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

隨著醫療技術的進步，手術中用到的先進設備越來越多，也越來越依賴不間斷的電力供應。然而，醫院卻面臨各種停電風險，如電網崩潰(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院用電安全，尤其是手術室用電安全。

1手術室用電負荷等級

無影燈、手術用IT系統、單相插座等設備發生停電事故，將會對病人造成嚴重傷害，導致重大的醫療事故。手術室電動門、情報面板等設備發生停電事故，將嚴重干擾手術過程，且該類設備均為單相設備，功率小，數量眾多。為保證系統簡單、可靠，手術間的設備均統一認定為同一級別設備。其配電箱系統如圖1所示。

根據《供配電系統設計規范》，一級負荷中的特別重要負荷需采用雙重電源+應急電源供電方式。從兩個高壓變電站各引一路10kV高壓線路組成雙重電源。

應急電源必須滿足手術對電源的要求。當前，大多數手術持續時間為2～3h，但有時會延長，如有些心臟、腦科手術可能持續7～8h。因此，應急電源應選用可持續供電、成本低、易維護的柴油發電機組作應急電源。選用柴油發電機組作為應急電源可解決電網崩潰時手術室的電力供應問題。

根據《建筑物電氣裝置》：特殊裝置或場所的要求———醫療場所規定，手術室電源級別≤0.5s級，包括0s級、0.15s級、0.5s級。對于0s級應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級別的自動轉換開關切換兩路市電。

由于0.15s級、0.5s級只使用相應級別的自動轉換開關即可，整個系統相對簡單，因此不再復述。要全面滿足0s級手術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、柴油發電機組、UPS組成的系統受拓撲結構、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，因此整個手術室供電系統必須以 UPS中心進行整體分析，確定系統方案。

2手術區整體供電方案

我國三級甲等醫院的中心手術區往往規模大，手術復雜，設備更新快，手術室升級頻繁，電源級別為0s級的手術室占比大，適用于為整個手術區的所有手術室的一級負荷中的特別重要負荷集中配置 UPS，即所有手術室都提升為0s級手術室，提高電源級別和供電可靠性，日后手術室功能可以隨意調整，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并聯集中供電方案拓撲圖如圖2所示。

圖2 大型 UPS 并聯集中供電拓撲圖

該方案一般采用兩臺UPS并聯，為手術區供電。在該方案中，每臺 UPS的容量按滿足所有手術室負荷確定，兩臺UPS通過控制總線協調輸出電流。在正常情況下，兩臺UPS各負擔一半負載，工作在低負荷狀態。當一臺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、可靠供電。當故障UPS維修時，另一臺UPS無需斷開，保障系統安全、可靠供電。該方案已在大量的數據中心經過驗證，是成熟可靠的系統。

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為手術區供電，市電二作為UPS的后備電源。由于UPS為重要、關鍵負載供電，因此UPS的設計、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內部自動旁路的設計更大幅提高了UPS的可靠性。此外，大型UPS內部通常設計為模塊化結構，在維修逆變模塊或其他部分時，UPS可通過手動轉換至維修回路繼續供電。

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，若發生故障，將發生整個手術區長時間斷電的災難性后果，是不可承受的風險。

市電二作為UPS的后備電源，與UPS輸出端通過快速自動轉換開關( 轉換時間低于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) 進一步節省電能。

單UPS方案相對于雙UPS并聯方案，可靠性差別不大，可承受風險，成本卻降低50%，是一個安全、可靠、經濟、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。由于手術區內 小型醫療設備眾多，因此干擾眾多，如隔離變壓器的勵磁沖擊電流、設備短路故障電流、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更穩定。

 

3重點供電方案

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

相比不設置UPS，該方案避免了市電的各種故障，增強了手術室供電的可靠性。但是由于小型UPS的可靠性較低，且在UPS輸出側存在單點故障，因此若UPS故障，則手術室供電發生故障，而且可能長時間無法恢復供電，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，應慎重采用。

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

該方案安全、可靠，部署靈活，但是造價高、體積大、維護困難。若手術區內的全部手術室均按該方案部署，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室，如心臟、腦科手術室。

4是否可以利用EPS代替UPS

EPS是應急電源( Emergency Power Supply)的簡稱，主要應用于消防系統。普通EPS主要強調市電停電時保證0.5～2h持續供電能力，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、節能、壽命長)，部分參數相對于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，主要體現在EPS選用機械自動轉換開關(如接觸器式、PC級自動轉換開關等)代替UPS的靜態開關，導致切換時間達不到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，不能保證電子設備不間斷工作，不能應用于手術區供電。

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

快速切換EPS失去了普通EPS大部分重要的優點(如節能、壽命長) ，卻無法避免其缺點(頻率、電壓不穩)，且EPS只在國內使用，只有國內的中小企業生產。其中快切EPS僅少量定制，其控制部件設計生產、重要部件采購、生產過程質量控制、產品測試等環節都可能存在問題。UPS(尤其是大功率UPS)多由全球知名公司生產，已在全球大規模應用多年，廣泛應用于數據中心、半導體生產等領域，被證實是安全、可靠、方便、實用的產品。

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

 

5

 

 

 

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。為手術區供電的UPS往往工作在低負載區間(手術區大部分時間處于夜晚、休班狀態，基本處于空載狀態，雙UPS并聯供電即使在工作狀態最高也不 超過40%) ，效率較低。雖然部分UPS的經濟運行模式(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)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。現在有部分廠家已推出了高效率(包括工作在低負載率時)的產品，希望能夠廣泛推廣，為節能減排做出貢獻。

 

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

 

6

 

 

 

結語

手術室使用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散熱而增加的空調能耗也計算在內，則效率更加低下(可參考數據中心的能源使用效能參數)，因此研發、制造、推廣節能UPS就非常有意義。

由于UPS多種多樣，手術室需求非常復雜，同時UPS、手術室需求發展很快，探討、交流手術室的供電方案與UPS的使用得失，共同優化手術室供電方案具有非常重要的意義。