医院手术室供电方案设计

本文主要探讨了各种规模的医院手术区在不同需求情况下的供电方案，对不间断电源在手术室供电中的重要性进行了阐述，为保证手术室用电安全提供参考。

随着医疗技术的进步，手术中用到的先进设备越来越多，也越来越依赖不间断的电力供应。然而，医院却面临各种停电风险，如电网崩溃(美国东北部2004年8月14日大停电、郴州2008年受冻雨影响全城停电) 、电网短时停电(主要受雷雨影响，约3～6次 /a) 、人为操作失误、短路跳闸等。因此，需要采取各种措施保证医院用电安全，尤其是手术室用电安全。

1手术室用电负荷等级

无影灯、手术用IT系统、单相插座等设备发生停电事故，将会对病人造成严重伤害，导致重大的医疗事故。手术室电动门、情报面板等设备发生停电事故，将严重干扰手术过程，且该类设备均为单相设备，功率小，数量众多。为保证系统简单、可靠，手术间的设备均统一认定为同一级别设备。其配电箱系统如图1所示。

根据《供配电系统设计规范》，一级负荷中的特别重要负荷需采用双重电源+应急电源供电方式。从两个高压变电站各引一路10kV高压线路组成双重电源。

应急电源必须满足手术对电源的要求。当前，大多数手术持续时间为2～3h，但有时会延长，如有些心脏、脑科手术可能持续7～8h。因此，应急电源应选用可持续供电、成本低、易维护的柴油发电机组作应急电源。选用柴油发电机组作为应急电源可解决电网崩溃时手术室的电力供应问题。

根据《建筑物电气装置》：特殊装置或场所的要求———医疗场所规定，手术室电源级别≤0.5s级，包括0s级、0.15s级、0.5s级。对于0s级应急电源必须使用不间断电源( Uninterrupted Power Supply， UPS) 供电。0.15s级、0.5s级使用切换时间小于相应级别的自动转换开关切换两路市电。

由于0.15s级、0.5s级只使用相应级别的自动转换开关即可，整个系统相对简单，因此不再复述。要全面满足0s级手术室的一级负荷中的特别重要负荷的供电要求，需要两路市电、柴油发电机组、UPS四种电源共同组合使用。UPS满足电源切换时间短(0.5～15s) 及短时间停电(如高压市电重合闸的短时断电，约1～6s) 要求，柴油发电机组满足长时间停电要求。

UPS种类繁多、大小各异，两路市电、柴油发电机组、UPS组成的系统受拓扑结构、UPS种类大小、连接点位置等影响可以组成多种形式。整个系统受多种因素影响(尤其受UPS的寿命、功耗、可靠性等因素影响较大)，性能差异很大，因此整个手术室供电系统必须以 UPS中心进行整体分析，确定系统方案。

2手术区整体供电方案

我国三级甲等医院的中心手术区往往规模大，手术复杂，设备更新快，手术室升级频繁，电源级别为0s级的手术室占比大，适用于为整个手术区的所有手术室的一级负荷中的特别重要负荷集中配置 UPS，即所有手术室都提升为0s级手术室，提高电源级别和供电可靠性，日后手术室功能可以随意调整，不受供电的限制。UPS还可放置在利于维护、检视、检修的位置(如配电室)，进一步增加了可靠性。

（1）大型UPS并联集中供电方案拓扑图如图2所示。

图2 大型 UPS 并联集中供电拓扑图

该方案一般采用两台UPS并联，为手术区供电。在该方案中，每台 UPS的容量按满足所有手术室负荷确定，两台UPS通过控制总线协调输出电流。在正常情况下，两台UPS各负担一半负载，工作在低负荷状态。当一台UPS故障，甚至停止供电时，另一台UPS在不间断供电的同时，接管所有负荷，保证持续、可靠供电。当故障UPS维修时，另一台UPS无需断开，保障系统安全、可靠供电。该方案已在大量的数据中心经过验证，是成熟可靠的系统。

该方案安全、可靠、灵活、抗干扰，但造价高，运行和维护费用高，效率低。

该方案采用单台UPS为手术区供电，市电二作为UPS的后备电源。由于UPS为重要、关键负载供电，因此UPS的设计、制造标准严格，可靠性很高(大型UPS逆变回路的平均无故障工作时间不低于30万h)。尤其是UPS内部自动旁路的设计更大幅提高了UPS的可靠性。此外，大型UPS内部通常设计为模块化结构，在维修逆变模块或其他部分时，UPS可通过手动转换至维修回路继续供电。

虽然UPS(尤其是大型UPS)的可靠性很高，但UPS也不可能完全杜绝机器故障、人为操作失误故障等。如果仅依靠单台UPS供电，若发生故障，将发生整个手术区长时间断电的灾难性后果，是不可承受的风险。

市电二作为UPS的后备电源，与UPS输出端通过快速自动转换开关( 转换时间低于100ms)进行快速切换，可以大幅减少停电时间，避免发生不可承受事故。由于UPS的可靠性很高，因此市电二主要在更换、大修UPS时使用。

此外，部分品牌的UPS还可利用经济模式或绿色休眠模式( 即正常情况下利用自动旁路供电，逆变回路处于热备份或冷备份状态) 进一步节省电能。

单UPS方案相对于双UPS并联方案，可靠性差别不大，可承受风险，成本却降低50%，是一个安全、可靠、经济、实用的方案。

此外，大型UPS相比小型UPS还具有较高的抗干扰性。由于手术区内 小型医疗设备众多，因此干扰众多，如隔离变压器的励磁冲击电流、设备短路故障电流、电机起动电流等。由于大型 UPS 的耐受冲击电流比小型UPS大得多，因此影响相对较小，也决定了大型 UPS较小型UPS更稳定。

 

3重点供电方案

等级较低的医院开展复杂手术的机会少，只需几间0s级手术室即可。这种只对重要手术室认定为0s级手术室且布置UPS的方法节约了投资，但限制了手术室功能调整的灵活性。

相比不设置UPS，该方案避免了市电的各种故障，增强了手术室供电的可靠性。但是由于小型UPS的可靠性较低，且在UPS输出侧存在单点故障，因此若UPS故障，则手术室供电发生故障，而且可能长时间无法恢复供电，因此必须加强维护，定时更换UPS。该方案造价低， 但可靠性较低，存在隐患，应慎重采用。

该方案采用两台小型UPS并联为手术室供电，既避免了市电的各种故障，又通过两台UPS并联运行、相互冗余，消除了单台UPS故障对系统造成的损害，大幅提高了手术室的供电可靠性。

该方案安全、可靠，部署灵活，但是造价高、体积大、维护困难。若手术区内的全部手术室均按该方案部署，造价将非常昂贵， 维护量巨大。该方案适用于停电将影响生命的特别重要的手术室，如心脏、脑科手术室。

4是否可以利用EPS代替UPS

EPS是应急电源( Emergency Power Supply)的简称，主要应用于消防系统。普通EPS主要强调市电停电时保证0.5～2h持续供电能力，并不要求不间断供电( 典型在线式 UPS 切换时间为4ms左右) ，因此部分参数相对于UPS有所加强(如耐压高、过压大、过流能力强、带载能力、启动能力、短时过载能力、节能、寿命长)，部分参数相对于UPS有所减弱(如冷后备工作模式、切换时间长、充电能力小)。

供电要求不一样，选用的器件也不同，主要体现在EPS选用机械自动转换开关(如接触器式、PC级自动转换开关等)代替UPS的静态开关，导致切换时间达不到ms级，达不到不断电要求。大功率EPS往往用变频器代替UPS专用逆变器，导致使用电池供电时频率、电压波动较大。因此，普通EPS的切换时间较长，不能保证电子设备不间断工作，不能应用于手术区供电。

为了适应如气体发光灯具对断电时间的苛刻要求，部分EPS厂家也开发出一种快速切换EPS，即仍然用静态开关作切换、逆变器(变频器) 工作在热备份状态的EPS，大体相当于工作在后备模式的UPS。

快速切换EPS失去了普通EPS大部分重要的优点(如节能、寿命长) ，却无法避免其缺点(频率、电压不稳)，且EPS只在国内使用，只有国内的中小企业生产。其中快切EPS仅少量定制，其控制部件设计生产、重要部件采购、生产过程质量控制、产品测试等环节都可能存在问题。UPS(尤其是大功率UPS)多由全球知名公司生产，已在全球大规模应用多年，广泛应用于数据中心、半导体生产等领域，被证实是安全、可靠、方便、实用的产品。

综合上述分析，应使用UPS(无论大功率，还是中、小功率)作为手术室配套电源，而不应使用EPS(既包括大功率、小功率，又包括普通 EPS、快切EPS)。

 

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UPS存在的缺点

UPS存在以下缺点：

（1）能耗高，效率低。以最常使用的大功率在线式UPS为例，通常大多品牌UPS的高频机最高效率在94%左右，工频机最高效率在90%左右，但是 UPS 达到最高效率时的负载率接近于满载。为手术区供电的UPS往往工作在低负载区间(手术区大部分时间处于夜晚、休班状态，基本处于空载状态，双UPS并联供电即使在工作状态最高也不 超过40%) ，效率较低。虽然部分UPS的经济运行模式(ECO)可以在一定程度上提高效率，但受待机能耗(主要因为逆变器处于热备状态)影响，实际提升幅度并不大，因此不建议普通在线式UPS长期工 作在ECO模式。现在有部分厂家已推出了高效率(包括工作在低负载率时)的产品，希望能够广泛推广，为节能减排做出贡献。

 

（2）运行、维护费用高。UPS造价昂贵，后期维护费用高(专业人员巡检、更换电池、更换电容)，运行成本高(主要是电费方面)。

 

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结语

手术室使用UPS供电提高了供电的可靠性，但也带来了能耗高、效率低的问题。如果将因UPS散热而增加的空调能耗也计算在内，则效率更加低下(可参考数据中心的能源使用效能参数)，因此研发、制造、推广节能UPS就非常有意义。

由于UPS多种多样，手术室需求非常复杂，同时UPS、手术室需求发展很快，探讨、交流手术室的供电方案与UPS的使用得失，共同优化手术室供电方案具有非常重要的意义。