三級醫(yī)院自動化儀器設(shè)備的防雷設(shè)計要點

戴仕遠

(漳浦縣醫(yī)院，福建 漳州 363200)

漳浦縣醫(yī)院是一家三級醫(yī)院，擁有眾多精密自動化儀器設(shè)備，例如手術(shù)室里的成套手術(shù)設(shè)備、X射線診斷機、CT掃描儀器、核磁共振成像(MRI)儀器、電子內(nèi)窺胃腸鏡、微創(chuàng)手術(shù)設(shè)備、心電圖機、腦電圖機、肌電圖機、光導(dǎo)手術(shù)器械(纖維內(nèi)窺鏡、激光治療機)等，這些儀器設(shè)備主要由電子元器件、半導(dǎo)體集成電路與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成，普遍存在絕緣強度低、過電壓和過電流耐受能力差、對電磁干擾高度敏感等弱點，半導(dǎo)體集成程度越高，設(shè)備抗干擾能力則越差。假如受到過電壓、過電流、超強電磁脈沖等侵襲，這些高精度產(chǎn)品輕則工作失靈，重則使設(shè)備永久損壞，嚴重時造成接觸人員傷亡。雷擊能夠產(chǎn)生強大的過電壓、過電流與電磁脈沖，直接或間接對自動化儀器設(shè)備正常運轉(zhuǎn)造成破壞。因此，做好三級醫(yī)院自動化儀器設(shè)備的雷電防護具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 雷電對自動化儀器設(shè)備侵害的途徑與機理

1.1 直接雷擊

雷電直接擊中自動化儀器設(shè)備，并給其帶來電效應(yīng)、熱效應(yīng)、機械力的破壞。

1.2 感應(yīng)雷擊

①靜電感應(yīng)。雷云在上，地面導(dǎo)體則會聚積大量電荷；雷云過后，電荷放電產(chǎn)生電流進入自動化儀器設(shè)備，對其造成損壞；②電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周圍空間產(chǎn)生電磁場，輻射電磁波，耦合到自動化儀器設(shè)備上，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或感生電流，對其造成干擾、損壞。

1.3 雷電過電壓侵入

雷擊建筑物外導(dǎo)線、金屬管道，產(chǎn)生過電壓、過電流并沿著其侵入自動化儀器設(shè)備，對其造成破壞，即形成線路傳導(dǎo)浪涌過電壓和開關(guān)浪涌過電壓。這分為三種情況：①遠點雷擊架空供電線路、信號線路，會產(chǎn)生浪涌過電壓、過電流進入建筑物內(nèi)；②近點雷擊產(chǎn)生電磁場感應(yīng)。當建筑物或周圍遭受雷擊，強大的脈沖電流在周圍空間產(chǎn)生交變磁場，處于磁場中的導(dǎo)體因此感應(yīng)出高電壓，進入建筑物內(nèi)嚴重威脅自動化儀器設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)；③雷擊造成電感、電容性負載的起動。即通常所說的開關(guān)操作過電壓，可以造成4000V以上的過電壓，遠遠超過脆弱電子設(shè)備的耐受能力，能夠?qū)ψ詣踊瘍x器設(shè)備造成嚴重破壞。

1.4 雷電反擊

當建筑物上防雷裝置接閃時，強大雷電流通過引下線進入接地裝置，引起地電位抬升，擊穿自動化儀器設(shè)備的絕緣部分，乃至對儀表產(chǎn)生干擾、破壞。

2 完善外部建筑物防雷系統(tǒng)，防護直接雷擊

雷電防護必須是一個全面的過程，要做好自動化儀器設(shè)備的防雷，首先，安置儀器設(shè)備的建筑物必須具有規(guī)范的外部防雷系統(tǒng)，從而把直接雷擊攔截在外，自動化儀器設(shè)備免遭直接雷擊。在此基礎(chǔ)上，自動化儀器設(shè)備的感應(yīng)雷擊、雷電過電壓、雷電反擊防護措施才能有效實施。下面是建筑物的外部防雷設(shè)計要點。

2.1 防雷類別，雷電防護等級，接地裝置形式

漳浦縣醫(yī)院的所有自動化儀器設(shè)備安置在4幢10層以上的綜合大樓內(nèi)，因其屬于人員密集場所，依據(jù)文獻[1]，防雷類別為二類，須設(shè)計為引下線平均距離≤18m，防雷工程施工工藝、材料、規(guī)格等按二類防雷標準設(shè)計，10層以上每2層設(shè)置均壓環(huán)；依據(jù)文獻[2]，雷電防護等級為B級；其外部防雷裝置充分利用建筑物里的框架鋼筋自然構(gòu)件，其接地裝置設(shè)計為環(huán)形網(wǎng)格共用接地系統(tǒng)。

2.2 接地電阻、供電制式及線路入戶形式

3 自動化儀器設(shè)備的感應(yīng)雷擊防護設(shè)計要點

雷擊產(chǎn)生的電磁脈沖會對電子信息線路產(chǎn)生近端串擾、遠端串擾、特性阻抗等，磁場強度超過1.8GS時，電子儀器就會產(chǎn)生誤動作，超過2.4GS時，集成電路將發(fā)生永久性損壞。因此，必須把雷擊電磁脈沖限制在1.8GS以內(nèi)。

3.1 機房及重要電子儀器設(shè)備安置位置要求

機房是網(wǎng)絡(luò)信號線、數(shù)據(jù)線的“心臟”，容不得出現(xiàn)任何失誤，應(yīng)選擇安置在受雷擊電磁脈沖影響最小的建筑物部位。下面就大樓各層的雷擊電磁場分布情況進行計算。

頂四層的引下線分流系數(shù)分別為：

由此可見，如雷擊在建筑物天面，則頂四層以下的分流系數(shù)最小，而分流系數(shù)與電磁場則呈正相關(guān)關(guān)系，因此機房及重要電子儀器設(shè)備應(yīng)盡可能安裝在頂四層以下且中間位置。

3.2 機房及重要電子儀器空間屏蔽與安全距離

機房及安置重要電子儀器設(shè)備房間必須具有上、下、左、右、前、后六面屏蔽功能，地面采用抗靜電活動地板，弱電部分還應(yīng)安裝多層格柵形金屬屏蔽網(wǎng)。各層格柵形屏蔽網(wǎng)內(nèi)空間某點的磁場強度計算公式[1]：

(1)

3.3 儀器設(shè)備的等電位連接與導(dǎo)線的屏蔽措施

為了保持自動化儀器設(shè)備外部的電位均衡，保證接觸儀器設(shè)備人員的人身安全，使電位差始終在安全電壓36V之下，儀器設(shè)備必須做好等電位連接。三級醫(yī)院的電子信息系統(tǒng)頻率都在1MHz以上，因此儀器設(shè)備應(yīng)就近接到M型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)等電位網(wǎng)絡(luò)上。儀器的等電位連接原則是沿儀器對角聯(lián)接兩根接地體，其長度相差應(yīng)為20%，以防一根產(chǎn)生諧振阻抗時，另一根還可以起到接地作用。

與電子儀器設(shè)備相連接的導(dǎo)線應(yīng)采取屏蔽措施或套金屬管，其穿越格柵形屏蔽空間時，應(yīng)與格柵屏蔽層做電氣連通，屏蔽層宜在兩端于防雷區(qū)界面處做等電位連接，如要求系統(tǒng)只在一端做等電位連接時，則應(yīng)采用兩層屏蔽，外層屏蔽應(yīng)至少在兩端做等電位連接。

3.4 強電導(dǎo)線與電子信息系統(tǒng)線纜的安全距離

強、弱電線路的敷設(shè)應(yīng)綜合布設(shè)，兩者必須一路分開敷設(shè)，以防強電對弱電的干擾，上下樓層輸送應(yīng)分別敷設(shè)在強弱電井內(nèi)；同一樓層則分別敷設(shè)在架設(shè)的金屬線槽或金屬管道內(nèi)，并保持一定距離。表1是電力電纜、防雷引下線、電力保護地線等與電子信息系統(tǒng)線纜應(yīng)保持的安全間距。

表1 電力電纜、防雷引下線、電力保護地線等與

3.5 減少因?qū)Ь€繚繞形成環(huán)路引起的電磁場

雷電流存在巨大陡度，根據(jù)安培定則會產(chǎn)生交變電磁場，處在其中的導(dǎo)體(如電源線、網(wǎng)絡(luò)線、天饋線、儀器設(shè)備等)可能組成電氣回路，會耦合出感應(yīng)脈沖過電壓、過電流，給電氣系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)造成損害。假如雷擊發(fā)生在建筑物附近，則防雷區(qū)某個環(huán)路的感應(yīng)電壓計算公式如下[1]：

Uoc/max=μo·S·H1/max/T1

(2)

公式(2)中Uoc/max、μo、S、H1/max、T1分別為環(huán)路開路最大感應(yīng)電壓、真空的磁導(dǎo)系數(shù)、環(huán)路包圍面積、防雷區(qū)內(nèi)最大磁場強度、雷電流波頭時間。從式中可以看出，環(huán)路感應(yīng)電壓與環(huán)路包圍面積成正比。因此，電子信息系統(tǒng)線纜應(yīng)盡量減少因自身原因形成的電磁感應(yīng)，以減少感生過電壓、過電流對儀器設(shè)備的干擾與沖擊。

4 自動化儀器設(shè)備的雷電過電壓防護設(shè)計要點

醫(yī)院里的自動化儀器與外界聯(lián)系路徑主要是電源線、信號線、工作接地線與防雷接地線。由雷擊引發(fā)的過電壓主要通過以上途徑侵入。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，通過以上途徑入侵的雷擊發(fā)生率超過80%。因此，斬斷由供電、信號線路引入的線路傳導(dǎo)浪涌過電壓與由設(shè)備接地線引入的地電位反擊過電壓，是防護自動化儀器設(shè)備雷擊的重中之重。

4.1 攔截侵入供電、信號線路的傳導(dǎo)浪涌過電壓

供電線路、信號線路引入的雷電過電壓防護必須通過安裝浪涌保護器(SPD)來實現(xiàn)。

根據(jù)IEC防雷分區(qū)原理，供電線路過電壓防護可采用多級保護，總配電柜、自動發(fā)電機、UPS不間斷電源等處防雷區(qū)LPZOA或LPZOB與LPZ1區(qū)的交界處，應(yīng)安裝通過Ⅰ類或Ⅱ類實驗的SPD，各分配電箱則安裝Ⅱ類或Ⅲ類試驗的SPD作為后續(xù)保護。各級SPD的選擇原則如下：能承受安裝點上預(yù)計通過的沖擊電流Iimp、其電壓有效保護水平UP/f應(yīng)小于相對應(yīng)儀器設(shè)備的耐沖擊額定電壓值Uw；當電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間線路長度<10m或限壓型SPD之間線路長度<5m，則兩級SPD之間則應(yīng)加裝退耦裝置。

根據(jù)IEC防雷分區(qū)原理及機房特殊性，信號線路應(yīng)采用多級相適配信號SPD安裝保護。但因信號線路的弱電性，必須根據(jù)線路的工作頻率、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口形式、特性阻抗等參數(shù)選擇SPD；導(dǎo)線長度若超過30m，需再加裝一級SPD[3]。

各級SPD的安裝最佳位置為雷電防護區(qū)界面處，如LPZ1、LPZ2、LPZ3...LPZn等之間界面處，其接地導(dǎo)線應(yīng)采用凱文V形接線法，以求最短距離。通過多級分流，將雷電過電壓、過電流降低至設(shè)備耐受能力范圍內(nèi)。

4.2 攔截侵入設(shè)備接地線的地電位反擊過電壓

雷電在建筑物上接閃，流經(jīng)引下線、通過接地體泄流入地，在這通道上，其一，周邊必存在著接觸電壓、跨步電壓，危及周邊人員生命安全，因此，在其3m范圍內(nèi)應(yīng)做好防接觸電壓、跨步電壓的措施；其二，自動化儀器設(shè)備的接地線，假如它們與引下線、接地體沒有足夠的安全距離，則這過電壓、過電流會對儀器設(shè)備形成反擊，造成損壞。因此，①接地裝置應(yīng)采用網(wǎng)格接地體以分流；②充分利用建筑物的樁、柱以泄流；③盡量降低沖擊接地電阻；④儀器設(shè)備的工作接地、防雷接地以及與之相連接的金屬管道應(yīng)與建筑物防雷引下線、接地體保持足夠距離。

5 防雷效果

漳浦縣醫(yī)院在外部建筑物竣工驗收合格基礎(chǔ)上，其內(nèi)自動化儀器設(shè)備嚴格按照所設(shè)計的防雷防護措施全面施工后，多年來一直運行良好，從未出現(xiàn)過任何雷擊安全事故。

6 結(jié)論

三級醫(yī)院自動化儀器設(shè)備的防雷設(shè)計必須按照全面防護、內(nèi)外結(jié)合原則，遵循分流、屏蔽、等電位連接、接地的理念。