高等级洁净手术室电气系统冗余设计与容错机制研究

随着现代医院对医疗环境及手术安全要求的不断提升，高等级洁净手术室在医院建设中的比例逐步增加。这类手术室不仅需满足严格的空气洁净度、温湿度、噪声控制等环境指标，同时对电气系统的稳定性和持续供电能力提出了更高标准。尤其在心脏、脑外科等高风险手术中，任何电力波动或中断，均可能导致医疗设备失灵、手术中断甚至危及生命。因此，构建具备高可靠性、强冗余能力及智能容错机制的电气系统，已成为保障洁净手术室正常运行的关键。然而，现阶段部分医疗机构在电气系统设计中仍存在冗余结构单一容错能力薄弱、系统自适应水平低等问题，亟需通过系统性的技术优化与管理提升，进一步提高洁净手术室电气系统的安全性与稳定性。

一、高等级洁净手术室电气系统概述

（一）洁净手术室等级划分与标准要求

洁净手术室根据标准，通常分为 I 级、II 级、III 级和 IV 级。I 级和 II级洁净手术室主要应用于心脏外科、神经外科、器官移植等高风险手术。I 级手术室要求空气洁净度达到 ISO 5 级，换气次数不低于 25 次 /h，并保持 15Pa 以上的正压梯度，确保室内环境免受外界污染。温度控制范围为22℃ ±2℃，相对湿度保持在 40% 至 60‰ 。在电气系统方面，必须保障持续稳定供电，供电中断时间不得超过 1 秒，供电系统需具备高可靠性、良好的绝缘性能和抗干扰能力，以满足高标准手术环境的需求[1]。

（二）高等级洁净手术室对电气系统的技术需求

高等级洁净手术室内部配备了大量对电能质量要求极高的医疗设备，如无影灯、麻醉系统、生命体征监护设备、导航系统、空气净化系统等 [2]。这些设备对供电连续性要求严苛，供电可靠性需达到 99.99% 以上，任何瞬时电压波动或断电都可能影响手术安全。因此，电气系统必须采用隔离变压器或IT 接地系统，保障供电安全，防止因接地故障影响设备运行。同时，需通过滤波器、屏蔽措施控制谐波和电磁辐射，降低对敏感医疗设备的干扰。此外，针对不同设备的用电特性，应科学规划配电分区，确保重要设备独立供电，避免局部故障影响全局系统。

（三）现有高等级洁净手术室电气系统存在的问题

尽管目前部分医院在洁净手术室配备了双电源和 UPS 系统，但由于设计理念滞后，仍存在冗余结构不完善、容错能力薄弱的问题。一些项目仅依赖市电双回路，缺少多级冗余和隔离设计，导致主、备电源同时失效的风险无法有效控制，无法应对复杂环境下的突发故障。部分配电系统未做到关键负载独立分区，单点故障容易引发设备链式失效，严重威胁手术室内医疗设备的连续稳定运行。此外，智能监测和自诊断系统普遍缺失，缺乏对电气参数的实时监控、数据分析与故障预警功能，导致运维人员难以及时发现隐患定位故障源，存在严重的手术中断风险和设备损坏隐患，影响整体医疗安全水平。

二、电气系统冗余设计的原理与方法

（一）冗余设计的基本概念与类型

冗余设计是提升电气系统可靠性的重要手段，主要通过在系统中设置多个独立、互为备用的功能单元，增强整体系统的抗故障能力，保障关键设备在各类突发情况下的持续稳定运行。根据不同应用场景和技术要求，常见的冗余形式包括主备冗余、双路并联供电以及多级冗余结构。主备冗余又分为冷备份与热备份两种形式，冷备份设备在正常状态下处于待机状态，仅在主系统发生故障时投入使用，适合经济性要求较高、负载连续性要求相对较低的应用场景；热备份系统则与主系统同步运行， 一旦发生故障可实现无缝、无感切换，广泛应用于对连续性和稳定性要求极高的医疗环境。双路并联供电是通过设置两条独立的供电路径，互为备用，任一路出现故障不影响关键负载的正常运行。多级冗余结构则综合采用多层次、多路径和多种冗余手段，构建复杂而稳定的电气系统架构，是高等级洁净手术室和其他关键医疗场所的重要保障措施。

（二）洁净手术室电气系统典型冗余架构方案

针对高等级洁净手术室的特殊用电需求，常见的冗余设计方案包括双电源互投系统、UPS 不间断电源、重要负载独立分区供电等多种措施的有机结合。双电源互投系统通常通过接入两路不同来源的市电，或一路市电与一路自备柴油发电系统，采用 ATSE（自动转换开关设备）实现毫秒级切换，切换时间一般不超过 0.5 秒，有效保障手术期间供电不中断。UPS 系统一般按照 N+1 冗余原则设计，确保在任意一台 UPS 出现故障或维护时，其余设备仍可承担全部负载，电池储能时间根据负载等级设置，通常为30 至60 分钟，满足短时市电故障下的供电保障需求。此外，重要负载独立分区供电方案将手术照明、麻醉设备、空气净化系统、生命监护设备等分别设置独立回路，配合专用配电柜、双电源切换箱等设备，防止单一系统故障蔓延，确保手术室内部各类关键设备始终保持独立、安全、可靠运行。

（三）关键设备与系统的冗余配置策略

在高等级洁净手术室内部，针对不同设备的运行特点和重要性，必须制定科学合理的冗余配置策略。手术照明与医疗气体控制系统通常采用双电源双路径设计，主、备电源线路完全独立，确保在任何单一电源故障情况下，照明和气体供应不中断，保障手术安全。空气净化与环境控制系统配置双风机、双电控柜结构，系统具备故障自动切换能力，任何一组设备故障后可快速切换至备用系统，持续保障室内空气洁净度、温湿度等环境参数始终符合标准要求。监控报警与智能管理系统方面，主机、报警控制器及通信网络通常采用双系统热备份设计，数据实时同步，系统发生故障时可立即切换至备用设备，避免监控信息丢失或报警系统失效，全面保障手术室环境的稳定与安全。

（四）冗余设计中的优化与平衡原则

在进行洁净手术室电气系统冗余设计时，需综合考虑可靠性、经济性、可维护性与空间布局等多方面因素，做到科学、合理、适度 [3]。针对 I 级高风险洁净手术室，应优先采用多级冗余、智能切换、隔离设计等综合措施，全面保障供电系统的最高可靠性，消除单点故障风险。对于 II 级及以下手术室，根据其功能定位与使用需求，适度优化简化冗余结构，既保证系统稳定性，又控制项目投资成本。整体系统结构应保持模块化、标准化设计，避免因过度冗余导致系统结构复杂、检修困难、运维成本上升。同时，设备布局需充分考虑通风、散热、安全距离与检修空间，确保配电柜、UPS、隔离变压器、切换开关等设备便于安装和维护，避免因空间限制影响系统功能的正常发挥，提升整体系统的经济性与实用性。

三、容错机制设计与智能化控制策略

（一）电气系统容错机制设计思路

高等级洁净手术室电气系统容错机制的设计核心在于确保即使部分功能单元或电气设备发生故障，系统整体仍可保持正常运行状态，关键设备不受影响，手术过程连续稳定进行。为此，系统通常通过多重手段提高容错能力，其中包括旁路设计、自动切换机制及软硬件冗余配置。旁路系统通过设置独立的旁路回路或旁路开关，在主系统发生故障时，快速切换至备用回路，保障供电不中断。自动切换通常依赖 ATSE（自动转换开关）或 UPS 内部的冗余模块，具备毫秒级响应能力，可在故障发生的瞬间完成切换，降低人为干预需求，提高系统应急响应效率。与此同时，系统必须配置完善的漏电监测、绝缘监控、短路与过载保护等故障诊断与隔离技术，能够第一时间识别故障源，并通过局部隔离措施防止故障扩大，确保手术室整体供电系统安全稳定，极大降低手术中断、设备损坏或安全事故发生的风险。

（二）洁净手术室电气系统的智能容错控制技术随着智能化技术在医院电气系统中的应用日益普及，洁净手术室的电气系统容错能力得到了显著提升。首先，系统普遍部署了高精度的实时监测与智能预警平台，配备电力监控单元（PMU）、绝缘监测仪、环境传感器等智能设备，实现对电压、电流、功率因数、绝缘电阻、漏电电流、室内温湿度等关键参数的 24 小时不间断监控，一旦监测数据超出设定阈值，系统可通过声光报警、远程推送等方式即时预警。其次，广泛应用的自动切换与故障自恢复控制技术大幅提升了系统可靠性，ATSE 设备可在主电源故障后0.2 秒内自动切换至备用电源，UPS 系统具备自诊断、自恢复、自动旁路切换等功能，有效保障手术照明、麻醉系统、生命监护设备等重要负载的持续运行[4]。此外，系统通过多层级安全联锁与防护策略，结合硬件保护模块与软件逻辑控制，避免误操作引发的系统事故，防止小故障升级为系统性风险，整体提高洁净手术室电气系统的安全性、稳定性与智能化水平。

（三）典型案例分析与应用效果验证

以国内某大型三级甲等医院心脏外科 I 级洁净手术室为典型案例，该手术室承担着大量高难度、高风险外科手术，对供电系统的可靠性、稳定性和容错能力提出了极高要求。针对这一需求，项目在设计阶段充分考虑了多级冗余、智能化管理与安全隔离等关键因素，电气系统整体采用双路市电独立接入、UPS N+1 冗余结构、医用隔离变压器 IT 接地系统、全方位智能监控平台等多项技术组合，全面提升系统整体的抗故障能力与应急响应水平。具体配置方面，双路市电分别由不同变电站独立供电，通过ATSE 快速切换设备联接，实现两路电源之间的无缝切换，最大切换时间≤ 0.5 秒，保障供电连续性。UPS 系统采用 2×20kVA 模块化设备，具备灵活扩容能力，电池储备容量充足，确保至少 45 分钟的满载不间断供电，完全满足复杂、高强度手术的持续运行需求。医用隔离变压器输出端漏电流严格控制在≤ 3.5mA，符合国家及国际医用电气安全标准，有效防止设备漏电带来的安全风险，保障医护人员与患者的用电安全。系统配备的智能监控平台集成了电气参数实时监控、电能质量分析、环境数据采集及故障预警功能，支持 24 小时无人值守运行，确保运维人员可实时掌握系统运行状态。自系统投入运行以来，全年累计发生 3 次市电主电源故障切换事件，均在系统自动控制下实现无感切换，未对正在进行的手术操作、医疗设备运行或手术室环境参数产生任何不良影响。根据监控数据统计，系统全年供电可靠性高达 99.997%，有效验证了多级冗余结构与智能容错控制系统的实用效果、技术先进性与可靠性，全面保障了洁净手术室高强度、高标准、连续稳定的运行环境。

（四）未来发展方向与技术展望

未来高等级洁净手术室电气系统将进一步向智能化、模块化、集成化方向发展。基于物联网技术，系统内各类设备将实现全面联网、实时数据采集与远程运维管理，提升运维效率与系统透明度。借助人工智能与大数据分析技术，系统将具备故障趋势预测、自适应冗余结构调整、动态风险预警等功能，进一步提高整体智能水平与自主决策能力 [5]。模块化与集成化设计将有助于优化设备空间布局，简化施工流程，缩短工程周期，降低后期检修与维护成本。同时，通过设备标准化、接口统一，提升系统兼容性与扩展性，推动洁净手术室电气系统向更高水平的可靠性、安全性和智能化方向持续迈进，全面满足现代医院对高效、稳定、智慧医疗环境的建设需求。

总结：

高等级洁净手术室作为保障重大手术安全开展的重要场所，其电气系统的稳定性与可靠性直接关系到医疗设备正常运行和患者生命安全。通过系统性的冗余设计与完善的容错机制，可有效提升手术室电气系统的整体抗风险能力。本文结合实际案例分析，验证了多级冗余架构、智能监控平台、快速切换技术以及故障自恢复系统在高等级洁净手术室中的应用效果，实践证明，该类设计方案可显著提高系统供电可靠性，降低单点故障带来的安全隐患，保障手术室在各类复杂工况下稳定高效运行。未来，随着智能化、信息化技术的不断发展，洁净手术室电气系统将更加智能、灵活与可靠，全面满足现代医院对安全、高效、智能手术环境的严苛要求。

参考文献

[1] 姚蓁 , 沈彦利 . Ⅳ级洁净手术室定位及简单有效环境控制系统的设计 [J]. 中国医院建筑与装备 ,2024,25(12):76-80.

[2] 王彦宁 . 医院洁净手术部净化空调系统设计要点 [J]. 洁净与空调技术 ,2024,(02):50-54.

[3] 沈彦利, 沈晋明, 朱蕾. 多模态Ⅰ级洁净手术室送风装置研究[J].国医院建筑与装备 ,2024,25(10):17-20.

[4] 刘驰 . 深圳市医院洁净手术部工程造价指标研究 [J]. 房地产世界 ,2024,(18):83-85.

[5] 廉少波 . 洁净手术室装配式设计优化及施工 [J]. 建筑科技 ,2024,8(09):51-53+61.