医疗系统的防雷设计方案

摘要:随着医疗电子设备,特别是微电子设备和计算机设备在临床中的广泛应用,雷电及瞬态过电压的危害问题日益突出。因雷电(包括过电压)引发的设备故障、停用,甚至造成医疗事故,已成为医院和相关的工作者、维护技术人员无可回避的问题。寿宁县城关海拔750多米,属于雷电多发区,然而随着近几年全球气候的变暖,极端天气现象频发,我县的雷暴日数以及强度都有逐年增多、变强的趋势。城关地区每年因雷电损坏的电力设施、家电、办公设备、通讯设施非常多,由雷电及瞬态过电压而引发的医疗设备的损坏的事故是频频发生,医疗设备能否正常运转关系到病患者的生命安危,因此,对于医疗系统的防雷方案的研究已经刻不容缓。

关键词:雷电;医疗设备;防护

雷电的活动会在电子系统的电源总线、数据通信、信号等线路上引起电压瞬间的激增,如果激增的瞬态电压超过了电子设备中元器件的承受能力,就会造成破坏性的后果。所有的医疗电子设备(包括计算机、闭路电视设备、不间断电源、传感器和数据采集装置等)都存在着这种危险。

人们往往对雷电防护工作不够重视,或者简单地认为防雷无非是安装防雷器件和降低地线接地电阻即万事大吉,然而,从近几年的实际情况来看,这样的观点是错误的。

1 瞬态过电压的原理

所谓“瞬态过电压”是指两个或两个以上的导体间测得的电压在很短的时间(几微秒～几毫秒)内的急剧增加(从几伏到几万伏)。

1.1 瞬态过电压的起因

雷电实际的放电电流可达几百kA的量级。对于装有防雷装置的建筑物,尽管雷击电流可按预定的方式泻入大地,但它将通过电感、电容和电阻的耦合产生瞬态过电压。

1.2 瞬态过电压引发的问题

雷电动作引起的瞬态过电压的作用效果:干扰、衰变、损坏和故障停机。

1.2.1 干扰

尽管这种情况一般不会造成物理性的损坏,但会干扰数字或模拟电平,从而引起数据丢失,软件和数据损坏,电子计算机无法解释的退出服务、死机,以及过流开关的错误跳闸等诸如此类的麻烦情况。这对正在进行的医疗工作是一个非常糟糕的情况,极易引起医疗事故的发生。

1.2.2 衰变

电子设备和电路系统长期暴露在较低等级的瞬态过电压下,使其工作寿命减少和发生故障的可能性增大。在用户不知晓的情况下,这是一种非常糟糕的情况,很容易引起误诊、误断等医疗事故的发生。

1.2.3 损坏

瞬态过电压过高将会造成一些精密仪器的电路板和I/O板的损坏。而这些损坏一般很难看出,因为只有特别强烈的瞬态过电压才会烧毁电路板。

1.2.4 故障停机

干扰、局部衰变、损坏都可能会导致设备或系统的故障。这将意味着:正在进行的检查或手术无法正常的进行,甚至引发医疗事故。

1.3 瞬态过电压损坏的物理途径

几乎所有的电子器件和电路遭瞬态过电压的损坏方式都是一样的,即两种主要的物理途径,发热和绝缘破坏;而两者都是因电源的“续流”所造成。

2 对雷电的防护

目前,对雷电的防护有很多方面的措施,就目前我们所遇到的情况而言,有以下几种防雷措施。这些防雷害措施包括:加强建筑物防雷系统;接地和屏蔽接地;合理选择设备摆放位置;合理选择电缆走线路径和电缆屏蔽。

2.1 加强建筑物防雷

除在建筑物顶部增设避雷带(针、网)防护外,在建筑物的外层按照相关规定增加满足要求的接地导体,可以加强该建筑物的防雷性能。建筑物的外层接地导体愈多,其内部的电磁场就愈小,瞬态过电压侵入干扰电子设备的可能性也就愈小。这就是说,对于内部装有重要电子医疗设备的建筑物,可以采取在其外部增设接地导体的做法来增加防护。

2.2 接地与连接

屋面所有的金属均应在防雷设施的保护之下,并且与防雷设施有可靠的连接。所有的引入管线(水管、暖气管、电力和数据电缆的防护金属管等)都应当连接到一个单独的地参考点上。然后再将它与总地线端子(接地极)连接,这样可减少建筑物内的雷电流。如果电力或数据电缆需要在建筑物之间穿透的话,则它们的接地系统应该相互连接,以使所有设备有一个共同地参考点。

2.3 设备摆放位置的选择

为了尽量的减少因雷击所造成的危害,设备和一些科室的设置应该科学的选择其场所,比如手术室应设置在2、3层,因为就一般的大楼而言,这两个层次防雷电波侵入是比较理想的。另外电子设备的摆放也有很大的学问:电子设备的摆放位置不能靠近大电流和感应瞬态过电压威胁的地方;设备不能摆放在建筑物的顶层,因该处太靠近楼顶的避雷针和防雷系统的导体网;设备也不能太靠近建筑物的外墙,尤其是外墙拐角处,因雷电流将优先流经该处;设备的摆放位置也不能太靠近诸如天线、烟囱等高大建筑物。

2.4 电缆布线与屏蔽

电力、数据通信和电话电缆在建筑物内同样也可能受到瞬态过电压的威胁。设备布线应尽可能避开类似于设在建筑物顶部或墙内的可能通过雷电流的导体。

当电源线和数据线之间形成的环形面积较大时,从耦合感应的效果来说,它将会获得更多的雷电能量,因此应尽量避免。为减少环形面积,电源、数据通信和电话线等线路应彼此隔离的并排铺设。

对电缆施行屏蔽是另一种十分有效的方法,它将有助于减少电缆受到电磁辐射或对外产生电磁辐射。通常电力电缆由金属管或电缆槽防护,数据电缆用外层金属编织带屏蔽防护。

2.5 建筑物间的数据传输采用光缆

对于建筑物之间的数据传输,采用光缆是最佳的防护方式,它将在建筑物之间实现电气上的彻底隔离,防止包括瞬态过电压在内的各种电磁干扰问题。

3装设浪涌保护器(SPD)

浪涌保护器(SPD)是对上述防护技术和方法的补充和支持。配置运用浪涌保护器(SPD)的目的,就是在干扰源与需要防护的设备之间提供适当的瞬态过电压防护,以保护设备。重点的防护部位包括:电源的雷电防护;电源的开关瞬变防护;不间断电源(UPS)的防护;数据通信、电话线路的防护;重要仪器、设备的防护。

选择浪涌保护器(SPD)最重要的是所选择的器件必须满足以下要求:

3.1承受能力。它应能承受安装位置预计的最大瞬态过电压,由于雷电是多脉冲过程,所以它应能承受多次冲击。

3.2过压值的控制。浪涌保护器(SPD)应能将瞬态过电压控制在被防护设备的允许承受值以下。例如,某设备工作允许最高瞬态过电压值为700V,则其防护装置允许通过的瞬态过电压控制值应选择在700V以上,考虑适当的安全余量,则该防护装置的最高允许通过电压应低于600V。

3.3系统兼容性。浪涌保护器(SPD)不应妨碍和干扰被防护设备及其系统的正常工作。对具体设备(系统)的防护装置的选择应依据相关的标准、规范进行。值得强调的是,对浪涌保护器(SPD)的选择和正确安装是十分重要的:

3.3.1必须选择经过气象主管机构备案的产品,因为经过备案的这些产品都是经过相关部门的检测,其安全性、可靠性都可以得到保证。

3.3.2对浪涌保护器(SPD)必须进行正确的安装,因为这不仅是电气安全所必须的要求,而且不正确的安装将大大地降低浪涌保护器(SPD)的预期保护效果,因此必须按照相关的说明书进行安装。

4 结语

雷电是我国南方地区春夏季非常频发的一种气象灾害。到目前为止还没有任何一种装置(或方法)能阻止雷电的产生,没有能阻止雷击到建筑物上的器具和方法。寿宁县年均雷暴日数为65天,2009年8月13日至22日,寿宁城关地区连续10天都是电闪雷鸣,雷电已经是本地区非常严重的一种自然灾害。据统计,每年雷电灾害对国民经济造成的损失居气象灾害之首。究其原因就是人们对防雷电灾害的不重视,不能正确利用雷电防护设施。只要科学、合理、得当地进行预防,可以避免或减少很多不必要的灾害发生和经济损失,确保医疗设备的正常使用。

参考文献

[1]平帅.浅议核电磁脉冲的防护.防雷技术.第五期.

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