UPS在醫(yī)療建筑中的應用

張 倩, 王俊俊

(浙江省現(xiàn)代建筑設(shè)計研究院有限公司, 浙江 杭州 310000)

0 引 言

不間斷電源(UPS)是確保供電穩(wěn)定性和連續(xù)性的重要裝置。UPS在現(xiàn)代大型綜合醫(yī)院的供電應用中越來越重要,是為患者提供優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)、保證醫(yī)療安全管理以及醫(yī)療事業(yè)持續(xù)良好發(fā)展的重要因素。

醫(yī)院作為特殊的用電單位,對供電的可靠性有著嚴格的要求,尤其是在醫(yī)院使用的生命攸關(guān)的醫(yī)用設(shè)備,其正常運行必須要有穩(wěn)定、可靠的電源作保障。為應對因市電停電、事故停電、電涌、電壓下陷、頻率偏移不穩(wěn)定等危害電力正常供應帶來的問題,諸多場所采用UPS裝置作為保證供電穩(wěn)定性、連續(xù)性的可靠電源。本文著重介紹UPS在醫(yī)療建筑中具體的應用場所、分類、配電方案及容量選擇等內(nèi)容。

1 醫(yī)療建筑UPS的應用場所

由于發(fā)電機投入使用需要一定的準備時間,為了保證醫(yī)療建筑中涉及生命安全的特別重要設(shè)備的供電連續(xù)性,需設(shè)置應急電源設(shè)備。

根據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中第4.4.6條的規(guī)定:要求中斷供電時間小于或等于0.5 s的一級負荷中特別重要的負荷,應設(shè)不間斷電源裝置,且宜為在線式[1]。三級、二級醫(yī)院應設(shè)置UPS的醫(yī)療場所及設(shè)施如表1所示。

表1 三級、二級醫(yī)院應設(shè)置UPS的醫(yī)療場所及設(shè)施

UPS有多種類型,在以上討論的場所選擇UPS時宜選用在線式。

2 UPS分類

UPS按照其拓撲結(jié)構(gòu)進行分類,可分為后備式、雙變換在線式和在線互動式[2]。

2.1 后備式UPS

后備式UPS主要由逆變器、蓄電池、蓄電池充電器、UPS轉(zhuǎn)換開關(guān)(電子式或機械式)等部分組成。后備式UPS拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。在市政電網(wǎng)正常供電情況下,市電通過UPS轉(zhuǎn)換開關(guān)直接向負載供電,同時通過充電器為蓄電池充電,主機上的逆變器為空載狀態(tài),此時蓄電池處于“備用”狀態(tài);在電網(wǎng)故障而中斷供電或交流輸入供電超出設(shè)定的允許偏差時,系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至儲能供電模式,由蓄電池、逆變器來保持負載功率的連續(xù)性,這種狀態(tài)維持到蓄電池電量耗盡或者交流電恢復供電。

圖1 后備式UPS拓撲結(jié)構(gòu)

這種形式的UPS結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小,但其輸入電壓范圍窄,輸出電壓穩(wěn)定性較差,對市電品質(zhì)基本沒有改變,轉(zhuǎn)換時間一般為10 ms,相對較長,不適合應用在對不間斷供電時間要求較高的場所。

2.2 在線互動式UPS

在線互動式UPS由雙向逆變器、電源接口、蓄電池等部分組成。在線互動式UPS拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。在市政電網(wǎng)正常供電情況下,通過電源接口對負載供電,同時,通過逆變器的反向工作方式(整流工作狀態(tài))對蓄電池進行充電;當交流市電異常時,蓄電池/逆變器供電方式下保持負載電力的連續(xù)性,同時切斷逆變器至電源接口方向的交流輸入開關(guān),以防止逆變器反向饋電。其特點是結(jié)構(gòu)簡單,有較寬的輸入電壓范圍,輸出電壓較穩(wěn)定,輸出波形為模擬正弦波。

圖2 在線互動式UPS拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 雙變換在線式UPS

雙變換在線式UPS由整流器、逆變器、蓄電池等部分組成。雙變換在線式UPS拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中,蓄電池也可采用專用充電器方式充電。在市政電網(wǎng)正常供電情況下,主要由整流器/逆變器組合向負載供電,同時通過整流器給蓄電池組浮充電,保證蓄電池組滿容量;一旦因電網(wǎng)故障而中斷供電或交流輸入供電超出設(shè)定的允許偏差,則轉(zhuǎn)換為由蓄電池/逆變器組合繼續(xù)向負載供電。在兩種情況下,逆變器始終處于工作狀態(tài),可以確保不間斷輸出交流電且不存在轉(zhuǎn)換時間問題。

圖3 雙變換在線式UPS拓撲結(jié)構(gòu)

這種UPS結(jié)構(gòu)復雜,有很寬的輸入電壓范圍,輸出電壓穩(wěn)定、精度高,輸出波形為交流正弦波,可提供高質(zhì)量的交流電源,適用于對電源有嚴格要求的場合。

由于這種拓撲結(jié)構(gòu)的UPS可以實現(xiàn)市電斷電零秒轉(zhuǎn)換供電,而且可以提供整流逆變后高質(zhì)量的電源,對醫(yī)院裝備的穩(wěn)定安全運行起著非常重要的保障作用,在醫(yī)院建筑中應用最為廣泛。

3 UPS配電方案

UPS在醫(yī)療場所的配電方案有集中式設(shè)置與分散式設(shè)置的方式[3],設(shè)計時可以參考圖集19D706-2《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計與安裝》。但在實際的醫(yī)院建筑設(shè)計中,圖集表達的集中式設(shè)置與分散式設(shè)置較為少用。

3.1 集中式設(shè)置

在樓座某層設(shè)置一處UPS配電間,UPS配電方案示例如圖4所示。其中,集中式設(shè)置方案如圖4(a)所示。這種方式設(shè)置UPS數(shù)量少,占用的配電房間最少,但選用的UPS容量較大,為設(shè)備供電距離相對較遠,設(shè)備故障時涉及范圍較大,在設(shè)計時較少采用。

3.2 區(qū)域集中式設(shè)置

區(qū)域集中式設(shè)置方案如圖4(b)所示。在某層設(shè)置UPS配電間,提供本層附近設(shè)備的供電電源。這種方式選擇UPS容量較小,為設(shè)備供電距離相對較近,設(shè)備故障涉及范圍較小,UPS數(shù)量相對較少,但占用一定數(shù)量的配電間,在實際工程中常用。

3.3 分散式設(shè)置

分散式設(shè)置方案如圖4(c)所示。為每臺設(shè)備設(shè)置一臺UPS電源。這種方式選擇UPS容量較小,為設(shè)備供電距離近,故障范圍最小,但UPS數(shù)量多,運行維護不方便,設(shè)計中較少采用。

通常,醫(yī)院某類科室較為集中,如手術(shù)部一般集中于某一層,而距離其他需要UPS供電的科室較遠,因此,可在手術(shù)部區(qū)域設(shè)置一處UPS配電間,為手術(shù)部提供可靠電源。但是,如果建筑沒有足夠面積設(shè)置UPS配電間,也可為每間手術(shù)室設(shè)置獨立UPS電源,以解決配電間面積不足的問題。

4 UPS容量選用

UPS的選擇應按負荷性質(zhì)、負荷容量、允許中斷供電時間等要求確定。單臺UPS為信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電時,UPS的額定輸出功率應大于信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備額定功率總和的1.2倍,對其他用電設(shè)備供電時,其額定輸出功率應為最大計算負荷的1.3倍。當選用兩臺UPS并列供電時,每臺UPS的額定輸出功率應大于信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備額定功率總和的1.2倍[4]。以上系數(shù)主要是考慮到UPS在承受較低功率因數(shù)時存在不同程度的降容運行系數(shù)。

例如,需設(shè)置UPS的醫(yī)療場所用電負荷為30 kW,負荷的功率因數(shù)為0.8,則UPS容量需大于1.3×30/0.8=48.75 kVA,因此選擇50 kVA的UPS為宜。

影響UPS容量選擇的還有海拔高度[5]。UPS能在額定條件下,即在海拔1 000 m及以下的高度正常運行。而當海拔高度超過1 000 m時,應降額使用,在海拔1 000 m以上使用的降額系數(shù)如表2所示。例如,上述選擇50 kVA的UPS的建筑海拔高度為2 500 m,那么容量需降額選取,查表2可知降額系數(shù)為0.86,那么48.75/0.86=56.69 kVA,宜選60 kVA。

市面上有很多品牌的UPS產(chǎn)品,如科華、艾默生、山特、伊頓等,UPS的容量有1～20 kVA小容量,也有20～600 kVA等大容量,形式系列有機架式和模塊化,可供用戶按實際需求進行選擇。

5 UPS供電時間

規(guī)范JGJ 312—2013中第3.0.3條規(guī)定:恢復供電時間小于或等于0.5 s時,自備備用電源供電維持時間不應小于3 h。而第4.4.7條中規(guī)定:應急電源為柴油發(fā)電機組時,不間斷電源裝置(UPS)應急供電時間不應小于15 min。另外,規(guī)范GB 50333—2013《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》第11.1.3條規(guī)定:潔凈手術(shù)室內(nèi)生命支持電氣設(shè)備的供電時間不應小于30 min[6]。

根據(jù)以上條文規(guī)定,在醫(yī)療建筑設(shè)置柴油發(fā)電機組做應急電源的情況下,除手術(shù)室內(nèi)生命支持電氣設(shè)備的供電時間不應小于30 min外,表1中其他需設(shè)置UPS的醫(yī)療場所應急供電時間不應小于15 min。

6 結(jié) 語

通過以上分析可知,醫(yī)院UPS電源應用在負荷等級有要求的特定場所,宜選取雙變換在線式UPS作為應急電源,并根據(jù)建筑房間分布、配電距離等因素選取合適的配電方式。