(yīng)級(jí)別的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)即可，整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此不再?gòu)?fù)述。要全面滿足0s級(jí)手術(shù)室的一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷的供電要求，需要兩路市電、柴油發(fā)電機(jī)組、UPS四種電源共同組合使用。UPS滿足電源切換時(shí)間短(0.5～15s) 及短時(shí)間停電(如高壓市電重合閘的短時(shí)斷電，約1～6s) 要求，柴油發(fā)電機(jī)組滿足長(zhǎng)時(shí)間停電要求。

UPS種類繁多、大小各異，兩路市電、柴油發(fā)電機(jī)組、UPS組成的系統(tǒng)受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、UPS種類大小、連接點(diǎn)位置等影響可以組成多種形式。整個(gè)系統(tǒng)受多種因素影響(尤其受UPS的壽命、功耗、可靠性等因素影響較大)，性能差異很大，因此整個(gè)手術(shù)室供電系統(tǒng)必須以 UPS中心進(jìn)行整體分析，確定系統(tǒng)方案。

2手術(shù)區(qū)整體供電方案

我國(guó)三級(jí)甲等醫(yī)院的中心手術(shù)區(qū)往往規(guī)模大，手術(shù)復(fù)雜，設(shè)備更新快，手術(shù)室升級(jí)頻繁，電源級(jí)別為0s級(jí)的手術(shù)室占比大，適用于為整個(gè)手術(shù)區(qū)的所有手術(shù)室的一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷集中配置 UPS，即所有手術(shù)室都提升為0s級(jí)手術(shù)室，提高電源級(jí)別和供電可靠性，日后手術(shù)室功能可以隨意調(diào)整，不受供電的限制。UPS還可放置在利于維護(hù)、檢視、檢修的位置(如配電室)，進(jìn)一步增加了可靠性。

（1）大型UPS并聯(lián)集中供電方案拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 大型 UPS 并聯(lián)集中供電拓?fù)鋱D

該方案一般采用兩臺(tái)UPS并聯(lián)，為手術(shù)區(qū)供電。在該方案中，每臺(tái) UPS的容量按滿足所有手術(shù)室負(fù)荷確定，兩臺(tái)UPS通過(guò)控制總線協(xié)調(diào)輸出電流。在正常情況下，兩臺(tái)UPS各負(fù)擔(dān)一半負(fù)載，工作在低負(fù)荷狀態(tài)。當(dāng)一臺(tái)UPS故障，甚至停止供電時(shí)，另一臺(tái)UPS在不間斷供電的同時(shí)，接管所有負(fù)荷，保證持續(xù)、可靠供電。當(dāng)故障UPS維修時(shí)，另一臺(tái)UPS無(wú)需斷開(kāi)，保障系統(tǒng)安全、可靠供電。該方案已在大量的數(shù)據(jù)中心經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，是成熟可靠的系統(tǒng)。

該方案安全、可靠、靈活、抗干擾，但造價(jià)高，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高，效率低。

該方案采用單臺(tái)UPS為手術(shù)區(qū)供電，市電二作為UPS的后備電源。由于UPS為重要、關(guān)鍵負(fù)載供電，因此UPS的設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，可靠性很高(大型UPS逆變回路的平均無(wú)故障工作時(shí)間不低于30萬(wàn)h)。尤其是UPS內(nèi)部自動(dòng)旁路的設(shè)計(jì)更大幅提高了UPS的可靠性。此外，大型UPS內(nèi)部通常設(shè)計(jì)為模塊化結(jié)構(gòu)，在維修逆變模塊或其他部分時(shí)，UPS可通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)換至維修回路繼續(xù)供電。

雖然UPS(尤其是大型UPS)的可靠性很高，但UPS也不可能完全杜絕機(jī)器故障、人為操作失誤故障等。如果僅依靠單臺(tái)UPS供電，若發(fā)生故障，將發(fā)生整個(gè)手術(shù)區(qū)長(zhǎng)時(shí)間斷電的災(zāi)難性后果，是不可承受的風(fēng)險(xiǎn)。

市電二作為UPS的后備電源，與UPS輸出端通過(guò)快速自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)( 轉(zhuǎn)換時(shí)間低于100ms)進(jìn)行快速切換，可以大幅減少停電時(shí)間，避免發(fā)生不可承受事故。由于UPS的可靠性很高，因此市電二主要在更換、大修UPS時(shí)使用。

此外，部分品牌的UPS還可利用經(jīng)濟(jì)模式或綠色休眠模式( 即正常情況下利用自動(dòng)旁路供電，逆變回路處于熱備份或冷備份狀態(tài)) 進(jìn)一步節(jié)省電能。

單UPS方案相對(duì)于雙UPS并聯(lián)方案，可靠性差別不大，可承受風(fēng)險(xiǎn)，成本卻降低50%，是一個(gè)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方案。

此外，大型UPS相比小型UPS還具有較高的抗干擾性。由于手術(shù)區(qū)內(nèi) 小型醫(yī)療設(shè)備眾多，因此干擾眾多，如隔離變壓器的勵(lì)磁沖擊電流、設(shè)備短路故障電流、電機(jī)起動(dòng)電流等。由于大型 UPS 的耐受沖擊電流比小型UPS大得多，因此影響相對(duì)較小，也決定了大型 UPS較小型UPS更穩(wěn)定。

 

3重點(diǎn)供電方案

等級(jí)較低的醫(yī)院開(kāi)展復(fù)雜手術(shù)的機(jī)會(huì)少，只需幾間0s級(jí)手術(shù)室即可。這種只對(duì)重要手術(shù)室認(rèn)定為0s級(jí)手術(shù)室且布置UPS的方法節(jié)約了投資，但限制了手術(shù)室功能調(diào)整的靈活性。

相比不設(shè)置UPS，該方案避免了市電的各種故障，增強(qiáng)了手術(shù)室供電的可靠性。但是由于小型UPS的可靠性較低，且在UPS輸出側(cè)存在單點(diǎn)故障，因此若UPS故障，則手術(shù)室供電發(fā)生故障，而且可能長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法恢復(fù)供電，因此必須加強(qiáng)維護(hù)，定時(shí)更換UPS。該方案造價(jià)低， 但可靠性較低，存在隱患，應(yīng)慎重采用。

該方案采用兩臺(tái)小型UPS并聯(lián)為手術(shù)室供電，既避免了市電的各種故障，又通過(guò)兩臺(tái)UPS并聯(lián)運(yùn)行、相互冗余，消除了單臺(tái)UPS故障對(duì)系統(tǒng)造成的損害，大幅提高了手術(shù)室的供電可靠性。

該方案安全、可靠，部署靈活，但是造價(jià)高、體積大、維護(hù)困難。若手術(shù)區(qū)內(nèi)的全部手術(shù)室均按該方案部署，造價(jià)將非常昂貴， 維護(hù)量巨大。該方案適用于停電將影響生命的特別重要的手術(shù)室，如心臟、腦科手術(shù)室。

4是否可以利用EPS代替UPS

EPS是應(yīng)急電源( Emergency Power Supply)的簡(jiǎn)稱，主要應(yīng)用于消防系統(tǒng)。普通EPS主要強(qiáng)調(diào)市電停電時(shí)保證0.5～2h持續(xù)供電能力，并不要求不間斷供電( 典型在線式 UPS 切換時(shí)間為4ms左右) ，因此部分參數(shù)相對(duì)于UPS有所加強(qiáng)(如耐壓高、過(guò)壓大、過(guò)流能力強(qiáng)、帶載能力、啟動(dòng)能力、短時(shí)過(guò)載能力、節(jié)能、壽命長(zhǎng))，部分參數(shù)相對(duì)于UPS有所減弱(如冷后備工作模式、切換時(shí)間長(zhǎng)、充電能力小)。

供電要求不一樣，選用的器件也不同，主要體現(xiàn)在EPS選用機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(如接觸器式、PC級(jí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等)代替UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致切換時(shí)間達(dá)不到ms級(jí)，達(dá)不到不斷電要求。大功率EPS往往用變頻器代替UPS專用逆變器，導(dǎo)致使用電池供電時(shí)頻率、電壓波動(dòng)較大。因此，普通EPS的切換時(shí)間較長(zhǎng)，不能保證電子設(shè)備不間斷工作，不能應(yīng)用于手術(shù)區(qū)供電。

為了適應(yīng)如氣體發(fā)光燈具對(duì)斷電時(shí)間的苛刻要求，部分EPS廠家也開(kāi)發(fā)出一種快速切換EPS，即仍然用靜態(tài)開(kāi)關(guān)作切換、逆變器(變頻器) 工作在熱備份狀態(tài)的EPS，大體相當(dāng)于工作在后備模式的UPS。

快速切換EPS失去了普通EPS大部分重要的優(yōu)點(diǎn)(如節(jié)能、壽命長(zhǎng)) ，卻無(wú)法避免其缺點(diǎn)(頻率、電壓不穩(wěn))，且EPS只在國(guó)內(nèi)使用，只有國(guó)內(nèi)的中小企業(yè)生產(chǎn)。其中快切EPS僅少量定制，其控制部件設(shè)計(jì)生產(chǎn)、重要部件采購(gòu)、生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制、產(chǎn)品測(cè)試等環(huán)節(jié)都可能存在問(wèn)題。UPS(尤其是大功率UPS)多由全球知名公司生產(chǎn)，已在全球大規(guī)模應(yīng)用多年，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體生產(chǎn)等領(lǐng)域，被證實(shí)是安全、可靠、方便、實(shí)用的產(chǎn)品。

綜合上述分析，應(yīng)使用UPS(無(wú)論大功率，還是中、小功率)作為手術(shù)室配套電源，而不應(yīng)使用EPS(既包括大功率、小功率，又包括普通 EPS、快切EPS)。

 

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UPS存在的缺點(diǎn)

UPS存在以下缺點(diǎn)：

（1）能耗高，效率低。以最常使用的大功率在線式UPS為例，通常大多品牌UPS的高頻機(jī)最高效率在94%左右，工頻機(jī)最高效率在90%左右，但是 UPS 達(dá)到最高效率時(shí)的負(fù)載率接近于滿載。為手術(shù)區(qū)供電的UPS往往工作在低負(fù)載區(qū)間(手術(shù)區(qū)大部分時(shí)間處于夜晚、休班狀態(tài)，基本處于空載狀態(tài)，雙UPS并聯(lián)供電即使在工作狀態(tài)最高也不 超過(guò)40%) ，效率較低。雖然部分UPS的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式(ECO)可以在一定程度上提高效率，但受待機(jī)能耗(主要因?yàn)槟孀兤魈幱跓醾錉顟B(tài))影響，實(shí)際提升幅度并不大，因此不建議普通在線式UPS長(zhǎng)期工 作在ECO模式?，F(xiàn)在有部分廠家已推出了高效率(包括工作在低負(fù)載率時(shí))的產(chǎn)品，希望能夠廣泛推廣，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

 

（2）運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用高。UPS造價(jià)昂貴，后期維護(hù)費(fèi)用高(專業(yè)人員巡檢、更換電池、更換電容)，運(yùn)行成本高(主要是電費(fèi)方面)。

 

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結(jié)語(yǔ)

手術(shù)室使用UPS供電提高了供電的可靠性，但也帶來(lái)了能耗高、效率低的問(wèn)題。如果將因UPS散熱而增加的空調(diào)能耗也計(jì)算在內(nèi)，則效率更加低下(可參考數(shù)據(jù)中心的能源使用效能參數(shù))，因此研發(fā)、制造、推廣節(jié)能UPS就非常有意義。

由于UPS多種多樣，手術(shù)室需求非常復(fù)雜，同時(shí)UPS、手術(shù)室需求發(fā)展很快，探討、交流手術(shù)室的供電方案與UPS的使用得失，共同優(yōu)化手術(shù)室供電方案具有非常重要的意義。