現(xiàn)代大型綜合醫(yī)院高低壓供電方案與保護配合策略分析

國網(wǎng)長沙供電公司 聶仕軍 高立兵 廖華西 羅 建 曾 健 易先松

現(xiàn)代大型綜合醫(yī)院作為服務(wù)人民群眾生命安全和健康的重點公共服務(wù)機構(gòu)，在社會運行中扮演者重要角色。2020年初爆發(fā)的新型冠狀病毒肺炎疫情對全國醫(yī)療系統(tǒng)造成了巨大的壓力，穩(wěn)定可靠供電作為保障大型綜合醫(yī)院正常運行的重要一環(huán)，醫(yī)院后勤部門同樣承擔著巨大的壓力。2020年2月13日武漢市東西湖方艙醫(yī)院C廳發(fā)生的停電事件引起社會廣泛關(guān)注，也反映非專業(yè)醫(yī)療場地供電環(huán)節(jié)存在的巨大風險。2021年3月31日，因主供電源同母線的其他出線發(fā)生短路跳閘、系統(tǒng)電壓短時波動，瀏陽市人民醫(yī)院7臺變壓器低壓側(cè)欠壓脫扣動作錯誤地跳開了總開關(guān)，低壓負荷自動切換至發(fā)電機，造成醫(yī)院斷電數(shù)分鐘。上述事件表明集一、二級重要負荷于一身的醫(yī)院供電系統(tǒng)必須要充分考慮內(nèi)外部的供電可靠性，避免異常斷電對正常醫(yī)療工作的影響?，F(xiàn)代大型綜合醫(yī)院作為極為特殊的高可靠性電力用戶，需要從外部供電線路、醫(yī)院中心配電間保護設(shè)置、變壓器保護設(shè)置、400V低壓母線備投、柴油發(fā)電機啟動配合等方面分層次改進供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 醫(yī)院配電負荷分級與可靠性分析

1.1 醫(yī)院負荷的特點

醫(yī)院是救死扶傷、傳染病控制、科研檢測的重要場所，供電穩(wěn)定可靠極為重要，主要表現(xiàn)在：

可靠性。供電可靠性是指持續(xù)供電能力的量度，常以供電可靠率來衡量?？煽柯室阅骋唤y(tǒng)計期內(nèi)，實際供電時間與本統(tǒng)計期全部時間的比值的百分數(shù)表示[1]，即Kc=Ty/Ts×100%；Ty=Ts-Tt，Ty為統(tǒng)計期實際供電時間之和，h；Ts為統(tǒng)計期全部時間，h；Tt為統(tǒng)計期內(nèi)停電時間之和，h；Kc≤1，Kc越接近1可靠性就越高。假如醫(yī)院年停電5分鐘，折合醫(yī)院內(nèi)部供電可靠率為99.999%，即“五個9”；連續(xù)性。大型醫(yī)院科室齊全，用電設(shè)備種類多，手術(shù)室、檢測室、電梯、污水處理設(shè)備、計算機等需要連續(xù)供電，供電中斷可能造成生命安全受損、樣品報廢、設(shè)備受損、數(shù)據(jù)丟失等，影響醫(yī)院日常工作開展[2]；穩(wěn)定性。醫(yī)院電子設(shè)備越來越多，電力電子元件是典型的非線性負荷，可能帶來電壓波形畸變。浪涌電壓、高次諧波、電壓暫態(tài)突降都有可能造成精密醫(yī)療儀器損壞或者停機，檢驗科、理療科、心電監(jiān)護儀等醫(yī)療設(shè)備對電源電壓的穩(wěn)定性要求高，應(yīng)采用相應(yīng)的穩(wěn)壓、濾波等設(shè)備保證供電的穩(wěn)定性[3]。

1.2 醫(yī)院的負荷分級

現(xiàn)代大型綜合醫(yī)院對電的依賴也越來越嚴重，特別是在搶救室、手術(shù)室和重癥監(jiān)護室(ICU)中，一旦出現(xiàn)了斷電事故無法恢復會直接危及患者的生命安全。根據(jù)對供電可靠性的要求及中斷供電在政治經(jīng)濟上所造成影響的程度，醫(yī)院負荷可進行分級：一級負荷。醫(yī)護區(qū)照明、應(yīng)急照明、感染區(qū)風機、CT、ICU及凈化空調(diào)、手術(shù)室及凈化空調(diào)、負壓檢測及凈化空調(diào)、產(chǎn)科分娩室、早產(chǎn)兒室、放射診斷治療室、血液透析室、血庫、核磁共振、培養(yǎng)箱與恒溫箱、火災(zāi)報警系統(tǒng)、消防泵等；二級負荷。門診室、護士站、實驗室、鏡檢、生化室、電子顯微鏡、客梯[4]。

1.3 醫(yī)院供電可靠性分析

本文所探討的供電可靠性取樣點為400V母線，即通過外部電源、內(nèi)外部保護配合來減少400V母線停電時間?？赡茉斐?00V母線失壓的因素有：上級變電站停電。如是變電站上級電源故障，可通過重合閘或站內(nèi)備自投功能恢復，恢復時間一般2～8s；外接電源跳閘。通過醫(yī)院中心配電間主備供切換恢復供電，10kV母聯(lián)備投切換時間可控制在4s內(nèi)；單母線分段聯(lián)絡(luò)+雙變壓器互為備用的供電模式?？赏ㄟ^低壓母聯(lián)備投恢復供電，切換時間可控制在4s內(nèi)；通過柴油發(fā)電機恢復供電。因發(fā)電機啟動與穩(wěn)定需要一定時間，估算恢復時間為20～30s，一般不能供帶醫(yī)院所有負荷。根據(jù)運行經(jīng)驗，電壓等級越高供電穩(wěn)定性越好，主供電源也一般會選擇供電可靠性高的線路，因此在保護策略上優(yōu)先使用高電壓等級恢復供電，優(yōu)先使用主供線路供電。

2 醫(yī)院高壓供電方案與保護配合分析

2.1 高壓供電方案的選擇

大型綜合三甲醫(yī)院屬于二級重要電力用戶，根據(jù)《重要電力用戶供電電源及自備應(yīng)急電源配置技術(shù)規(guī)范（GB/T 29328-2018）》要求應(yīng)采用雙回路供電方式。兩路供電電源的切換時間和切換方式必須滿足醫(yī)院允許中斷供電時間的要求并自備應(yīng)急電源[5]。以瀏陽市人民醫(yī)院為例，其定位為湘贛邊區(qū)域醫(yī)療中心，計劃用2～3年創(chuàng)建一流“三甲”醫(yī)院，因此新院建設(shè)時中心配電間引入三電源（專線），其中有兩回電源來自于同一變電站同一母線。因存在同時失去兩路電源的風險，后調(diào)整成三個變電站供電，其中兩路專線、一路為公網(wǎng)線路（圖1）。

圖1 瀏陽市人民醫(yī)院三電源供電方式

上述三電源兩主一備，各供帶一段母線，其中備供線路所處的母線不直接供帶負荷，僅作為主供母線的備用電源。因此三母線供電可靠性非常高，達到了特級重要電力用戶供電要求。部分地區(qū)因外部電源受限無法接入三電源，可采用雙電源+母聯(lián)備投的方式供電，外線推薦采用不同變電站兩條專線供電，變壓器低壓母線應(yīng)設(shè)置聯(lián)絡(luò)柜，其10千伏部分接線方式如圖2，此方式供電可靠性可滿足大型醫(yī)院供電要求。

圖2 雙電源+母聯(lián)備投供電方式

2.2 醫(yī)院中心配電間保護配置分析

瀏陽市人民醫(yī)院中心配電間有三段母線，分別為10千伏道吾II回供帶的I母、10千伏人民醫(yī)院I回供帶的II母、10千伏胡家線供帶的III母。

備自投功能：I母與II母、I母與III母各配置備自投裝置一套，通過母聯(lián)備投確保各段母線不失壓。因上級變電站可能使用進線（或母聯(lián)）備投（時間8s）和線路重合閘（3.5s）恢復供電，因此設(shè)置醫(yī)院中心配電間備自投切進線的時延必須大于8s，按10s設(shè)置，預(yù)留合備供線路開關(guān)時間2s，即12s內(nèi)可完成主供電源切換至備供電源；變壓器高壓柜保護配置：設(shè)置兩段電流保護、高溫報警和超高溫跳閘，不設(shè)置零序保護和重合閘，可防止單臺變壓器故障造成整段母線失壓。

變壓器低壓總開關(guān)欠壓（失壓）脫扣：為防止異常低電壓對醫(yī)院設(shè)備造成的損壞，每臺變壓器必須配置欠壓（失壓）保護功能。瀏陽市人民醫(yī)院低壓總開關(guān)欠壓（失壓）保護時延默認為0.2s，因此3月31日系統(tǒng)電壓擾動數(shù)秒后造成所有低壓總開關(guān)誤跳閘。因此欠壓（失壓）保護必須設(shè)置合理時延，以躲開系統(tǒng)短時電壓擾動，同時欠壓（失壓）脫扣時延必須要大于中心配電間備自投恢復時間，以優(yōu)先采用高壓設(shè)備恢復供電，即必須大于12s、按13s設(shè)置。據(jù)了解瀏陽市人民醫(yī)院變壓器低壓總開關(guān)均采用西門子WL I2000H型，最長時延為3.2s，無法滿足使用要求，因此最終取消低壓總開關(guān)欠壓（失壓）脫扣功能，另加裝一套延時繼電器，電壓取自低壓總開關(guān)上樁頭（變壓器側(cè)），滿足欠壓（失壓）條件后經(jīng)13s跳開低壓總開關(guān)的要求。

3 400V低壓供電方案選擇與保護配合

400V低壓供電方案：醫(yī)院手術(shù)室、ICU等涉及患者生命安全的設(shè)備及照明為一級負荷中特別重要負荷，需在0.5s內(nèi)或更短時間內(nèi)恢復供電。因此二級及以上醫(yī)院低壓系統(tǒng)為單母線分段配置，每段母線由非同源的變壓器供電，確保任何時候不會發(fā)生兩段低壓母線同時失電情況（圖3）[6]。兩路低壓電源通過ATS向重要場所供電，并配置集中式或分散式UPS保障供電。

圖3 非同源雙主變+發(fā)電機低壓供電模式

低壓母聯(lián)備投配合分析：低壓母聯(lián)備投裝置切低壓總開關(guān)在時間上必須要大于中心配電間高壓母聯(lián)備投恢復時間，即必須大于12s、按14s設(shè)置。計及合閘時間2s，可認為在10kV母線自恢復失敗時，約停電16s通過低壓母聯(lián)備投恢復失電母線的供電。

自備發(fā)電機啟動條件與時間配合：如圖3所示，當某400V母線失電達到一定時限后，可認為變電站自恢復、中心配電間備自投恢復、400V母聯(lián)備投恢復均失敗，此時須依賴自備發(fā)電機恢復供電，即400V母線失電一定時限后將啟動發(fā)電機組，待發(fā)電機電壓穩(wěn)定后通過ATS向失電母線供電。發(fā)電機啟動前須通過節(jié)點邏輯判斷低壓總開關(guān)和低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)已斷開，避免反送電。發(fā)電機作為醫(yī)院自備應(yīng)急電源，一般不能供電醫(yī)院所有負荷，只供帶一二級重要負荷，其正確啟動與輸出與否關(guān)系重大?？稍O(shè)置發(fā)電機啟動延時為15s，即低壓母線失電且低壓總開關(guān)和低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開后15s啟動發(fā)電機。

4 結(jié)語

現(xiàn)代大型綜合醫(yī)院穩(wěn)定可靠供電極為重要，為實現(xiàn)少停電、快復電，必須從醫(yī)院高低壓供電方案上進行優(yōu)選，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化上級變電站電源、配電間高壓柜、低壓母線、自備發(fā)電機四級保護功能配合：采取獨立的三電源（兩主一備）外線方案，可基本杜絕兩路電源同時發(fā)生停電的情況，避免了醫(yī)院10千伏母線失壓后無法恢復的情況；以上級電源復電優(yōu)先、高壓優(yōu)于低壓為原則，提出延長低壓總開關(guān)欠（失）壓脫扣時間以躲開高壓短暫停電或系統(tǒng)短時擾動的必要性與改造方法；聯(lián)絡(luò)的兩段低壓母線須由兩個獨立的上級電源供電，才能保證上級線路或變壓器故障時可通過低壓母聯(lián)備投恢復供電。低壓母聯(lián)備投啟動時間須大于上級高壓系統(tǒng)故障自恢復時間。

按文中四級保護配合方式，醫(yī)院不同類型故障下400V母線的恢復方式及停電時長為：上級電源電壓短暫擾動。低壓脫扣延時/0s；上級電源跳閘并重合閘成功。高壓備自投延時躲避/8s以內(nèi)；某一主供電源跳閘無法恢復。高壓備自投切換/12s以內(nèi)；變壓器或其高壓電纜故障。低壓備自投切換/16s以內(nèi)；上級電源停電且高低壓備自投均失?。ūＷo功能故障）。發(fā)電機啟動/60s以內(nèi)。

在忽略醫(yī)院內(nèi)部設(shè)施故障的情況下，以外部電源每年發(fā)生2次故障為例（實際專線電纜供電故障極少），折合年停電時間24s，供電可靠率為99.99992%，即“六個9”。