Звоните с 9:00 - 18:00:

+7 775 030 0705

Понедельник - Пятница:

09:00 - 18:00

Пишите нам:

request@quwatt.kz

Dustrial logo
blog img

Земля не просто земля! По крайней мере, не в больницах, медицинских и стоматологических кабинетах.

В этой технической статье анализируются требования безопасности против непрямого контакта, используемые в особых медицинских учреждениях (например, в больницах, медицинских и стоматологических кабинетах и ​​т. д.), где условия окружающей среды могут увеличить риск непрямого контакта и, следовательно, электрошока, а именно микрошока.

Вообще говоря, специальные установочные места — это места, где присутствие воды или влаги снижает сопротивление тела человека относительно земли, за счет снижения сопротивления его кожи. Особые места с точки зрения требований безопасности против непрямого контакта также являются влажными местами, где влажность может увеличить частоту отказов оборудования из-за нарушения целостности его основной изоляции.

В медицинских учреждениях (например, в больницах, медицинских и стоматологических кабинетах и ​​т. д.) пациенты подвергаются повышенной опасности поражения электрическим током из-за своего особого состояния. То есть, пациенты могут быть без сознания или под наркозом и, следовательно, неспособными оторвать пораженную часть тела от тока или хоть как то сопротивляться.

Кроме того, пациенты могут быть подключены к медицинскому оборудованию либо через накладываемые на кожу части (например, датчики, электроды и т. д.), часто локально обработанные для снижения ее сопротивления, и/или путем введения катетеров непосредственно в органы тела. например, сердце).

Использование токопроводящих внутрисердечных зондов, электрически соединяющих сердце с медицинским оборудованием, делает больного крайне уязвимым для поражения электрическим током, поскольку снижает порог опасности. Фактически, у пациента с катетером, подверженного воздействию напряжения прикосновения, утечки или неисправности, токи будут полностью проходить через сердце пациента и покидать тело через катетер

В этих условиях ток больше не ограничивается сопротивлением тела относительно земли, потому что это сопротивление не входит в контур замыкания. Больные становятся особенно восприимчивы к неблагоприятному воздействию электричества, а токи величиной в несколько десятков микроампер могут спровоцировать фибрилляцию желудочков.

Это явление определяется как микрошок .

1. Высокие токи защитного проводника

Медицинское электронное оборудование может быть чувствительно к электромагнитным помехам, излучаемым «возмущающими» нагрузками. По этой причине входные радиочастотные фильтры, состоящие из конденсаторов, подключенных между проводниками питания и корпусами оборудования, используются для повышения устойчивости электронных систем.

Такие фильтры могут вызывать постоянные токи утечки через защитные проводники, превышающие 3,5 А. 

Токи утечки на землю из-за радиочастотных фильтров

earth leakage currents radio frequency filters
Рисунок 1 – Токи утечки на землю из-за радиочастотных фильтров

IEC 60950-13 ограничивает максимальное значение токов утечки стационарного или съемного оборудования класса I до 5 % от входного тока. Наличие больших токов в защитных проводниках может привести к ложным срабатываниям УЗО , когда их остаточные уставки превышены даже при отсутствии замыканий на землю.

Серьезную опасность представляет случайная потеря защитного проводника, обслуживающего оборудование.

Опасная ситуация, вызванная случайной потерей PE

hazardous situation accidental loss pe conductor
Рисунок 2 – Опасная ситуация, вызванная случайной потерей PE

Фактически, ток утечки будет циркулировать по телу человека, если он/она соприкоснется с корпусом. Таким образом, по соображениям безопасности соединение оборудования с высоким током утечки должно быть обеспечено за счет повышения надежности PE. Этого можно добиться, удвоив площадь поперечного сечения по отношению к минимально допустимым значениям, используя параллельно более одного проводника защитного заземления и/или контролируя его электрическую непрерывность.

Если ток утечки превышает 3,5 А , вышеупомянутый стандарт IEC требует, чтобы рядом с разъемом питания оборудования была прикреплена предупредительная этикетка, указывающая на необходимость подключения защитного провода перед включением питания.

Чтобы электрические помехи не мешали чувствительному электронному оборудованию, производителям может потребоваться специальная система заземления . Неверная интерпретация этого условия может привести проектировщика к установке в одном и том же здании одного отдельного заземления для высокочастотного электронного оборудования и одного для оборудования 50/60 Гц.

distinct grounding electrodes sensitive electronic equipment
Рисунок 3 – Отдельные заземляющие электроды для чувствительного электронного оборудования и для оборудования с частотой 50/60 Гц

Вышеупомянутое расположение крайне небезопасно, и его следует избегать, поскольку оно не обеспечивает равных потенциалов между оборудованием в условиях неисправности. В случае замыкания на землю любой открытой проводящей части, находящиеся в одновременном контакте с обоими частями оборудования, подвергаются воздействию всего потенциала земли.

Каждая открытая проводящая часть становится, по сути, дополнительной проводящей частью по отношению к другой. Кроме того, отдельные точки заземления, которые могут быть запитаны с разным потенциалом в условиях неисправности, могут вызывать циркуляцию токов заземления и быть источником электрических помех, которые необходимо устранить.

Другой проблемой, связанной с постоянными высокими токами утечки, могут быть неизбежные ложные срабатывания устройств защитного отключения . В этой ситуации общая защита, обеспечиваемая УЗО, становится неэффективной, что крайне опасно в системах ТТ. Решением этой проблемы могло бы стать оснащение оборудования «нарушителя» выделенным УЗО с порогом остаточного срабатывания, установленным на достаточно высокое значение.

В качестве альтернативы для питания нагрузки можно использовать разделительный трансформатор с УЗО на первичной стороне, так как УЗО не будет обнаруживать токи утечки на его вторичной стороне.

2. Токи утечки

В Обычном оборудование класса I, медицинском или нет, во время его использования может протекать ток через изоляцию в защитный проводник. Как обсуждалось в предыдущем разделе, в случае обрыва защитного проводника ток утечки может протекать через людей, находящихся в контакте с оболочкой.

Для обычного оборудования (т. е. оборудования с малыми токами защитного проводника) величина такого тока настолько мала, что не представляет опасности для людей.

В медицинских учреждениях, тем не менее, прерывание PE, определяемое как состояние одиночной неисправности, очень опасно, потому что такой же низкий ток утечки, протекающий через катетеризованного пациента, определяемый как ток утечки пациента I P , может вызвать микрошок.

На рисунке 4 показано, как в условиях одиночной неисправности ток утечки IP пациента может напрямую циркулировать через его/ее сердце из-за контактов с любым оборудованием класса I (Ien ) и/или из-за соприкасающихся с телом частей. (Iap).

В вышеописанной ситуации человек подвергается большому риску микрошока, так как ток больного может превышать порог фибрилляции.

Рисунок 4– Ток утечки пациента, вызванный обрывом защитного заземления.

patient leakage current interruption pe
Рисунок 4 – Ток утечки пациента, вызванный обрывом защитного заземления

3. Местное эквипотенциальное заземление

В дополнение к «хронической» проблеме токов утечки регулярно работающего оборудования класса I, усугубляемой обрывом их защитных проводников, безопасности пациента также могут угрожать фактические замыкания на землю.

На рис. 5 показан пример замыкания на землю в системах ТТ из-за отказа электрического компонента в непосредственной близости от пациента. Близость к пациенту определяется как пространство с ограждениями, к которым может прикасаться пациент, которое простирается на 1,83 м за периметр кровати и на 2,29 м над полом.

В описанной выше ситуации возникает разность потенциалов VA, вызванная падением напряжения на защитном проводнике сопротивления RPEA, между двумя частями оборудования, с которыми пациент может одновременно контактировать на ощупь и через катетеры.

Опасное состояние при наличии исправного ПЭ

hazardous condition presence sound pe 768x529 1
Рисунок 5 – Опасное состояние при наличии звукового ПЭ

Уменьшение такого падения напряжения может быть достигнуто путем соединения вместе всех открытых проводящих частей (ECP) и посторонних проводящих частей (EXCP) с локальной шиной эквипотенциального заземления, расположенной в непосредственной близости от пациента (см. Рисунок 6).

Это дополнительное уравнивание потенциалов снижает сопротивление защитного проводника, обслуживающего неисправную открытую проводящую часть, ВТП (т.е. RPEA1 < RPEA ), тем самым уменьшая напряжение прикосновения (т.е. VA1 < VA ).

Важно отметить, что из-за повышенной чувствительности пациента к электрическому току необходимо переопределить посторонние проводящие части (EXCP) в медицинских учреждениях по сравнению со стандартным определением, которое мы дали для обычных мест. Фактически, в медицинских учреждениях стандарты IEC предполагают пороговое значение 25 В в качестве максимально допустимого напряжения прикосновения и смертельный ток для пациентов с катетером в 50 А.

В этих предположениях результирующее сопротивление заземления любой металлической детали в непосредственной близости от пациента должно превышать 500 кОм , чтобы не быть посторонними проводящими частями (EXCP) и, следовательно, не соединенными с местной заземляющей шиной.

Локальная шина эквипотенциального заземления снижает падение напряжения на защитном заземлении.

local equipotential earthing bus reduces voltage drop pe 768x641 1
Рисунок 6 – Локальная шина эквипотенциального заземления снижает падение напряжения на PE

4. Электрическое разделение

Локальное дополнительное заземляющее соединение, даже находясь в непосредственной близости от пациента, не всегда может в достаточной степени уменьшить сопротивление защитного заземления и, следовательно, ограничить напряжение прикосновения до безопасных значений. Это особенно верно в системах TN, где ток замыкания на землю может быть довольно высоким, а следовательно, может падать напряжение на PE.

Вместо этого в условиях отсутствия неисправности токи, вытекающие из частей оборудования, подключенного к одной и той же локальной шине заземления, практически идентичны и совпадают по фазе и вызывают почти одинаковые падения напряжения на их PE, тем самым не определяя заметной разности потенциалов.

Для улучшения защиты от непрямого прикосновения в условиях неисправности, в дополнение к локальной шине эквипотенциального заземления, можно использовать разделительный трансформатор , питающий цепи вблизи пациента (см. рис. 7).

Первые неисправности, возникающие в электрически разделенных системах, вызывают протекание емкостных токов IG небольшой величины (т. е. порядка миллиампер) через PE. Как следствие, напряжение прикосновения, которому может подвергаться пациент, находится в безопасных пределах.

Проблемы могут возникнуть при возникновении последующей второй неисправности, связанной с другим полюсом другой части оборудования, находящегося в контакте с пациентом. В этом случае результирующий ток короткого замыкания, циркулирующий по защитным проводникам, может вызвать опасную разность потенциалов между неисправными открытыми токопроводящими частями, даже при наличии дополнительного эквипотенциального соединения.

По этой причине в медицинских учреждениях первое повреждение должно быть быстро обнаружено с помощью устройства контроля изоляции, а затем устранено.

Разделительный трансформатор, питающий цепи в непосредственной близости от пациента

isolating transformer supplying circuits patient vicinity
Рисунок 7 – Разделительный трансформатор, питающий цепи в непосредственной близости от пациента

Заземление корпусов отдельной системы, показанное на рис. 7, делает эту систему похожей на IT-систему. В непосредственной близости от пациента может находиться небольшое оборудование, не питаемое разделительным трансформатором, требующее заземления, доступного на местной заземляющей шине.

Вышеупомянутое расположение является нарушением общего правила, которое запрещает открытым токопроводящим частям разделенных систем совместно использовать землю с неразделенными системами (запрет также применим к оборудованию класса II).

Как видите, это правило предназначено для предотвращения опасного «оживления» корпусов разделенных систем из -за потенциалов, передаваемых через заземляющие соединения.

При наличии дополнительного уравнивания потенциалов в медицинских помещениях этот риск действительно очень низок и считается приемлемым. На самом деле, даже если заземляющая шина достигает определенного потенциала в условиях неисправности, все ECP в непосредственной близости от пациента одновременно достигают этого же значения, как показано на рис. 7. Значит, между ними не может возникнуть никаких потенциальных различий, и пациент находится в безопасности.

Как следствие, заземляющее соединение в отдельных системах, принятых в медицинских учреждениях, считается безопасным при наличии местного уравнивания потенциалов.

4.1 Обрыв защитного провода в раздельных системах

Прерывание PE опасно даже в разделенных системах, поскольку результирующий емкостной ток через пациента может превысить пределы фибрилляции (рис. 8).

Пусть Z1 , Z2 , Z3 и Z4 будут емкостными сопротивлениями относительно земли источника питания и оборудования, как показано на рисунке 8. При потере защитного проводника ток утечки, создаваемый полюсом D через Z4 , снова замыкается на полюс A на циркулирует через пациента.

Рисунок 8– Раздельная система с прерванным защитным заземлением

separated system with interrupted pe
Рисунок 8 – Раздельная система с прерванным защитным заземлением

Вышеупомянутые импедансы соединены в «мостовую» конфигурацию, по диагонали которой пациенты с BC могут оказаться связанными (рис. 9).

Пациент может быть подключен по диагонали импедансного моста

patient connected across impedance bridges diagonal 768x512 1
Рисунок 9. Пациент может быть подключен по диагонали импедансного моста.

Если импедансный мост уравновешен, то есть Z1 × Z4 = Z2 × Z3 , пациент находится в безопасности, так как VBC = IP = 0. Если мост не уравновешен, ток пациента IP можно получить, выведя эквивалентную схему Thevenin, как показано в точках B и C.

Эквивалентная схема Thevenin, как видно в точках B и C моста

thevenin equivalent circuit points b c bridge
Рисунок 10 – Эквивалентная схема Thevenin в точках B и C моста

Эквивалентное напряжение Тевенина V th рассчитывается путем применения второго закона Кирхгофа к контуру DBAD и правила делителя напряжения (уравнение 1):

voltage divider rule formulae 1

Импеданс Тевенина Zth определяется как:

impedance z voltage divider rule formulae

Таким образом, ток пациента IP равен :

patient current formulae

где RB – сопротивление тела пациента.

В условиях равновесия моста (т. е. Z 1 × Z 4 = Z 2 × Z 3 ) из уравнения (1) видно, (15.2) что Vth равно нулю; поэтому пациент находится в безопасности, даже если защитный провод медицинского оборудования прерван.

На практике условие равновесия довольно сложно как достичь, так и удержать во времени . Хотя достигнуты результаты изготовления разделительных трансформаторов с одинаковым сопротивлением относительно земли, т. е. Z1 = Z2, получить медицинское оборудование с симметричным сопротивлением относительно земли, т. е. Z 3 ≠ Z 3 , довольно сложно . .

Таким образом, проектировщики не могут полагаться на уравновешенные мосты для обеспечения безопасности в медицинских учреждениях.

Насколько полезной была эта информация?

Нажмите на звездочку, чтобы оценить!

Средний рейтинг / 5. Подсчет голосов:

Голосов пока нет! Будьте первым, кто оценит эту страницу