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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(biāo)準(zhǔn)中對(duì)手術(shù)室內(nèi)電源系統(tǒng)級(jí)絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的規(guī)定和要求，結(jié)合國(guó)家有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)手術(shù)室配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)作了設(shè)計(jì)和應(yīng)用舉例；論述了絕緣監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量原理和應(yīng)用范圍；分析IT系統(tǒng)電網(wǎng)接地故障及應(yīng)用的局限性。
關(guān)鍵詞 手術(shù)室配電 絕緣監(jiān)測(cè) IT系統(tǒng)電網(wǎng) 故障
目前在醫(yī)院的手術(shù)室中，大量采集電氣醫(yī)療設(shè)備，其中對(duì)接觸人體內(nèi)臟（心臟）、大腦等器官的醫(yī)療電氣設(shè)備需進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)和特殊保護(hù)。我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中，設(shè)計(jì)醫(yī)療電氣設(shè)備安全保護(hù)、絕緣監(jiān)測(cè)方面的條款，不甚詳細(xì)、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(duì)特殊區(qū)域安裝的要求）標(biāo)準(zhǔn)接軌。筆者就手術(shù)室內(nèi)配電、絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備選型，作一些探討。
1 IEC 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)手術(shù)室電源及絕緣監(jiān)測(cè)的規(guī)定
IEC 364-7-710（1997）（《建筑物內(nèi)的電氣安裝》）第七部分：對(duì)特殊區(qū)域的特殊安裝的要求710節(jié)：醫(yī)療場(chǎng)所中，把醫(yī)療場(chǎng)所按電擊危險(xiǎn)分組和按不間斷供電要求分級(jí)，同時(shí)屬于第2應(yīng)用組的0.5級(jí)別的場(chǎng)所，僅有手術(shù)準(zhǔn)備室、手術(shù)室、特別監(jiān)護(hù)室；對(duì)上述場(chǎng)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(shè)備，用于維持生命或外科手術(shù)的醫(yī)療電氣設(shè)備、照明和類似照明設(shè)備，額定電壓超過(guò)AC250V或DC60V的設(shè)備，必須使用帶絕緣電阻監(jiān)測(cè)儀器的IT電源系統(tǒng)，該儀器還應(yīng)滿足：①內(nèi)部交流絕緣電阻必須大于100KΩ。②測(cè)試電壓不大于DC25V。③即使在故障條件下，測(cè)試電流不得超過(guò)1mA。④最遲在絕緣電阻降至50KΩ時(shí)，應(yīng)有顯示，應(yīng)提供一測(cè)試儀器測(cè)試該設(shè)備。⑤如果接地線或電路連線松開(kāi)，應(yīng)有顯示。
2 《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ/T16-2008）的規(guī)定及問(wèn)題提出
在《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ/T16-2008）（以下簡(jiǎn)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(xiǎn)的場(chǎng)所，應(yīng)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(shè)絕緣監(jiān)測(cè)儀及接地故障報(bào)警或顯示裝置”。在有的實(shí)際設(shè)計(jì)中，僅對(duì)重要的醫(yī)療場(chǎng)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(shè)一套絕緣監(jiān)測(cè)裝置，系統(tǒng)圖如圖1所示。
圖1 IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)
上述設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單，籠統(tǒng)，且有的絕緣監(jiān)測(cè)儀器的測(cè)量技術(shù)方法落后，不能準(zhǔn)確、可靠地顯示與報(bào)警，給手術(shù)室等重要醫(yī)療場(chǎng)所的配電留下了極大隱患。
3 手術(shù)室配電、絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
根據(jù)《醫(yī)用電氣設(shè)備》（GB9706.1-93 ）中“第一部分：安全通用要求”，結(jié)合IEC 364-7-710、《民規(guī)》，筆者總結(jié)以往手術(shù)室配電、絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)手術(shù)室配電及絕緣監(jiān)測(cè)作如下設(shè)計(jì)探討。
3.1 設(shè)計(jì)舉例
a. 監(jiān)測(cè)儀選用安科瑞電氣股份有限公司的產(chǎn)品。
b. 由于手術(shù)室安裝大量的單相醫(yī)療電氣設(shè)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(shè)過(guò)流保護(hù)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(shí)，切斷相線或N線。
c. 采用AITR6300隔離變壓器，滿足單相負(fù)荷要求。
d. 采用AIM-M系列絕緣監(jiān)測(cè)儀，它具有如下功能：①監(jiān)測(cè)絕緣阻抗，范圍為10～999KΩ。②監(jiān)測(cè)負(fù)載電流，范圍為2.1～50A。③監(jiān)測(cè)隔離變壓器溫度。④在線監(jiān)測(cè)儀表和電網(wǎng)、N線、PE線的連接。⑤在線監(jiān)測(cè)儀表與電流互感器的連接。⑥在線監(jiān)測(cè)儀表與溫度傳感器的連接。⑦兩路繼電器報(bào)警輸出、LED報(bào)警指示。
當(dāng)AIM-M系列絕緣監(jiān)測(cè)儀連接電流互感器AKH-0.66P26，可用于監(jiān)測(cè)隔離變壓器的負(fù)荷狀況；采用隔離變壓器內(nèi)部的溫度傳感器PT100（見(jiàn)圖2、圖3中的接線端子ST），可監(jiān)測(cè)變壓器溫度狀況。
e. 選用AID系列外接報(bào)警與顯示儀，安裝于手術(shù)室內(nèi)信息控制面板上，顯示AIM-M系列絕緣監(jiān)測(cè)儀的所有信息，并具有遠(yuǎn)程設(shè)置AIM-M系列絕緣監(jiān)測(cè)儀的報(bào)警參數(shù)等功能。
f. 圖2中各儀表之間的通信通過(guò)RS485接口實(shí)現(xiàn)，圖3中各儀表之間的通信通過(guò)CAN接口實(shí)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(zhuǎn)換為DC24V。
3.2 手術(shù)室配電及絕緣監(jiān)視系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)圖例
按照上述儀表選用及設(shè)計(jì)原則，手術(shù)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(bào)價(jià)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(bào)價(jià)表
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名稱
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型號(hào)
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功能
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價(jià)格（元）
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絕緣監(jiān)測(cè)儀
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AIM-M100
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具有對(duì)被監(jiān)測(cè)的IT系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻、隔離變壓器負(fù)荷電流、變壓器繞組溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障報(bào)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(dǎo)軌式安裝
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300
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報(bào)警與顯示儀
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AID100
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具有絕緣電阻、變壓負(fù)荷率實(shí)時(shí)顯示功能；可遠(yuǎn)程設(shè)置絕緣監(jiān)測(cè)儀的報(bào)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(cè)儀配套使用的保護(hù)型電流互感器。最大可測(cè)電流為50A,變比為2000:1。
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150
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手術(shù)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(bào)價(jià)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(bào)價(jià)表
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名稱
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型號(hào)
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功能
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價(jià)格（元）
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絕緣監(jiān)測(cè)儀
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AIM-M200
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具有監(jiān)測(cè)IT系統(tǒng)絕緣電阻、負(fù)荷電流、變壓器繞組溫度的功能，可配合絕緣故障儀準(zhǔn)確定位系統(tǒng)絕緣故障回路。采用兩種現(xiàn)場(chǎng)總線通訊技術(shù)，分別用于集中報(bào)警與顯示儀、測(cè)試信號(hào)發(fā)生器、絕緣故障定位儀以及上位機(jī)管理軟件通訊。儀表具有斷線故障監(jiān)測(cè)、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(bào)警與顯示儀
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AID200
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采用CAN通訊，可遠(yuǎn)程顯示多達(dá)16套絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，也可以遠(yuǎn)程設(shè)置各類報(bào)警閥值和啟動(dòng)各種監(jiān)測(cè)自檢。儀表可實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)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(cè)試信號(hào)發(fā)生器
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ASG100
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采用CAN總線技術(shù)，可與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，可產(chǎn)生故障定位信號(hào)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(cè)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(shù)，可與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，配合信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)故障定位功能，AIL100-4可定位4個(gè)回路絕緣故障，
AIL100-8可定位8個(gè)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(hù)型電流互感器，用于測(cè)量被監(jiān)測(cè)IT系統(tǒng)當(dāng)前的負(fù)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(shù)數(shù)據(jù)、參數(shù)：AIM-M系列絕緣監(jiān)測(cè)儀、AITR系列隔離變壓器、AID系列報(bào)警與顯示儀、ASG100測(cè)試信號(hào)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(shù)參數(shù)分別見(jiàn)表3～表9。
表3 AIM-M系列絕緣監(jiān)測(cè)儀技術(shù)參數(shù)
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型號(hào)
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(dòng)范圍±10%)
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DC24V（可波動(dòng)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(cè)
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絕緣電阻測(cè)量范圍
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10～999kΩ
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相對(duì)百分比誤差
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0～±10%
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報(bào)警值范圍
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50～999kΩ
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響應(yīng)時(shí)間
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<2s
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測(cè)量電壓
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<12V
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測(cè)量電流
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<50uA
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電流監(jiān)測(cè)
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測(cè)量范圍
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2.1～50A
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報(bào)警值可設(shè)范圍
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5～50A
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測(cè)量精度
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5級(jí)
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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(cè)
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熱敏電阻
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PT100
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測(cè)量范圍
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-50～+200℃
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報(bào)警值范圍
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0～+200℃
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報(bào)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(diǎn)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(chǔ)溫度
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-20～+70℃
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相對(duì)濕度
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5%-95%，不結(jié)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(jí)
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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(shù)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(fù)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(jí)
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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(jí)
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<40dB (A)
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表5 AID系列報(bào)警與顯示儀技術(shù)參數(shù)
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參數(shù) 型號(hào)
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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(bào)警范圍
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50～999kΩ
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—
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變壓器負(fù)載率顯示
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百分比顯示
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—
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負(fù)載電流報(bào)警設(shè)置
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14A、18A、22A、28A、35A、45A
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溫度報(bào)警設(shè)置范圍
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０～+200℃
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報(bào)警方式
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聲光報(bào)警
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報(bào)警類型
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絕緣故障、過(guò)負(fù)荷、超溫、設(shè)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(diǎn)陣液晶顯示
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表6 ASG100測(cè)試信號(hào)發(fā)生器技術(shù)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(cè)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(hào)
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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(shù)參數(shù)
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項(xiàng)目
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指標(biāo)
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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
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≤2VA
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被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
|
額定電壓
|
AC 220 V(±10%)
|
|
額定頻率
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45 ~ 60Hz
|
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定位信號(hào)
|
定位電壓
|
<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(yīng)時(shí)間
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<2s
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通訊
|
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(shù)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(fù)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(pán)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(cè)接線
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單芯線>0.75mm2 最長(zhǎng)1m
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儲(chǔ)存溫度
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-40～+75℃
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單芯雙絞線0.75mm2 最長(zhǎng)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(shù)參數(shù)
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輸入電壓
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AC 220V（可波動(dòng)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(qiáng)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(shù)室的配電間內(nèi)，AID系列報(bào)警與顯示儀安裝于手術(shù)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(cè)儀的類型及監(jiān)測(cè)原理
絕緣監(jiān)測(cè)儀對(duì)IT系統(tǒng)電網(wǎng)的絕緣進(jìn)行連續(xù)不斷的監(jiān)測(cè)，當(dāng)絕緣值降至預(yù)先設(shè)計(jì)的響應(yīng)值，則發(fā)出聲光報(bào)警，使絕緣故障得到及時(shí)的監(jiān)測(cè)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(cè)量電壓法
在電網(wǎng)和保護(hù)導(dǎo)線之間疊加一個(gè)直流測(cè)量電壓，其正極經(jīng)高阻抗耦合電阻與電網(wǎng)連接，負(fù)極經(jīng)一電子電路與大地相連，當(dāng)IT系統(tǒng)電網(wǎng)中出現(xiàn)絕緣故障，測(cè)量電路經(jīng)絕緣故障處閉合，這時(shí)直流測(cè)量電流I m經(jīng)絕緣故障處流過(guò)測(cè)量電阻R m, I m由電子電路評(píng)估。
圖4 疊加直流測(cè)量電壓法原理
該測(cè)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(huì)影響該方法的準(zhǔn)確性。
4.2 不對(duì)稱電壓測(cè)量法
該測(cè)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(hào)，而是使用電網(wǎng)電壓作為驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)某相發(fā)生對(duì)地故障時(shí)，會(huì)引起電壓漂移，Rf+或Rf-驅(qū)動(dòng)測(cè)量電流I m，該電流被電子電路記錄下來(lái)，當(dāng)數(shù)值達(dá)到響應(yīng)值時(shí)，報(bào)警繼電器動(dòng)作。擔(dān)當(dāng)發(fā)生一個(gè)平衡的對(duì)地短路故障，儀器則不能識(shí)別該故障。且方法不能直接顯示對(duì)地的kΩ級(jí)的絕緣故障。該測(cè)量方法適用于直流電網(wǎng)中。
圖5 不對(duì)稱電壓測(cè)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(shí)，據(jù)《民規(guī)》第8.6.4.15條：可自動(dòng)切斷電源，采用絕緣監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行聲光報(bào)警，應(yīng)在最短時(shí)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(shè)備Ⅰ發(fā)生接地故障后，設(shè)備Ⅱ又發(fā)生接地故障，故障點(diǎn)遭受線電壓，造成短路故障，危害極大。手術(shù)室、手術(shù)準(zhǔn)備室、特別監(jiān)護(hù)室，在醫(yī)院內(nèi)的地理位置如相距較遠(yuǎn)，則醫(yī)療電氣設(shè)備外漏導(dǎo)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(tái)醫(yī)療電氣設(shè)備，應(yīng)采用共同接地。
圖6 IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
趙斌，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)獒t(yī)療供配電設(shè)計(jì)，Email:7377987@qq.com手機(jī)：13917437076 QQ:7377987
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