本文主要探討了各種規(guī)模的醫(yī)院手術(shù)區(qū)在不同需求情況下的供電方案，對不間斷電源在手術(shù)室供電中的重要性進行了闡述，為保證手術(shù)室用電安全提供參考。

隨著醫(yī)療技術(shù)的進步，手術(shù)中用到的先進設(shè)備越來越多，也越來越依賴不間斷的電力供應(yīng)。然而，醫(yī)院卻面臨各種停電風(fēng)險，如電網(wǎng)崩潰(美國東北部2004年8月14日大停電、郴州2008年受凍雨影響全城停電) 、電網(wǎng)短時停電(主要受雷雨影響，約3～6次 /a) 、人為操作失誤、短路跳閘等。因此，需要采取各種措施保證醫(yī)院用電安全，尤其是手術(shù)室用電安全。

1手術(shù)室用電負荷等級

無影燈、手術(shù)用IT系統(tǒng)、單相插座等設(shè)備發(fā)生停電事故，將會對病人造成嚴重傷害，導(dǎo)致重大的醫(yī)療事故。手術(shù)室電動門、情報面板等設(shè)備發(fā)生停電事故，將嚴重干擾手術(shù)過程，且該類設(shè)備均為單相設(shè)備，功率小，數(shù)量眾多。為保證系統(tǒng)簡單、可靠，手術(shù)間的設(shè)備均統(tǒng)一認定為同一級別設(shè)備。其配電箱系統(tǒng)如圖1所示。

根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，一級負荷中的特別重要負荷需采用雙重電源+應(yīng)急電源供電方式。從兩個高壓變電站各引一路10kV高壓線路組成雙重電源。

應(yīng)急電源必須滿足手術(shù)對電源的要求。當(dāng)前，大多數(shù)手術(shù)持續(xù)時間為2～3h，但有時會延長，如有些心臟、腦科手術(shù)可能持續(xù)7～8h。因此，應(yīng)急電源應(yīng)選用可持續(xù)供電、成本低、易維護的柴油發(fā)電機組作應(yīng)急電源。選用柴油發(fā)電機組作為應(yīng)急電源可解決電網(wǎng)崩潰時手術(shù)室的電力供應(yīng)問題。

根據(jù)《建筑物電氣裝置》：特殊裝置或場所的要求———醫(yī)療場所規(guī)定，手術(shù)室電源級別≤0.5s級，包括0s級、0.15s級、0.5s級。對于0s級應(yīng)急電源必須使用不間斷電源( Uninterrupted Power Supply， UPS) 供電。0.15s級、0.5s級使用切換時間小于相應(yīng)級別的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)切換兩路市電。

由于0.15s級、0.5s級只使用相應(yīng)級別的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)即可，整個系統(tǒng)相對簡單，因此不再復(fù)述。要全面滿足0s級手術(shù)室的一級負荷中的特別重要負荷的供電要求，需要兩路市電、柴油發(fā)電機組、UPS四種電源共同組合使用。UPS滿足電源切換時間短(0.5～15s) 及短時間停電(如高壓市電重合閘的短時斷電，約1～6s) 要求，柴油發(fā)電機組滿足長時間停電要求。

UPS種類繁多、大小各異，兩路市電、柴油發(fā)電機組、UPS組成的系統(tǒng)受拓撲結(jié)構(gòu)、UPS種類大小、連接點位置等影響可以組成多種形式。整個系統(tǒng)受多種因素影響(尤其受UPS的壽命、功耗、可靠性等因素影響較大)，性能差異很大，因此整個手術(shù)室供電系統(tǒng)必須以 UPS中心進行整體分析，確定系統(tǒng)方案。

2手術(shù)區(qū)整體供電方案

我國三級甲等醫(yī)院的中心手術(shù)區(qū)往往規(guī)模大，手術(shù)復(fù)雜，設(shè)備更新快，手術(shù)室升級頻繁，電源級別為0s級的手術(shù)室占比大，適用于為整個手術(shù)區(qū)的所有手術(shù)室的一級負荷中的特別重要負荷集中配置 UPS，即所有手術(shù)室都提升為0s級手術(shù)室，提高電源級別和供電可靠性，日后手術(shù)室功能可以隨意調(diào)整，不受供電的限制。UPS還可放置在利于維護、檢視、檢修的位置(如配電室)，進一步增加了可靠性。

（1）大型UPS并聯(lián)集中供電方案拓撲圖如圖2所示。

圖2 大型 UPS 并聯(lián)集中供電拓撲圖

該方案一般采用兩臺UPS并聯(lián)，為手術(shù)區(qū)供電。在該方案中，每臺 UPS的容量按滿足所有手術(shù)室負荷確定，兩臺UPS通過控制總線協(xié)調(diào)輸出電流。在正常情況下，兩臺UPS各負擔(dān)一半負載，工作在低負荷狀態(tài)。當(dāng)一臺UPS故障，甚至停止供電時，另一臺UPS在不間斷供電的同時，接管所有負荷，保證持續(xù)、可靠供電。當(dāng)故障UPS維修時，另一臺UPS無需斷開，保障系統(tǒng)安全、可靠供電。該方案已在大量的數(shù)據(jù)中心經(jīng)過驗證，是成熟可靠的系統(tǒng)。

該方案安全、可靠、靈活、抗干擾，但造價高，運行和維護費用高，效率低。

該方案采用單臺UPS為手術(shù)區(qū)供電，市電二作為UPS的后備電源。由于UPS為重要、關(guān)鍵負載供電，因此UPS的設(shè)計、制造標準嚴格，可靠性很高(大型UPS逆變回路的平均無故障工作時間不低于30萬h)。尤其是UPS內(nèi)部自動旁路的設(shè)計更大幅提高了UPS的可靠性。此外，大型UPS內(nèi)部通常設(shè)計為模塊化結(jié)構(gòu)，在維修逆變模塊或其他部分時，UPS可通過手動轉(zhuǎn)換至維修回路繼續(xù)供電。

雖然UPS(尤其是大型UPS)的可靠性很高，但UPS也不可能完全杜絕機器故障、人為操作失誤故障等。如果僅依靠單臺UPS供電，若發(fā)生故障，將發(fā)生整個手術(shù)區(qū)長時間斷電的災(zāi)難性后果，是不可承受的風(fēng)險。

市電二作為UPS的后備電源，與UPS輸出端通過快速自動轉(zhuǎn)換開關(guān)( 轉(zhuǎn)換時間低于100ms)進行快速切換，可以大幅減少停電時間，避免發(fā)生不可承受事故。由于UPS的可靠性很高，因此市電二主要在更換、大修UPS時使用。

此外，部分品牌的UPS還可利用經(jīng)濟模式或綠色休眠模式( 即正常情況下利用自動旁路供電，逆變回路處于熱備份或冷備份狀態(tài)) 進一步節(jié)省電能。

單UPS方案相對于雙UPS并聯(lián)方案，可靠性差別不大，可承受風(fēng)險，成本卻降低50%，是一個安全、可靠、經(jīng)濟、實用的方案。

此外，大型UPS相比小型UPS還具有較高的抗干擾性。由于手術(shù)區(qū)內(nèi) 小型醫(yī)療設(shè)備眾多，因此干擾眾多，如隔離變壓器的勵磁沖擊電流、設(shè)備短路故障電流、電機起動電流等。由于大型 UPS 的耐受沖擊電流比小型UPS大得多，因此影響相對較小，也決定了大型 UPS較小型UPS更穩(wěn)定。

 

3重點供電方案

等級較低的醫(yī)院開展復(fù)雜手術(shù)的機會少，只需幾間0s級手術(shù)室即可。這種只對重要手術(shù)室認定為0s級手術(shù)室且布置UPS的方法節(jié)約了投資，但限制了手術(shù)室功能調(diào)整的靈活性。

相比不設(shè)置UPS，該方案避免了市電的各種故障，增強了手術(shù)室供電的可靠性。但是由于小型UPS的可靠性較低，且在UPS輸出側(cè)存在單點故障，因此若UPS故障，則手術(shù)室供電發(fā)生故障，而且可能長時間無法恢復(fù)供電，因此必須加強維護，定時更換UPS。該方案造價低， 但可靠性較低，存在隱患，應(yīng)慎重采用。

該方案采用兩臺小型UPS并聯(lián)為手術(shù)室供電，既避免了市電的各種故障，又通過兩臺UPS并聯(lián)運行、相互冗余，消除了單臺UPS故障對系統(tǒng)造成的損害，大幅提高了手術(shù)室的供電可靠性。

該方案安全、可靠，部署靈活，但是造價高、體積大、維護困難。若手術(shù)區(qū)內(nèi)的全部手術(shù)室均按該方案部署，造價將非常昂貴， 維護量巨大。該方案適用于停電將影響生命的特別重要的手術(shù)室，如心臟、腦科手術(shù)室。

4是否可以利用EPS代替UPS

EPS是應(yīng)急電源( Emergency Power Supply)的簡稱，主要應(yīng)用于消防系統(tǒng)。普通EPS主要強調(diào)市電停電時保證0.5～2h持續(xù)供電能力，并不要求不間斷供電( 典型在線式 UPS 切換時間為4ms左右) ，因此部分參數(shù)相對于UPS有所加強(如耐壓高、過壓大、過流能力強、帶載能力、啟動能力、短時過載能力、節(jié)能、壽命長)，部分參數(shù)相對于UPS有所減弱(如冷后備工作模式、切換時間長、充電能力小)。

供電要求不一樣，選用的器件也不同，主要體現(xiàn)在EPS選用機械自動轉(zhuǎn)換開關(guān)(如接觸器式、PC級自動轉(zhuǎn)換開關(guān)等)代替UPS的靜態(tài)開關(guān)，導(dǎo)致切換時間達不到ms級，達不到不斷電要求。大功率EPS往往用變頻器代替UPS專用逆變器，導(dǎo)致使用電池供電時頻率、電壓波動較大。因此，普通EPS的切換時間較長，不能保證電子設(shè)備不間斷工作，不能應(yīng)用于手術(shù)區(qū)供電。

為了適應(yīng)如氣體發(fā)光燈具對斷電時間的苛刻要求，部分EPS廠家也開發(fā)出一種快速切換EPS，即仍然用靜態(tài)開關(guān)作切換、逆變器(變頻器) 工作在熱備份狀態(tài)的EPS，大體相當(dāng)于工作在后備模式的UPS。

快速切換EPS失去了普通EPS大部分重要的優(yōu)點(如節(jié)能、壽命長) ，卻無法避免其缺點(頻率、電壓不穩(wěn))，且EPS只在國內(nèi)使用，只有國內(nèi)的中小企業(yè)生產(chǎn)。其中快切EPS僅少量定制，其控制部件設(shè)計生產(chǎn)、重要部件采購、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、產(chǎn)品測試等環(huán)節(jié)都可能存在問題。UPS(尤其是大功率UPS)多由全球知名公司生產(chǎn)，已在全球大規(guī)模應(yīng)用多年，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體生產(chǎn)等領(lǐng)域，被證實是安全、可靠、方便、實用的產(chǎn)品。

綜合上述分析，應(yīng)使用UPS(無論大功率，還是中、小功率)作為手術(shù)室配套電源，而不應(yīng)使用EPS(既包括大功率、小功率，又包括普通 EPS、快切EPS)。

 

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UPS存在的缺點

UPS存在以下缺點：

（1）能耗高，效率低。以最常使用的大功率在線式UPS為例，通常大多品牌UPS的高頻機最高效率在94%左右，工頻機最高效率在90%左右，但是 UPS 達到最高效率時的負載率接近于滿載。為手術(shù)區(qū)供電的UPS往往工作在低負載區(qū)間(手術(shù)區(qū)大部分時間處于夜晚、休班狀態(tài)，基本處于空載狀態(tài)，雙UPS并聯(lián)供電即使在工作狀態(tài)最高也不 超過40%) ，效率較低。雖然部分UPS的經(jīng)濟運行模式(ECO)可以在一定程度上提高效率，但受待機能耗(主要因為逆變器處于熱備狀態(tài))影響，實際提升幅度并不大，因此不建議普通在線式UPS長期工 作在ECO模式?，F(xiàn)在有部分廠家已推出了高效率(包括工作在低負載率時)的產(chǎn)品，希望能夠廣泛推廣，為節(jié)能減排做出貢獻。

 

（2）運行、維護費用高。UPS造價昂貴，后期維護費用高(專業(yè)人員巡檢、更換電池、更換電容)，運行成本高(主要是電費方面)。

 

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結(jié)語

手術(shù)室使用UPS供電提高了供電的可靠性，但也帶來了能耗高、效率低的問題。如果將因UPS散熱而增加的空調(diào)能耗也計算在內(nèi)，則效率更加低下(可參考數(shù)據(jù)中心的能源使用效能參數(shù))，因此研發(fā)、制造、推廣節(jié)能UPS就非常有意義。

由于UPS多種多樣，手術(shù)室需求非常復(fù)雜，同時UPS、手術(shù)室需求發(fā)展很快，探討、交流手術(shù)室的供電方案與UPS的使用得失，共同優(yōu)化手術(shù)室供電方案具有非常重要的意義。