本文主要探討了各種規模的醫院手術(shù)區在不同需求情況下的供電方案，對不間斷電源在手術(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(zhù)醫療技術(shù)的進(jìn)步，手術(shù)中用到的先進(jìn)設備越來(lái)越多，也越來(lái)越依賴(lài)不間斷的電力供應。然而，醫院卻面臨各種停電風(fēng)險，如電網(wǎng)崩潰(美國東北部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院用電安全，尤其是手術(shù)室用電安全。

1手術(shù)室用電負荷等級

無(wú)影燈、手術(shù)用IT系統、單相插座等設備發(fā)生停電事故，將會(huì )對病人造成嚴重傷害，導致重大的醫療事故。手術(shù)室電動(dòng)門(mén)、情報面板等設備發(fā)生停電事故，將嚴重干擾手術(shù)過(guò)程，且該類(lèi)設備均為單相設備，功率小，數量眾多。為保證系統簡(jiǎn)單、可靠，手術(shù)間的設備均統一認定為同一級別設備。其配電箱系統如圖1所示。

根據《供配電系統設計規范》，一級負荷中的特別重要負荷需采用雙重電源+應急電源供電方式。從兩個(gè)高壓變電站各引一路10kV高壓線(xiàn)路組成雙重電源。

應急電源必須滿(mǎn)足手術(shù)對電源的要求。當前，大多數手術(shù)持續時(shí)間為2～3h，但有時(shí)會(huì )延長(cháng)，如有些心臟、腦科手術(shù)可能持續7～8h。因此，應急電源應選用可持續供電、成本低、易維護的柴油發(fā)電機組作應急電源。選用柴油發(fā)電機組作為應急電源可解決電網(wǎng)崩潰時(shí)手術(shù)室的電力供應問(wèn)題。

根據《建筑物電氣裝置》：特殊裝置或場(chǎng)所的要求———醫療場(chǎng)所規定，手術(shù)室電源級別≤0.5s級，包括0s級、0.15s級、0.5s級。對于0s級應急電源必須使用不間斷電源( Uninterrupted Power Supply， UPS) 供電。0.15s級、0.5s級使用切換時(shí)間小于相應級別的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)切換兩路市電。

由于0.15s級、0.5s級只使用相應級別的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)即可，整個(gè)系統相對簡(jiǎn)單，因此不再復述。要全面滿(mǎn)足0s級手術(shù)室的一級負荷中的特別重要負荷的供電要求，需要兩路市電、柴油發(fā)電機組、UPS四種電源共同組合使用。UPS滿(mǎn)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)電機組滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間停電要求。

UPS種類(lèi)繁多、大小各異，兩路市電、柴油發(fā)電機組、UPS組成的系統受拓撲結構、UPS種類(lèi)大小、連接點(diǎn)位置等影響可以組成多種形式。整個(gè)系統受多種因素影響(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)室供電系統必須以 UPS中心進(jìn)行整體分析，確定系統方案。

2手術(shù)區整體供電方案

我國三級甲等醫院的中心手術(shù)區往往規模大，手術(shù)復雜，設備更新快，手術(shù)室升級頻繁，電源級別為0s級的手術(shù)室占比大，適用于為整個(gè)手術(shù)區的所有手術(shù)室的一級負荷中的特別重要負荷集中配置 UPS，即所有手術(shù)室都提升為0s級手術(shù)室，提高電源級別和供電可靠性，日后手術(shù)室功能可以隨意調整，不受供電的限制。UPS還可放置在利于維護、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)集中供電方案拓撲圖如圖2所示。

圖2 大型 UPS 并聯(lián)集中供電拓撲圖

該方案一般采用兩臺UPS并聯(lián)，為手術(shù)區供電。在該方案中，每臺 UPS的容量按滿(mǎn)足所有手術(shù)室負荷確定，兩臺UPS通過(guò)控制總線(xiàn)協(xié)調輸出電流。在正常情況下，兩臺UPS各負擔一半負載，工作在低負荷狀態(tài)。當一臺UPS故障，甚至停止供電時(shí)，另一臺UPS在不間斷供電的同時(shí)，接管所有負荷，保證持續、可靠供電。當故障UPS維修時(shí)，另一臺UPS無(wú)需斷開(kāi)，保障系統安全、可靠供電。該方案已在大量的數據中心經(jīng)過(guò)驗證，是成熟可靠的系統。

該方案安全、可靠、靈活、抗干擾，但造價(jià)高，運行和維護費用高，效率低。

該方案采用單臺UPS為手術(shù)區供電，市電二作為UPS的后備電源。由于UPS為重要、關(guān)鍵負載供電，因此UPS的設計、制造標準嚴格，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內部自動(dòng)旁路的設計更大幅提高了UPS的可靠性。此外，大型UPS內部通常設計為模塊化結構，在維修逆變模塊或其他部分時(shí)，UPS可通過(guò)手動(dòng)轉換至維修回路繼續供電。

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器故障、人為操作失誤故障等。如果僅依靠單臺UPS供電，若發(fā)生故障，將發(fā)生整個(gè)手術(shù)區長(cháng)時(shí)間斷電的災難性后果，是不可承受的風(fēng)險。

市電二作為UPS的后備電源，與UPS輸出端通過(guò)快速自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)( 轉換時(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)一步節省電能。

單UPS方案相對于雙UPS并聯(lián)方案，可靠性差別不大，可承受風(fēng)險，成本卻降低50%，是一個(gè)安全、可靠、經(jīng)濟、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)區內 小型醫療設備眾多，因此干擾眾多，如隔離變壓器的勵磁沖擊電流、設備短路故障電流、電機起動(dòng)電流等。由于大型 UPS 的耐受沖擊電流比小型UPS大得多，因此影響相對較小，也決定了大型 UPS較小型UPS更穩定。

 

3重點(diǎn)供電方案

等級較低的醫院開(kāi)展復雜手術(shù)的機會(huì )少，只需幾間0s級手術(shù)室即可。這種只對重要手術(shù)室認定為0s級手術(shù)室且布置UPS的方法節約了投資，但限制了手術(shù)室功能調整的靈活性。

相比不設置UPS，該方案避免了市電的各種故障，增強了手術(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(cháng)時(shí)間無(wú)法恢復供電，因此必須加強維護，定時(shí)更換UPS。該方案造價(jià)低， 但可靠性較低，存在隱患，應慎重采用。

該方案采用兩臺小型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UPS并聯(lián)運行、相互冗余，消除了單臺UPS故障對系統造成的損害，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、維護困難。若手術(shù)區內的全部手術(shù)室均按該方案部署，造價(jià)將非常昂貴， 維護量巨大。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是應急電源( Emergency Power Supply)的簡(jiǎn)稱(chēng)，主要應用于消防系統。普通EPS主要強調市電停電時(shí)保證0.5～2h持續供電能力，并不要求不間斷供電( 典型在線(xiàn)式 UPS 切換時(shí)間為4ms左右) ，因此部分參數相對于UPS有所加強(如耐壓高、過(guò)壓大、過(guò)流能力強、帶載能力、啟動(dòng)能力、短時(shí)過(guò)載能力、節能、壽命長(cháng))，部分參數相對于UPS有所減弱(如冷后備工作模式、切換時(shí)間長(cháng)、充電能力小)。

供電要求不一樣，選用的器件也不同，主要體現在EPS選用機械自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)(如接觸器式、PC級自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)等)代替UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)，導致切換時(shí)間達不到ms級，達不到不斷電要求。大功率EPS往往用變頻器代替UPS專(zhuān)用逆變器，導致使用電池供電時(shí)頻率、電壓波動(dòng)較大。因此，普通EPS的切換時(shí)間較長(cháng)，不能保證電子設備不間斷工作，不能應用于手術(shù)區供電。

為了適應如氣體發(fā)光燈具對斷電時(shí)間的苛刻要求，部分EPS廠(chǎng)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)(如節能、壽命長(cháng)) ，卻無(wú)法避免其缺點(diǎn)(頻率、電壓不穩)，且EPS只在國內使用，只有國內的中小企業(yè)生產(chǎn)。其中快切EPS僅少量定制，其控制部件設計生產(chǎn)、重要部件采購、生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制、產(chǎn)品測試等環(huán)節都可能存在問(wèn)題。UPS(尤其是大功率UPS)多由全球知名公司生產(chǎn)，已在全球大規模應用多年，廣泛應用于數據中心、半導體生產(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(xiàn)式UPS為例，通常大多品牌UPS的高頻機最高效率在94%左右，工頻機最高效率在90%左右，但是 UPS 達到最高效率時(shí)的負載率接近于滿(mǎn)載。為手術(shù)區供電的UPS往往工作在低負載區間(手術(shù)區大部分時(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)濟運行模式(ECO)可以在一定程度上提高效率，但受待機能耗(主要因為逆變器處于熱備狀態(tài))影響，實(shí)際提升幅度并不大，因此不建議普通在線(xiàn)式UPS長(cháng)期工 作在ECO模式?，F在有部分廠(chǎng)家已推出了高效率(包括工作在低負載率時(shí))的產(chǎn)品，希望能夠廣泛推廣，為節能減排做出貢獻。

 

（2）運行、維護費用高。UPS造價(jià)昂貴，后期維護費用高(專(zhuān)業(yè)人員巡檢、更換電池、更換電容)，運行成本高(主要是電費方面)。

 

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結語(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散熱而增加的空調能耗也計算在內，則效率更加低下(可參考數據中心的能源使用效能參數)，因此研發(fā)、制造、推廣節能UPS就非常有意義。

由于UPS多種多樣，手術(shù)室需求非常復雜，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。