野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院供配電系統(tǒng)設(shè)計

劉培朋，饒夢琳，趙君建，石梅生*，張 瓊

（1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津 300161；2.解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院信息科，海南三亞 572013；3.山東恒卓醫(yī)療科技有限公司，山東德州 253000）

0 引言

野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院系統(tǒng)是我軍衛(wèi)勤保障和國家衛(wèi)生應(yīng)急救援的骨干衛(wèi)生裝備之一[1]，配備有大量的診、檢、防、救、治醫(yī)療儀器設(shè)備和血、液、氧、空調(diào)、電等醫(yī)技保障裝備，其中供配電保障裝備為必備裝備，其電力保障能力、供電品質(zhì)和供配電系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行對野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院醫(yī)療救治任務(wù)的順利實施和衛(wèi)勤保障的效能發(fā)揮起關(guān)鍵性作用[2]。野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院供配電系統(tǒng)設(shè)計的特殊性在于：（1）保障對象：即以醫(yī)療設(shè)備為主，供配電系統(tǒng)交流諧波失真、三相電壓不平衡、電流波動、電壓偏差、頻現(xiàn)尖波、時常發(fā)生瞬態(tài)過電壓和暫態(tài)過電壓、出現(xiàn)浪涌電壓、突發(fā)電壓下降、噪聲干擾等電能質(zhì)量問題將對醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生不良影響，甚至損毀設(shè)備；（2）作業(yè)環(huán)境：供配電系統(tǒng)在野外環(huán)境下作業(yè)面臨雷電、雨淋等自然氣候的影響；（3）勤務(wù)適應(yīng)性要求：供配電系統(tǒng)應(yīng)具備快速展開與撤收、便于操作和維護(hù)保養(yǎng)等特點。以下將對野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院供配電系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行探討。

1 供配電系統(tǒng)設(shè)計

1.1 野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院構(gòu)成

野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院由檢傷分類、手術(shù)、急救、臨床檢驗、X線診斷、藥房、制藥用水和制壓氧等功能模塊構(gòu)成，野外作業(yè)時，以帳篷作為掩體和作業(yè)平臺，依據(jù)任務(wù)執(zhí)行地現(xiàn)場地形、地況，按集中布局方式或分散布局方式展開，形成具有檢傷分類、急救處置、緊急手術(shù)、早期治療、影像診斷、臨床生化/血液/細(xì)菌檢驗、手術(shù)器械/敷料滅菌、戰(zhàn)救藥材發(fā)放、處方調(diào)劑、供血、醫(yī)用氧氣制備和醫(yī)用水制備等功能的醫(yī)療救治區(qū)，對傷病員實施分類后送、緊急救命手術(shù)、早期外科處置、部分?？浦委煹萚3-6]。圖1為野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院集中式布局展開示意圖。

1.2 電力保障需求分析

野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院用電設(shè)備大致可分為醫(yī)療設(shè)備、保障設(shè)備和照明設(shè)備。醫(yī)療設(shè)備主要有手術(shù)燈、高頻電刀、麻醉機、監(jiān)護(hù)儀、呼吸機、X線機、心電圖機、彩超和生化分析儀等；保障設(shè)備主要有消毒滅菌器、制氧設(shè)備、制水設(shè)備、冷暖空調(diào)等；照明設(shè)備主要有帳篷內(nèi)照明燈和場地照明燈，其中場地照明燈通常由獨立的專用發(fā)電機組供電。各模塊用電設(shè)備類別、供電類型、負(fù)荷等級[7]、用電量等情況見表1。此外，各功能帳篷內(nèi)的照明設(shè)備總用電量為2.52 kW（220 V）。

圖1 野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院集中式布局展開示意圖

表1 野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院各模塊用電情況

夏季空調(diào)用電量比冬季暖風(fēng)用電量大，故以空調(diào)用電量計算用電需求。整個帳篷醫(yī)院總用電量為82.92 kW。實際作業(yè)時，不是所有設(shè)備都處于同時使用狀態(tài)，通常按其最大用電量的80%～90%計算，所需最大供電電量≯75 kW。

1.3 具體設(shè)計

1.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院供電系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用箱儀一體化技術(shù)，采用箱組式設(shè)計理念，由發(fā)電機組、電源轉(zhuǎn)接箱（或稱主配電柜）、帳篷配電照明箱等組成，主要為帳篷醫(yī)院在野外作業(yè)時提供穩(wěn)定、可靠的電源，并具有防雷、漏電、相序、短路、過載、接地等保護(hù)功能。其中，電源轉(zhuǎn)接箱為2個，各配1根30 m長主電纜線，收攏時纏繞在箱內(nèi)的電纜盤上；帳篷配電照明箱為15個，內(nèi)裝配電盒、支路電源電纜、應(yīng)急照明燈、電源轉(zhuǎn)接插排、帳篷照明燈、轉(zhuǎn)接電纜、接地線、接地樁等設(shè)備、配件，詳見表2。

1.3.2 發(fā)電機組配置與電能質(zhì)量控制

為遵循野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院可快速、靈活部署的特點，便于野外裝卸、搬運，同時滿足用電負(fù)荷等級一、二級的醫(yī)療設(shè)備供電要求，發(fā)電機組采用2臺30 kW具備并網(wǎng)功能的發(fā)電機組和2臺8.5 kW的便攜式發(fā)電機組的配置方式，總供電量為77 kW。當(dāng)全要素展開時，各發(fā)電機組獨立供電，或其中2臺30 kW發(fā)電機組并網(wǎng)供電，確?？煽抗╇?；為滿足應(yīng)急前伸需要，受運力限制時，選配2臺8.5 kW便攜式發(fā)電機組，供手術(shù)急救和必要的診斷使用。發(fā)電機組電能質(zhì)量應(yīng)達(dá)到國家軍用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于軍用交流移動電站二類以上指標(biāo)要求[8]，以滿足醫(yī)療設(shè)備對交流諧波失真、電壓偏差、尖波、噪聲干擾等供電品質(zhì)要求。

表2 帳篷配電照明箱內(nèi)裝設(shè)備、配件明細(xì)

1.3.3 供配電原理

（1）電源轉(zhuǎn)接箱。

根據(jù)醫(yī)療設(shè)備用電特點和野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院電力保障需求，基于供配電系統(tǒng)基本原理[7-9]和設(shè)計規(guī)范[10]，電源轉(zhuǎn)接箱供配電原理框圖如圖2所示。電路中設(shè)有轉(zhuǎn)換開關(guān)、單相和三相防雷器、相序保護(hù)器、電源指示燈、三相電壓和電流顯示器、總斷路器和分?jǐn)嗦菲鞯?，其中轉(zhuǎn)換開關(guān)用于三相380 V或單相220 V供電電源的轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)不同環(huán)境下的供電保障條件；單相和三相防雷器用于釋放雷電引發(fā)的瞬時過電壓形成的浪涌電流，以保護(hù)用電設(shè)備不受損毀；相序保護(hù)器在供電電源相序與預(yù)設(shè)不符時將跳閘，并產(chǎn)生報警信號，以保護(hù)三相用電設(shè)備電動機不發(fā)生抱缸現(xiàn)象而損毀整個設(shè)備；電源指示燈用于監(jiān)視A、B、C三相進(jìn)線的供電電源是否正常；三相電壓和電流顯示器分別用于顯示A、B、C三相供電電壓和電流的實時數(shù)值；總斷路器帶有漏電、過流、過壓保護(hù)功能，既起保護(hù)作用，又作為電源總開關(guān)；分?jǐn)嗦菲骶哂羞^流、過壓保護(hù)功能，既起保護(hù)作用，又用于各三相電源輸出的分開關(guān)。電源輸入端設(shè)有單相和三相電源輸入接口，輸入接口均采用快插式電連接器，通過主電纜線與發(fā)電機組快速連接。輸出端設(shè)有8路三相電源輸出和1路單相電源輸出，額定容量40 kW。所有輸出端口均采用快插式電連接器，不同功能、不同供電方式和不同容量的各電連接器采用防差錯方式設(shè)計，以防誤操作，相同功能、相同供電方式、相同容量的各電連接器采用一致性方式設(shè)計，便于通用。本設(shè)計中的快插式電連接器選用航空式接插件。

圖2 電源轉(zhuǎn)接箱供配電原理框圖

（2）配電盒。

配電盒供配電原理如圖3所示，電路中設(shè)有三相斷路器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、電源指示燈和單相斷路器，其中三相斷路器具有漏電、過流、過壓保護(hù)功能，作為電源總開關(guān)；轉(zhuǎn)換開關(guān)用于選擇A、B、C哪相供電，當(dāng)三相供電負(fù)荷不平衡時，可通過該轉(zhuǎn)換開關(guān)切換供電線路，確保三相負(fù)荷相對平衡，使發(fā)電機組穩(wěn)定運行；電源指示燈用于監(jiān)視A、B、C三相進(jìn)線的供電電源是否缺相；單相斷路器具有過流、過壓保護(hù)功能，作為各路的開關(guān)，分別控制各路供電電源輸出。電源輸入端口采用快插式電連接器，通過分支電纜線與電源轉(zhuǎn)接箱快速連接。輸出端共設(shè)2路三相電源輸出、4路單相電源輸出和1路直流24 V照明輸出，其中2路三相電源輸出中，一路是直接從三相電源輸入端轉(zhuǎn)接輸出，輸出端口采用快插式電連接器，另一路則是經(jīng)過電源總開關(guān)后采用插座形式輸出；4路單相電源輸出中，3路采用快插式電連接器輸出，1路采用插座形式輸出；照明輸出是經(jīng)開關(guān)電源將交流220 V轉(zhuǎn)換成直流24 V輸出，以適應(yīng)24 V高亮度發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）照明燈，其輸出端口采用快插式電連接器。由表1可知，手術(shù)、急救模塊的用電負(fù)荷等級為一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷，設(shè)計中在配電盒與手術(shù)、急救用電設(shè)備之間增設(shè)不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS），確保手術(shù)、急救期間的可靠供電。

1.3.4 供配電方式

本供配電系統(tǒng)由發(fā)電機組、電源轉(zhuǎn)接箱和帳篷配電盒構(gòu)成三級供配電網(wǎng)絡(luò)，采用以并聯(lián)為主、并串結(jié)合的供配電形式，為集中或分散展開布局方式的野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院各用電設(shè)備供電，如圖4、5所示。發(fā)電機組向電源轉(zhuǎn)接箱供電為一級供配電網(wǎng)絡(luò)，電源轉(zhuǎn)接箱向各帳篷配電盒供電為二級供配電網(wǎng)絡(luò)，帳篷配電盒向各終端用電設(shè)備供電為三級供配電網(wǎng)絡(luò)；電源轉(zhuǎn)接箱采用并聯(lián)方式向手術(shù)、急救、檢傷分類、X線、指揮、病房等各功能帳篷配電盒供電，而通道帳篷配電盒則采用串聯(lián)方式由功能帳篷配電盒供電。

圖3 配電盒供配電原理框圖

圖4 野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院集中展開布局方式的供配電方案

圖5 野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院集中分散布局方式的供配電方案

2 供配電作業(yè)

2.1 供配電方案

以野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院集中布局的展開作業(yè)方式為例，如圖4所示，將發(fā)電機組并網(wǎng)后的動力電分成2路分別送至帳篷醫(yī)院醫(yī)療功能區(qū)兩側(cè)的電源轉(zhuǎn)接箱，再通過電源轉(zhuǎn)接箱分別送至各醫(yī)療帳篷內(nèi)配電盒和冷暖空調(diào)。用電量較大的設(shè)備可直接從電源轉(zhuǎn)接箱進(jìn)行電力轉(zhuǎn)接。

2.2 作業(yè)流程

2.2.1 展開

（1）發(fā)電機組就位。

帳篷醫(yī)院手術(shù)、急救、病房等醫(yī)療救治功能區(qū)域應(yīng)具有相對舒適、安靜的環(huán)境，而發(fā)電機組運行噪聲大，因此應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離這些功能區(qū)進(jìn)行布設(shè)，通常設(shè)在保障帳篷或X線帳篷右后方20 m之外區(qū)域。

（2）電源轉(zhuǎn)接箱展開。

根據(jù)圖4所示的供電方案，將電源轉(zhuǎn)接箱設(shè)置在醫(yī)療功能區(qū)的兩側(cè)，確認(rèn)電源轉(zhuǎn)接箱的所有電源開關(guān)、輸出斷路器處于斷開狀態(tài)之后，通過主電纜線以快插方式連接電源轉(zhuǎn)接箱和發(fā)電機組，并埋好接地柱，接好地線。

（3）配電照明箱就位及配電盒展開。

展開時，將帳篷內(nèi)配電照明箱設(shè)置在各功能帳篷內(nèi)的一端，從箱內(nèi)取出帳篷內(nèi)配電盒，懸掛在帳篷內(nèi)的掛環(huán)上或放置在配電照明箱上。確認(rèn)帳篷配電盒的所有電源開關(guān)、輸出斷路器處于斷開狀態(tài)之后，通過箱內(nèi)的電纜線以快插方式連接配電盒和電源轉(zhuǎn)接箱，并埋好接地柱，接好地線。帳篷內(nèi)配電照明箱收攏狀態(tài)如圖6（a）所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6（b）所示。

所配的可移動式配電盒具有通用性，設(shè)有4路輸出電源接口和1路220V/2 A照明電源接口，4路輸出電源接口分別為1路主電路轉(zhuǎn)接、1路空調(diào)電源轉(zhuǎn)接和2路儀器設(shè)備插座，如圖7所示。

2.2.2 發(fā)電與供電

首先確認(rèn)發(fā)電機組電源輸出總開關(guān)和輸出斷路器處于斷開狀態(tài)，然后按照操作說明展開發(fā)電機組并啟動，待發(fā)電機組運行穩(wěn)定后再合上發(fā)電機組電源輸出總開關(guān)；確認(rèn)所需供電之路的供電線路連接好后，再合上該路輸出斷路器。依次確認(rèn)電源轉(zhuǎn)接箱、帳篷內(nèi)配電盒電源的三相電壓、相序正常，合上總開關(guān)和各路斷路器。

圖6 配電照明箱收攏狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 醫(yī)療帳篷用配電盒展開示意圖

2.2.3 監(jiān)控

供電期間，隨時觀察發(fā)電機組的運行狀態(tài)，查看供電線路、電源轉(zhuǎn)接箱、帳篷內(nèi)配電盒以及各用電設(shè)備的工作狀態(tài)，尤其是用電量較大的設(shè)備，一旦出現(xiàn)異常立即斷開該路供電線路，及時查明故障原因，排除故障后方可供電。

2.2.4 撤收

供電系統(tǒng)撤收的作業(yè)流程與展開流程相反，但必須注意：在斷開發(fā)電機組、電源轉(zhuǎn)接箱和配電照明箱的所有開關(guān)和斷路器之后，方可拆卸各航空快插式電連接器并撤收電纜線，確保作業(yè)安全。

2.3 注意事項

供配電系統(tǒng)應(yīng)注意以下幾個方面：

（1）安全操作：作業(yè)過程中，牢記安全意識，嚴(yán)禁帶電作業(yè)。接地樁和接地線應(yīng)按勤務(wù)教材要求及時、規(guī)范設(shè)置，并連接可靠。

（2）規(guī)范化作業(yè)：撤收時，嚴(yán)格按照勤務(wù)教材要求，將撤收的供電器材放置回原包裝箱，做到歸類有序，便于下一次快速作業(yè)。

（3）及時檢修：任務(wù)完成后，及時對供配電裝備進(jìn)行檢修，更換受損電器元件，補充照明燈等耗材，確保下次保障任務(wù)的順利實施。

（4）妥善存放：儲存時，避免野外露天下長期裸露閑置，防止雨水淋泡，以免受潮、漏電。

3 試驗與應(yīng)用

本供配電系統(tǒng)隨野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院系統(tǒng)經(jīng)國家包裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（天津）、軍隊車輛裝備檢測試驗中心等具有國家、軍隊資質(zhì)的第三方檢測機構(gòu)進(jìn)行了電氣安全性、環(huán)境適應(yīng)性等試驗，檢驗情況見表3。

電源轉(zhuǎn)接箱、帳篷配電盒的A、B、C三相回路之間和各相與地之間的絕緣電阻在試驗電壓500 V、判定時間60 s的試驗條件下均為9 999 MΩ，電介質(zhì)強度試驗在試驗電壓1 200 V、判定時間60 s的試驗條件下均無擊穿或閃爍現(xiàn)象，接地電阻在測試電流10 A的試驗條件下分別為56和42 mΩ；電源轉(zhuǎn)接箱和配電照明箱在高溫70℃和低溫-55℃的儲存試驗條件下未見異常，供配電系統(tǒng)在高溫46℃和低溫-41℃的工作試驗條件下正常供電；配電照明箱經(jīng)振動頻率4.2 Hz、振幅25 mm、振動時間120 min的正弦定頻振動（反復(fù)沖擊）試驗后外觀和內(nèi)裝物均無異常，經(jīng)2～5 Hz掃描頻率范圍時位移 1 in（1 in=25.4 mm）、5～300 Hz掃描頻率范圍時加速度1.3g和速率0.5 oct/min的120 min掃頻振動試驗以及14.32 Hz共振頻度上加速度1.3g的15 min定頻振動試驗后外觀和內(nèi)裝物均無異常。

表3 供配電系統(tǒng)檢驗情況

本供配電系統(tǒng)隨野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院系統(tǒng)進(jìn)行了部隊適應(yīng)性試驗，結(jié)果表明：作業(yè)能力和保障功能滿足野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院野外作業(yè)電力保障要求，供電正常，維護(hù)保養(yǎng)方便，與部隊配發(fā)的野戰(zhàn)電站具有良好的匹配性。

本供配電系統(tǒng)隨野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院參與了朱日和“衛(wèi)勤使命-2014”衛(wèi)勤保障演練、“和平友誼-2015”中馬衛(wèi)勤聯(lián)合演習(xí)、“聯(lián)合救援-2016”中德衛(wèi)勤實兵聯(lián)演等，受到了實戰(zhàn)檢驗。應(yīng)用結(jié)果表明：本供配電系統(tǒng)滿足野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院的電力保障需求，適應(yīng)多種展開布局方式，確保了野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院野外醫(yī)療救治的順利實施，有效地提升了野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院的衛(wèi)勤保障能力。

4 結(jié)語

本供配電系統(tǒng)通過性能指標(biāo)檢測，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求，滿足野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院供電保障需求，并已得到應(yīng)用。實踐表明，欲提高供配電的保障效能，一是必須了解保障對象的功能、構(gòu)成、使用狀態(tài)及醫(yī)療設(shè)備用電負(fù)荷等級，熟悉關(guān)鍵設(shè)備對電力保障的要求，掌握大型設(shè)備的供電安全要求；二是平時多演練供配電操作技能，熟悉作業(yè)規(guī)程，對各階段作業(yè)步驟爛熟于心，才能做到快速展開、精準(zhǔn)保障；三是多學(xué)習(xí)供電基礎(chǔ)理論和供電裝備維護(hù)保養(yǎng)與故障維修知識，確?，F(xiàn)場第一時間排除故障，做好常規(guī)的維護(hù)保養(yǎng)，使供配電裝備時刻處于最佳狀態(tài)。供配電的規(guī)范化作業(yè)和及時維護(hù)保養(yǎng)對野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院野外醫(yī)療救治的順利實施發(fā)揮了積極的作用。本供配電系統(tǒng)的研究為國家重點研發(fā)計劃“緊急醫(yī)學(xué)救援保障成套化裝備關(guān)鍵技術(shù)研究”中的可空投式帳篷醫(yī)院供配電系統(tǒng)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，針對可空投式帳篷醫(yī)院，本供配電系統(tǒng)在箱體的體積、質(zhì)量和強度方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)。下一步擬采用3D結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)并選用新型電氣元件以進(jìn)一步減小體積，采用碳纖維材質(zhì)減輕質(zhì)量和增加強度，以滿足機載和空投要求。