浅谈医疗建筑洁净区域供电系统及电能质量控制

摘 要：结合项目案例特点，本文从手术部等医院洁净区供电负荷分级与医疗场所的分类等方面对医疗建筑洁净区供电与电能质量控制进行分析和总结，并提出相应的解决方案，以供参考。

关键词：医疗建筑洁净区、负荷等级、电能质量

引言：

随着绿色能源的发展，风电、光电、分布式电源、电动汽车、节能照明等新型发/用电设备快速增长，以及柔性交/直流输配电技术的推广应用，带来电力系统电能质量问题的新变化。同时，非线性负荷和冲击负荷的大量接人，使得电力能源受到的污染目益严重。并因此造成检测仪器和数字化智能设备的平稳运行和检验结果，尤其是关系生命安全的手术室等洁净区域。本文以上海高博肿瘤医院为研究对象，探讨医疗建筑洁净区域供电及电能质量控制。

1 上海高博肿瘤医院洁净区域概况

上海高博肿瘤医院位于上海浦东新区，三级专科医院。手术部包括6间百级铅防护手术室、术前准备室、术后苏醒室、麻醉室、洁净走廊等；ICU共计12张床；中心供应室包括去污区、灭菌打包区、无菌存放区及辅房。

2 供电系统

2.1 负荷分级

根据《医疗建筑电气设计规范》JGJ312-2013第4.2.1条规定，“手术室、ICU洁净区域负荷等级为一级负荷中特别重要负荷”，第4.4.1条规定“三级医院应设置应急柴油发电机组”[1]，因此，采用双路10kV市电及800kW应急柴油发电机组供电方案。当两路市电均停电或故障时，柴油发电机组的电量满足一级负荷中特别重要负荷。并且手术室要求中断供电时间≤0.5s，配置规格为60kVA的在线式UPS。供电方案见图1。

2.2 医疗场所的分类

根据《低压电气装置 第7-710部分：特殊装置或场所的要求 医疗场所》GB/T 16895.24-2024，医疗场所分为：0类、1类、2类[2]。不同分类场所的电气安全防护要求不同：

0类场所：不使用医用电气设备或医用电气系统的医疗场所。

1类场所：医用电气设备或医用电气系统拟用于外部治疗或无创侵入患者任何部位，且电源中断（如电击防护采取的措施）不会对患者构成安全风险的医疗场所。

2类场所：医用电气设备或医用电气系统拟有创侵入患者任何部位的医疗场所，以及外部治疗或无创侵入患者任何部位且电源中断（如电击防护采取的措施）会对患者构成安全风险的医疗场所。

洁净区域的手术室、术前准备室、术后苏醒室、麻醉室、重症监护室等属于2类医疗场所。2类医疗场所患者区域内带接触部件的医疗电气设备应采用医疗IT系统供电。2类医疗场所大型设备采用TN-S系统或TT系统放射式独立供电，且应设置剩余电流不超过30mA，Type A或Type B的VD型剩余电流动作保护器。

2.3 生命支持电气设备供电

洁净区域总配电柜的供电电源直接由低压配电室的两个专用回路提供，总配电柜设在非洁净区域。每个手术室设独立的配电箱于清洁走廊，不得设在洁净区域内或手术室内。

生命支持电气设备的负荷为特别重要负荷，除了有独立两路市电接入外，还自备应急电源，并能实现零秒切换。2类医疗场所内发生故障的情况下，断电自动恢复时间应≤0.5秒[1]，通过在线式UPS设备以满足恢复供电时间要求。UPS 输入功率因数应≥0.8，输入电流畸变率THDI<5%。洁净手术室配置的UPS采用冗余模块化UPS，主机及电池组装方式灵活，便于检修维护，并随每间手术室独立的配电箱安装。

2.4 医疗IT系统

医疗IT系统的隔离变压器一次侧与二次侧设置短路保护，采用单磁式断路器保护。设置过负荷及超温监测装置，可显示实时工作电流和隔离变压器的温度。为及时发现医疗IT系统绝缘状态和定位供电系统漏电部位，确保医疗系统稳定安全运行，医疗IT系统设绝缘监测报警装置。医疗IT系统安装在每个手术室独立的配电箱内，可与非患者区域的TN-S系统安装在同一柜内，并设置区分明显标志。

2.5 配电总负荷

非治疗用电负荷包括手术室灯带、观片灯、手写台、控制面板等；治疗用电负荷包括插座箱、吊塔、无影灯等。洁净室用电负荷应当充分预留包括空调系统用电、洁净室内用电、非洁净区用电、专用医疗设备用电等。在医疗建筑设计过程中，同时进行洁净区域的设计、充分考虑洁净区域的用电负荷需求。洁净手术室用电负荷可参考表1。

洁净室的建设形式包括新建建筑的构成；旧建筑物中普通区域经改变用途变更为洁净室；原洁净室重新改造。不管何种形式，都应充分考虑洁净室的负荷情况。

3 电能质量控制

3.1 电能质量

应重点监测电能质量参数，同时采取措施消除干扰因素，使电能接近50Hz正弦波。具体的指标如下：

（1）电网频率：正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz[3]。

（2）电压偏差：20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%；220V单相供电电压偏差为标称电压的＋7%、-10%[4]。

（3）三相电压不平衡：负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%[5]。

（4）公用电网谐波：公用电网电压（相电压）总谐波畸变率6～10kV为4%[6]。

（5）公用电网间谐波：间谐波电压含有率：1000V及以下，小于100Hz为0.2%；1000V上，小于100Hz为0.16%。单一用户间谐波含有率：1000V及以下，小于100Hz为0.16%；1000V以上小于100Hz为0.13%[7]。

（6）电压波动和闪变：电力系统公共连接点，在系统运行的较小方式下，以一周（168h）为测量周期，所有长时间闪变值P1t满足：≤110kV，P1t=1[8]。

（7）电压暂升、电压暂降与短时中断：该问题成为医院电力供给中最主要的问题[9]。对MRI、CT、DSA、DR等设备有严重影响，包括信息数据丢失；仪器保险烧坏，严重时毁损仪器；仪器设备非正常关机，增加医疗设备的故障率，影响医生诊断。

3.2 电能质量综合治理

（1）电能质量的检测仪要求

现在电能质量检测仪器要求具备捕捉快速瞬时干扰的波形；测量各次谐波以及间谐波的幅值、相位；有足够高的采样速率；有效的分析和自动辨识系统的功能。

（2）改善电能质量的措施

1）谐波治理技术

‌有源滤波器（APF）：通过实时检测谐波电流并生成反向补偿电流，动态消除谐波污染，将总谐波失真度（THD）降至5%以下，降低对变压器、电缆等设备的损耗‌。

‌无源滤波器（LC串联电抗器+电容）：采用电容与电抗器组成的LC谐振回路，针对特定次谐波形成低阻抗通路，兼具无功补偿功能。

2）无功补偿与电压稳定

‌动态无功补偿装置（SVG/SVC）：通过调节容性或感性电流补偿系统无功功率，达到抑制电压波动与闪变。

‌有载调压变压器（OLTC）：根据负荷变化自动调整变比，稳定电压水平，减少电压偏差导致的设备异常运行‌。

3）设备与系统优化

‌源头抑制设计：采用多电平换流器、低谐波变频器、电能质量调节器等设备，减少非线性负载产生的谐波；优化电力装置控制策略，降低高频开关引起的电磁干扰‌。

‌系统扩容与冗余配置：增加变压器容量、升级电缆截面积，提升电网承载能力；配置备用电源（如UPS）应对电压暂降或短时中断‌。

4）保护与监测技术

‌谐波保护器：安装于敏感设备前端，通过高频滤波和过压保护功能，防止谐波导致电子设备误动作或损坏‌。

‌电能质量在线监测系统：实现谐波、电压波动、三相不平衡等参数的记录采集，结合智能算法预警异常，指导治理方案动态调整[10]‌。

（3）总谐波畸变率的治理

1）谐波的产生和危害

医院手术室的整个运行系统中，电力电子装置被广泛使用。比如：空调系统使用的变频器；手术室内使用的节能灯、电子镇流器、二极管无影灯等均是谐波污染源，谱波会严重干扰手术室内医疗器械的安全使用和检测装置的工作精度和可靠性。

2）谐波的治理

治理电力谐波主要从三个方面入手，即主动治理、受端治理、被动治理。

首先，应考虑洁净手术部内，每一项用电负荷正常工作时所产生的谐波电流达到标准要求，从源头治理。比如，荧光灯的电子镇流器、变频器等的谐波污染降到最低。

其次，对手术部进线处配电接点进行电能分项计量的同时，对进线电源的谐波电压和谐波电流含量进行监测。如果谐波含量长时间超标，则应采取有效的消除谐波电流措施。

有源滤波器（APF）可以动态的抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。采用闭环控制的有源滤波器可实时监视线电流，并将测量的谐波转换为数字信号，经过控制器处理后生成PWM（脉宽调制控制信号），服动IGBT电源模块，通过DC电容器在电网中注入与谱波电流频率相同、相位相反的滤波电流，有效滤除谐波。有源滤波器在滤除谱波的同时，还能有效平衡线电流，从而达到降低中性电流的效果。

有源滤波器的选型基于各负荷的谐波电流，如果新建医院不能提供相关参数，可按照整个系统的非线性负载电流有效值的30%初步估算滤波器电流。有源滤波器应安装在手术部总配电柜旁，并留有从柜备用位置，当电流电压畸变率不符合要求时，便于增加从柜，以减小谐波电流对电网的污染。

4 结论

医疗建筑洁净区域的供电及电能质量是确保设备正常运行和病患安全的关键。通过对上海高博肿瘤医院的案例分析，详细探讨了洁净区域的供电系统和电能质量控制措施。供电系统需考虑负荷分级、医疗场所分类、生命支持设备供电以及医疗IT系统的应用。电能质量控制需关注频率、电压偏差、三相电压不平衡、谐波与间谐波等问题，并采取有效的治理措施。

参考文献

[1]住房和城乡建设部.医疗建筑电气设计规范：JGJ 312-2013 [S]. 北京：中国建筑工业出版设，2013.

[2]国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会. 低压电气装置 第7-710部分：特殊装置或场所的要求 医疗场所：GB/T 16895.24-2024 [S]. 北京：中国标准出版社，2024.

[3]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.电能质量 电力系统频率偏差GB/T 15945-2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[4]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.电能质量 供电电压偏差GB/T 12325-2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[5]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.电能质量 三相电压不平衡GB/T 15543-2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[6]国家技术监督局.电能质量 公用电网谐波GB/T 14549-1993[S]. 北京：中国标准出版社，1993.

[7]国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会. 电能质量 公用电网间谐波GB/T 24337-2009[S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[8]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.电能质量 电压波动和闪变GB/T 12326-2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[9]国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.电能质量 电压暂升、电压暂降与短时中断GB/T 30137-2024[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[10]朱杰斌，黄灿英，廖高华.基于双 CPU 的风电机组电能质量在线监测系统[J]. 《现代建筑电气》，2014-11-28.