Владельцы патента RU 2581773:

Настоящая группа изобретений относится к защите электрических систем и, более конкретно, относится к способу измерения, анализа и различения сигналов для определения утечки и/или токов повреждения в электрических устройствах, запитанных от таких систем. Способ включает цифровую дискретизацию тока или группы токов в электрической системе с использованием достаточной полосы частот в упомянутой дискретизации для реконструкции амплитуды и фазы созданной электрической частоты и ее гармоник и основной несущей частоты переключающей электроники и боковых полос частот модуляции, анализ в реальном времени сигналов от нескольких преобразователей или точек измерения, чтобы получить информацию по диагностике и местонахождению неисправности в питающих электрических сетях с изолированной нейтралью. При этом способ включает распознавание частотных составляющих токов в электрических системах. Изобретение кроме того раскрывает способы обнаружения замыканий на землю и утечек высокочастотных токов, в частности, хотя и не исключительно, в питающих электрических сетях с изолированной нейтралью (I-T) и/или ограниченным замыканием на землю и, в частности, в питающих электрических сетях в опасных зонах, например, таких как шахты. Изобретение также относится к способу повышения надежности реле при определении утечек на землю, в частности, когда реле работают вместе с электроникой переключения электропитания. Изобретение кроме того относится к способу интерпретации широкополосных сигналов измерений для выявления потенциальных опасностей, которые могут произойти из-за работы переключающей электроники, вместо того чтобы отвергать такие сигналы, как шум, для упрощения анализа. Защитное устройство способно обнаруживать сигналы постоянного тока и более высокой частоты, которые относятся к нормальной и анормальной эксплуатации переключающей силовой электроники, подключенной в качестве нагрузки к электрической системе, при этом осуществляется анализ токов утечки на землю с целью включения защитного оборудования. Технический результат заключается в повышении точности измерения и анализа сигналов электрических систем, включающих переключающую электронику, и улучшении их методов защиты. 3 н. и 36 з.п. ф-лы.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к защите электрических систем и, более конкретно, относится к способу измерения, анализа и различения сигналов для определения утечки и/или токов повреждения в электрических устройствах, запитанных от таких систем. Изобретение также относится к распознаванию частотных составляющих токов в электрических системах. Изобретение кроме того относится к способам обнаружения замыканий на землю и утечек высокочастотных токов в частности, хотя и не исключительно, в питающих электрических сетях с изолированной нейтралью (I-T) и/или ограниченным замыканием на землю и, в частности, в питающих электрических сетях в опасных зонах, таких как, но без ограничения, шахты. Изобретение также относится к способу повышения надежности реле при определении утечек на землю, в частности, когда реле работают вместе с электроникой переключения электропитания, включая, но без ограничения, приводы переменной скорости. Изобретение кроме того относится к способу интерпретации широкополосных сигналов измерений для выявления потенциальных опасностей, которые могут произойти из-за работы переключающей электроники, вместо того чтобы отвергать такие сигналы, как шум, для упрощения анализа. Способ включает анализ в реальном времени сигналов от нескольких преобразователей или точек измерения, чтобы получить информацию по диагностике и местонахождению неисправности в питающих электрических сетях с изолированной нейтралью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Устройства утечки на землю являются критически важным компонентом электробезопасности и часто требуются в силу правил. Защита от утечки на землю предназначена для повышения безопасности без внесения нежелательных и ненужных искажений в электрическую систему, к которой подсоединено защитное устройство утечки на землю. Утечки на землю и токи повреждений в электрических установках могут, в худшем случае, привести к поражению электрическим током и/или создать условия для возникновения дуги. В отличие от автоматических прерывателей, которые обнаруживают перегрузку по току и затем изолируют электрическую систему, с которой соединен прерыватель, устройства утечки за землю в основном используют для защиты персонала от поражения электрическим током. Автоматический прерыватель при перегрузке рассчитан на размыкание цепи, когда ток превышает заданный предел. Если ток, который может привести к смертельному поражению электрическим током меньше нескольких ампер в течение менее чем несколько секунд, автоматический прерыватель при перегрузке практически не обеспечивает защиту от поражения. Защитные устройства утечки на землю обычно рассчитаны на токи срабатывания или повреждения от 10 до 100 мА и на время прерывания от 40 до 100 миллисекунд после обнаружения тока повреждения. Устройства утечки на землю основаны на том принципе, что величина тока, поступающего в устройство по линиям подачи, должна быть точно такой же как и величина тока, выходящего из устройства по линиям подачи, и что любое отклонение происходит из-за утечки тока и/или неконтролируемого ответвления тока на кабельную и/или физическую землю.

Если существует неисправность в электропроводке электрического устройства, которая позволяет открытому корпусу устройства соединиться с действующим активным источником, лицо в контакте с действующим устройством может получить поражение электрическим током, поскольку такой контакт создает параллельный путь на землю для тока вместо следования через нейтраль или другие питающие линии. Именно в такой ситуации применяется защитное устройство утечки на землю. Автоматический прерыватель обычно не будет реагировать на небольшой, хотя и фатальный, дополнительный ток.

В защитном устройстве утечки на землю ток утечки на землю отслеживается путем сравнения активного и нейтрального токов, протекающих через контур, обычно путем простого средства измерения тока, индуцированного в катушке, через которую пропущены оба провода. В нормальных условиях в активном и нейтральном проводниках будут протекать равные и противоположные токи, соответственно, и, следовательно, индуцированного тока в катушке не будет. Техника отслеживания в равной мере применима к трехфазной системе (с нейтральным соединением или без него), где весь ток нагрузки, подаваемый через фазные провода, должен возвращаться через те же фазные провода. Ток, индуцированный в катушке несбалансированными питающим и обратным активным и нейтральным токами из-за состояния утечки на кабельную и/или физическую землю, может быть использован для запуска прерывания контура с использованием коммутационного оборудования или реле.

Не все электрические системы защищены устройства утечки на землю. Такие устройства относительно дорогие и могут быть подвержены нежелательному (помеховому) срабатыванию, поскольку могут существовать обстоятельства, когда может быть дисбаланс между активным и нейтральным токами без каких-либо последствий для безопасности. Это, в частности, верно для систем, которые включают нагрузки, содержащие коммутационную электронику с фильтрацией синфазного шума. В таких нагрузках некоторый уровень тока утечки на землю является нормальным, необязательно указывает на неисправность и часто не представляет опасности поражения электрическим током. Тот факт, что такие нагрузки генерируют ток утечки в нормальных условиях без повреждения, усложняет обнаружение действительного повреждения с утечкой на землю, а также определение, какой уровень тока утечки приемлем. Обычно достигается компромисс между безопасностью и эксплуатационной реальностью при определении величины использования устройства утечки на землю и/или уровня тока утечки, который может протекать до защитного срабатывания.

Помеховое срабатывание можно минимизировать путем использования отдельных защитных устройств утечки на землю для отдельных частей защищаемого оборудования. В таких случаях пороги срабатывания утечки на землю могут быть оптимизированы для отдельных устройств. Более экономичная альтернатива может заключаться в помещении устройства с известной утечкой на контур, который имеет защитное устройство утечки на землю с более высоким порогом активации.

Правила заземления систем в разных странах отличаются. Защитное заземляющее соединение обеспечивает, что все открытые проводящие поверхности имеют тот же электрический потенциал, что и поверхность Земли, чтобы избежать риска удара током, если человек дотронется до устройства, в котором произошло повреждение изоляции. Это обеспечивает, что в случае повреждения изоляции будет протекать большой ток, который приведет в действие устройство защиты от превышения тока, такое как плавкий предохранитель или автоматический прерыватель, таким образом отсоединив подачу электропитания.

В патентной литературе раскрыты разные схемы и защитные устройства утечки на землю, например в ЕР 0880213. В этом патенте раскрыта цепь обнаружения утечки на землю, включающая преобразователь тока утечки на землю для подачи тока, который соответствует току утечки на землю в защищаемой схеме. Он включает элемент хранения, соединенный с цепью, и нагрузку, подсоединенную параллельно элементу хранения, а также цепь для сравнения по меньшей мере одной части напряжения на элементе хранения с первым пороговым значением. Такая схема также раскрыта в патентной заявке Германии №3,807,935.

В случае переключателя утечки на землю, раскрытого в вышеуказанной патентной заявке Германии, общий преобразователь тока используется для обнаружения утечки на землю и для генерации тока, который соответствует величине утечки на землю и который подается на элемент хранения в форме конденсатора. Параллельно упомянутому конденсатору подсоединена нагрузка, которая включает делитель напряжения для получения частичного напряжения от того, которое существует на конденсаторе, и это частичное напряжение сравнивается с контрольным напряжением. В случае неприемлемого тока утечки частичное напряжение, полученное с конденсатора, будет больше контрольного напряжения, что приведет к приведению в действие механизма срабатывания, посредством которого цепь, в которой имеет место утечка на землю, будет отключена. Эта известная цепь обнаружения утечки на землю имеет недостаток в том, что во время зарядки конденсатора нагрузка, формируемая делителем напряжения, уже потребляет ток, в результате чего зарядка конденсатора занимает больше времени и энергия теряется. Цель изобретения, раскрытого в настоящем патенте, заключается в том, чтобы предложить цепь обнаружения утечки на землю, где нагрузка снабжена цепью порогового значения, так что, если напряжение на элементе хранения превысит первое пороговое значение, измерение выполняется по току, пропорциональному току утечки на землю. Механизм срабатывания реагирует, если измерение тока выявит, что ток утечки на землю чрезмерно высокий.

В еще одном примере, патенте США №3737726, раскрыт детектор утечки на землю для работы средства прерывания рабочей цепи, включающего трансформатор защиты трехфазных кабелей, имеющий вторичную обмотку с отводами, средство для выпрямления напряжений, индуцируемых во вторичной обмотке в результате нарушения баланса, чтобы подавать более высокое и более низкое напряжение, первое устройство хранения, которое заряжается до заданного напряжения более высоким выпрямленным напряжением, первое переключающее устройство, питание на которое подает первое устройство хранения после зарядки, второе устройство хранения, которое заряжается более низким выпрямленным напряжением, и второе переключающее устройство, питание на которое подается, когда подано питание на первое переключающее устройство, чтобы позволить второму устройству хранения разряжаться на упомянутое средство прерывания цепи для работы последнего через второе переключающее средство.

В горнодобывающей промышленности быстро растет использование электроники переключения электропитания, такой как приводы с переменной скоростью для подвижного горного оборудования, конвейеров, насосов, вентиляторов и обрабатывающих установок и оборудования. Безотносительно к применению, приводы с переменной скоростью (иногда также называемые приводами переменного напряжения, приводами переменной частоты VVVF или V3F) могут приводить гармоникам тока электропитания и частоты переключения и проводимому шуму, что приводит к воздействию на другое оборудование, в частности реле управления и защиты. Высказывается озабоченность полевой надежности защитных реле, когда они эксплуатируются вместе с приводом переменной скорости, в отношении к электробезопасности. Более конкретно, встречаются проблемы с реле в отношении обнаружения утечки на землю, целостности заземления и блокировки повреждения заземления во время работы реле вместе с приводами с переменной скоростью и подобным электронным оборудованием для переключения электропитания.

Эти проблемы разделяются на две широкие категории.

1. Электрические помехи при эксплуатации защитного реле, создаваемые электроникой переключения электропитания, которые ухудшают защитную функцию реле, часто приводя к помеховому срабатыванию.

2. Истинное ухудшение схемы электрической защиты, в частности, на подающих электрических сетях с изолированной нейтралью, ограниченных по повреждению заземления, где обычно используют синфазные фильтры с электроникой переключения электропитания, может создавать альтернативные пути повреждения для тока более высокой частоты, не ограниченные импедансом "нейтраль-земля", что потенциально приводит к повышенным потенциалам при касании во время состояний неисправности.

Защитные реле утечки на землю, которые используют пороги величины или характеристики времени/тока для частотных применений электрической сети, для сетей с изолированной нейтралью и опасных зон, уже известны в данной области техники. Также известны реле, которые обнаруживают создающие дугу повреждения в электрических сетях и опасные потенциалы в местах, куда можно наступить или которых можно коснуться. Также известно применение частотного анализа для идентификации спектров в анализах сигналов и для идентификации присутствия электрической дуги в электрических системах.

Частотные составляющие (гармоники), конкретно не связанные с частотой электрической системы, являются следствием относительно современных достижений в электронной технологии электропитания. До введения современной электроники в промышленные процессы сигналы постоянного тока и сигналы переменного тока с более высокой неэлектрической частотой вряд ли присутствовали в измерениях, связанных с защитой путем утечки на землю. Существуют разные сценарии, в которых возможно, что другие сигналы, чем электрические частоты и гармоники электрической частоты, поступают на защитное замыкание через землю вследствие установленной силовой электроники. Некоторые из этих сценариев представляют условия повреждений, некоторые представляют нормальную работу электрической системы.

Синфазные токи контура заземления иногда вводятся особыми конструкциями фильтрации, применяемой для переключающей силовой электроники, чтобы минимизировать проводимый и излучаемый электрический шум и таким образом обеспечить электромагнитную совместимость с другими электрическими системами. В применении к сети с изолированной нейтралью синфазные токи контура представляют потенциально неконтролируемый поток энергии в опасном окружении, поскольку обратный ток делится между кабельным заземлением через землю и физическим заземлением в отношении, обратно пропорциональном импедансам соответствующих контуров. Поскольку ток протекает в физическое заземление, он больше не может управляться обычными огнестойкими органами управления. Источники вероятного воспламенения не ограничены основной частотой.

Подобным же образом, потенциал касания на повреждении заземления сети с изолированной нейтралью полностью управляется как импедансом, ограничивающим повреждение заземления, так и проактивным измерением целостности кабельного заземления. Это обычно основано на одной первичной защитной звезде и ограничивающем импедансе. Параллельное подсоединение оборудования, имеющего фильтры синфазной электромагнитной совместимости, может ухудшать уровень защиты, обеспечиваемой этим типом питающей системы.

В попытке снизить ненужные срабатывания реле использование фильтрации сигналов или уменьшенной полосы частот может маскировать потенциально опасные события, которые приводят к продолжительному потоку постоянного тока или переменного тока более высокой частоты, что может вызывать возникновение дуги, повреждение, травму или смерть персонала. Хотя можно измерять сигналы от оборудования при работе под землей, использовать обычное оборудование для таких измерений обычно очень опасно и противоречит правилам. Опасные (потенциально взрывоопасные) среды не позволяют использовать обычное электрическое оборудование для измерения синфазных сигналов постоянного тока или переменного тока более высокой частоты. Более того, ручное использование измерительного оборудования не будет обычным или непрерывным. В отсутствие данных измерений неочевидно, что протекают нежелательные токи, и если их оставить без контроля, такие токи могут присутствовать на опасных уровнях.

Подобным же образом, можно показать, что параллельное подсоединение переключающей силовой электроники, включающей синфазную фильтрацию для уменьшения шума, может приводить к большим циркулирующим токам во время состояний повреждения, которые не возвращаются через импеданс, ограничивающий повреждение. Составляющая этих токов прямо связана с несущей или переключающей частотой силовой электроники, а не с создаваемой электрической частотой или гармониками создаваемой электрической частоты. Защитное оборудование, которое не может решать проблему тока более высокой частоты (частота несущей и ее гармоники) из-за намеренных ограничения полосы отслеживания, не будет обнаруживать эти токи повреждения и может не удалить состояние повреждения, если только составляющие тока в его полосе отслеживания также не созданы во время повреждения.

Подавляющее большинство существующих электрических защитных устройств настроено на основную электрическую частоту (50 Гц или 60 Гц) и поэтому не воспринимает постоянный ток и ток более высокой частоты утечки на землю, которые все равно протекают и потенциально вызывают образование дуги или поражение электрическим током без препятствующего действия контролирующего реле. Реле, которые рассчитаны на обнаружение поражений, образующих дугу, чувствительны к высоким частотам, но полагаются на предварительном существовании дуги для обнаружения и не препятствуют образованию дуги в первом случае. Они также обычно настроены на токи при переходном процессе, а не на токи стабильного состояния, реагируют на широкополосные спектры тока (не на спектры конкретных гармоник) и не анализируют спектры отдельных частот, которые характеризуют гармоники электрических частот или частот переключения силовой электроники.

Существует постоянная необходимость совершенствования известных способов и устройств для обнаружения токов повреждения и утечки в электрических системах, чтобы поддерживать и улучшать безопасность таких систем и включать современные достижения в технологию силовой электроники, которая запитана от этих систем. Более конкретно, современная переключающая электроника и способы подавления электрического шума, обычно рассчитанные на применение в системе многократного заземления (MEN), имеют специфические характеристики, которые могут влиять на ток утечки на землю и на потенциалы в местах касания, если такая электроника установлена в сети с изолированной нейтралью или ограниченным повреждением заземления.

Уровень напряжения помеховых сигналов и источники тока электрически слабые, так что на них могут влиять внешние источники. Присутствие других источников затрудняет интерпретацию сигналов измерения низкого напряжения. Помехи могут проявляться как псевдо-повреждения защиты, неправильная работа реле или сбои в защите.

При работе приводы переменной скорости выпрямляют переменный ток от сети для регулирования звена постоянного тока с значительной емкостью. Длительность активного (переключаемого) выходного импульса силовой электроники модулирует напряжения звена постоянного тока для производства выходной волны переменного напряжения и переменной частоты. Токи контура управления представляют потенциально неконтролируемый поток энергии в опасной среде. В сети с изолированной нейтралью обратный ток разделяется между кабельным и физическим заземлениями в некотором отношении относительно импедансов параллельных контуров. Источники помех, вызывающие эти токи в контурах могут превышать пределы промышленной безопасности в определенных условиях. Если ток протекает в физическом заземлении, он находится в опасной среде и вне огнестойких органов управления. Потенциалы касания и источники воспламенения необязательно ограничены 50 Гц и могут быть в равной мере опасны при высоких частотах.

Инициативы по повышению невосприимчивости защитного реле могут маскировать потенциально опасные ситуации. Постоянные помеховые срабатывания в кабельном заземлении могут указывать на циркулирующие высокочастотные токи. Производители активно снижают чувствительность реле, чтобы управлять шумом заземления. Используются эффективные способ снижения чувствительности, такие как корреляция сигнала и коммуникационные коды обнаружения/исправления ошибок синхронной фильтрации для интеллектуальных оконечных устройств. Однако существует проблема безопасности в отношении известных конструкций, в которых реле, которое выполнено менее чувствительным, чтобы контролировать шум заземления - т.е. более стойким, может маскировать состояние, когда источники помех приближаются к опасным уровням.

Высокочастотные синфазные токи в контурах являются основным последствием современной технологии приводов и не могут быть устранены. Уменьшение этих токов является функцией управляющего импеданса соответствующего контура, поэтому контролирующего по какому пути эти токи возвращаются в источник.

Электрические защитные устройства, подходящие для использования в опасных (взрывоопасных) средах жестко регулируются австралийскими и международными стандартами, и сертификаты публикуются и поддерживаются независимыми органами. На время подачи патентной заявки сертифицированные электрические защитные устройства с достаточной полосой частот для надлежащего разделения токов несущей или переключающей частоты, создаваемые приводами силовой электроники, отсутствуют в широкой продаже и не доступны для применения в опасных средах, таких как шахты.

Существует необходимость решения вышеизложенных проблем, чтобы повысить безопасность, в частности, хотя и не исключительно в опасных (потенциально взрывоопасных) средах путем повышения безопасности обнаружения утечки на землю.

ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение предлагает способ обнаружения токов повреждения, включая полосу шума, чтобы избежать проблем эксплуатационной безопасности по утечке на землю, целостности заземления и реле блокировки повреждения заземления, используемые вместе с приводами переменной скорости.

В попытке уменьшить или устранить проблемы уровня техники, определенные выше, настоящее изобретение направлено на создание способа измерения, анализа и различения утечки тока, составляющих тока и/или токов повреждения в электрических системах. Изобретение кроме того предлагает способы обнаружения постоянного тока и токов более высокой частоты повреждений заземления и утечек, в частности, хотя и не исключительно, в сетях с изолированной нейтралью и ограниченным повреждением в опасных зонах, таких, но без ограничения, как шахты. Изобретение кроме того предлагает способ обнаружения повреждения и токов утечки в приводах с переменной скоростью путем использования полосы шума для обнаружения таких неисправностей, как утечка на землю. Настоящее изобретение кроме того предлагает способ анализа частотного содержания токов контуров заземления, относящихся к переключающей силовой электронике в питающей сети с изолированной нейтралью для приведения в действие защитного оборудования или для предоставления предостерегающей и диагностической информации в отношении аномальных изменений в спектрах токов утечки.

Применение передовых методов извлечения сигналов с последующим анализом этих сигналов в отношении особенностей защиты от утечки на землю в сети с изолированной нейтралью является новым и уникальным. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, составляющие сигналов анализируют, как раньше, но отфильтровывают существующими электрическими устройствами защиты. Если защитное оборудование не способно отслеживать эти составляющие сигналов, расширенная интерпретация будет невозможна. После получения данных по сигналам эти данные могут быть интерпретированы, чтобы указать на фактическое повреждение, неисправность компонента или ненамеренную модификацию кабеля, которая не привела к опасному состоянию, но оно может произойти в будущем. Отсутствие анализа полного спектра сигнала для идентификации опасности нежелательно.

После получения информации по сигналу ее можно проанализировать и интерпретировать в отношении конкретного применения и получить диагностическую информацию относительно источника утечки на землю. Например, источником аномального изменения в токе утечки может быть привод с переменной скоростью, работающий на конкретной основной частоте и уникальной частоте переключения. Такую информацию можно использовать для определения места источника тока утечки (вероятно простого как один поврежденный конденсатор) в сложной системе.

Способ согласно изобретению может быть применен в разных местах в сети. Для примера, если его применить на звезде первичной защиты сети с изолированной нейтралью ограниченного повреждения, он позволяет использовать собранные данные для дистанционного обнаружения, контроля и диагностики утечки на землю и других повреждений в оборудовании, эксплуатирующемся под землей или в опасной среде, без использования обычных измерительных инструментов и анализа в самой опасной зоне.

Одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы повысить невосприимчивость защитного реле, которая может маскировать потенциально опасные ситуации, путем предложения широкополосного измерительного оборудования, требующегося для того, чтобы отслеживать синфазные контуры, токи и напряжения. Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы уменьшить количество постоянных нежелательных срабатываний реле в защите от тока на землю. Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ интерпретации помеховых сигналов и токов контура заземления, которые связаны с применением приводов с переменной скорость в питающей сети с изолированной нейтралью.

Одна цель изобретения заключается в том, чтобы предложить способ обнаружения присутствия постоянного тока и/или токов ток утечки более высокой частоты для того, чтобы позволить привести в действие защитное оборудование для устранения потенциальных опасностей, таких как образование дуги или воспламенение от искры во взрывоопасных атмосферах, потенциал в месте, куда можно наступить или которого можно коснуться, как опасность для персонала, контактирующего с оборудованием, на которое подается электропитание, и перегрев электрических деталей и узлов, возникающий из-за немоделируемых потоков энергии.

Еще одна цель изобретения заключается в том, чтобы предложить электрическую систему, способ определения характеристик энергии в стабильном состоянии и гармоник частоты переключения для получения диагностической информации, помогающей определить, выделить или отремонтировать оборудование, создающее повреждение, приводящее к приведению в действие электрического защитного оборудования.

Изобретение кроме того предлагает способ интерпретации данных из открытой полосы частот, чтобы соответствующее лицо могло определить, вызывает ли привод с переменной скоростью утечку тока.

Изобретение также предлагает реле, которое способно обнаруживать и интерпретировать данные, которые позволяют определить источник утечки на землю и, более конкретно, утечки на землю из привода с переменной скоростью.

В одной широкой форме настоящее изобретение включает:

Реле, способное обнаруживать сигналы постоянного тока или сигналы более высокой частоты, которые относятся к нормальной эксплуатации переключающей силовой электроники (в противоположность кратковременному электрическому шуму или состоянию повреждения) для цели анализа токов утечки на землю, чтобы привести в действие защитное оборудование.

В другой широкой форме настоящее изобретение включает:

Способ обнаружения и интерпретации сигналов постоянного тока и сигналов более высокой частоты для получения диагностической информации для помощи в идентификации, разделении или ремонте оборудования, создающего ток утечки, путем:

a) дискретизации электрического сигнала, созданного переключающим электронным устройством,

b) анализа данных дискретизированного сигнала для получения характеристик, которые могут уникально идентифицировать источник сигнала,

c) сравнения характеристик данных с характеристиками известного оборудования, с эквивалентными данными, взятыми с того же оборудования в другое время,

d) интерпретации дискретизированного сигнала, чтобы убедиться, указывают ли данные на электрическую опасность.

Настоящее изобретение кроме того предлагает способ измерения, анализа и определения токов утечки и/или повреждения в электрических системах, включая переключающую силовую электронику, и позволяет, путем считывания и интерпретации дискретизированных сигналов, идентифицировать:

a) утечку постоянного тока или токи повреждения;

b) основную и гармонические составляющие токов сетевой частоты;

c) основную и гармонические составляющие токов переключающего преобразователя.

В еще одной широкой форме аспекта способы настоящее изобретение включает:

Способ обнаружения и интерпретации электрических сигналов, исходящих из переключающей силовой электроники в электрической системе, чтобы позволяет выполнить анализ этих сигналов для определения утечки на землю или повреждения;

причем способ включает следующие этапы:

a) дискретизация сигнала, созданного электрическим устройством,

b) измерение в одной или нескольких точках электрической системы, питающей данное устройство,

c) дискретизация тока или группы токов, протекающих в электрической системе,

d) преобразование дискретизированных сигналов в форму данных, подходящую для анализа;

e) анализ этих данных для определения их указаний на повреждения или потенциальные повреждения в подсоединенном оборудовании силовой электроники;

f) интерпретация данных для того, чтобы убедиться, указывают ли они на электрическую опасность.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления способ кроме того включает следующие этапы:

a) активация защитного оборудования, чтобы разомкнуть цепь подачи электропитания, если токи утечки электрической частоты или электрической гармоники превышают определенные уровни и продолжительности,

b) активация защитного оборудования, чтобы разомкнуть контур подачи электропитания, если постоянный ток утечки или ток утечки более высокой частоты имеют чрезмерные уровни,

c) предоставление диагностической информации относительно характеристик оборудования, которое вероятно явилось причиной обнаруженных сигналов утечки.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, измерение может быть выполнено в одной или нескольких точках наблюдения в электрической системе, таких как один проводник, группа проводников, прямое измерение одного тока в параллельной ветви, чтобы сделать вывод о токе, протекающем во втором параллельной ветви. Предпочтительно, дискретизированные данные во временной области преобразуются в частоту с использованием дискретных преобразований Фурье, быстрых преобразований Фурье или подобным им признанным способом обработки сигнала.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, интерпретация идентифицированных токов в какой-то предполагаемой эксплуатационной топологии и состоянии позволяет сделать вывод об одном или нескольких из следующих событий и/или параметров:

(i) утечка постоянного тока в физические или проводные заземления;

(ii) утечка основной и гармонических составляющих токов сетевой частоты в физические или проводные заземления;

(iv) утечка токов преобразователя переключения основной и гармонических частот в физические или проводные заземления;

(v) номинальная частота переключения силового преобразователя;

(vi) неэффективные или неисправные синфазные фильтры на переключающих преобразователях или оборудовании, которое запитано от переключающих преобразователей.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, способ использует анализы широкополосной частотной области и искусственный интеллект (включая, но без ограничения, распознавание образов) для идентификации электроэнергии и основных частот и гармоник переключения в активной фазе, нейтрали, проводниках управления заземлением и электрических сетях.

Настоящее изобретение предлагает альтернативу известному уровню техники и выявленным недостаткам. Вышеуказанные и другие цели и преимущества станут понятны из последующего описания. В описании сделана ссылка на прилагаемые изображения, которые являются его частью и на которых для примера показаны конкретные варианты осуществления изобретения на практике. Эти вариант осуществления будут описаны достаточно подробно, чтобы дать возможность специалистам в данной области осуществить изобретение на практике, и при этом следует понимать, что могут быть использованы другие варианты осуществления и что конструктивные изменения могут быть внесены без нарушения объема изобретения. Поэтому последующее подробное описание не должно восприниматься в ограничивающем смысле, и объем настоящего изобретения наилучшим образом определен в прилагаемой формуле изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение теперь будет описано более подробно на предпочтительном, но не ограничивающем, варианте осуществления.

Упоминаемые примеры являются иллюстративными и не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения. Хотя в настоящем документе описаны разные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что они могут быть модифицированы, и поэтому приведенные здесь раскрытия должны истолковываться не как ограничивающие изложенные точные подробности, а как допускающие такие изменения, которые подпадают под сферу описания. Хотя аспекты способа и устройства изобретения будут описаны со ссылкой на их применение в сетях с изолированной нейтралью, следует понимать, что изобретение имеет альтернативные применения.

Способ измерения, анализа и интерпретации

Согласно методологии, первым шагом является измерение сигнала и получение данных, необходимых для анализа. Это делается путем цифровой дискретизации.

Измерение сигнала

Цифровую дискретизацию тока или группы токов осуществляют с достаточной полосой частот, чтобы правильно реконструировать амплитуду и фазу создаваемой электрической частоты и ее гармоник, а также основной несущей частоты переключающей электроники и боковой полосы модуляции. Полоса частот для дискретизации включает постоянный ток.

Измерение может быть выполнено в одной или нескольких точках наблюдения в электрической системе:

a) один проводник (проводник земли, нейтрали или отдельной фазы);

b) группа проводников (одновременная дискретизация трех проводников отдельных фаз и/или нейтрали (если она есть) как сбалансированность тока, чтобы непосредственно измерить остаточный ток или ток утечки на трехфазном жгуте);

c) прямое измерение одного тока в параллельной ветви, чтобы сделать вывод о токе, протекающем во второй параллельной ветви, с подходящими предположениями относительно импедансов ветвей (например, измерение тока кабельного заземления в сочетании с остаточным током трех фаз, чтобы сделать вывод о токе, протекающем в физическом заземлении).

d) прямое измерение тока в параллельных ветвях, используя содержимое магнитуды, фазы и частоты измерений, чтобы определить, какая ветвь имеет повреждение заземления и/или совокупное протекание тока повреждения заземления.

Преобразование сигнала

Дискретизированные данные во временной области преобразуют в частотную область, используя дискретные преобразования Фурье, быстрые преобразования Фурье или подобный им признанный способ обработки сигнала. Это преобразование дает магнитуду и фазу каждой частотной составляющей в дискретизированных данных в частотной области.

Спектр амплитуды данных в частотной области, созданных дискретным или быстрым преобразованием Фурье, ограничен, чтобы не принимать во внимание широкополосный шум и оставлять только значащие спектральные линии, связанные со специфическими составляющими частотами, представляющими интерес.

Анализ сигнала

Информацию в частотной области используют для:

идентификации основной электрической частоты (которая может быть создана нагрузкой посредством переменной переключающей электроники или на фиксированной сетевой частоте (обычно 50/60 Гц). Если существует составляющая постоянного тока, она идентифицируется. В зависимости от того, где выполнено измерение, электрическая частота и гармоники низкого порядка могут присутствовать или отсутствовать.

Если идентифицирована основная электрическая частота, гармоники электрической частоты определяют по магнитуде и частоте (обычно целочисленные кратные основной электрической частоты). Если есть электронные модули множественного переключения, могут быть обнаружены электрическая частота и несколько гармоник этой частоты.

Основная частота переключения (или несущая) идентифицируется для нагрузок, которые включают постоянный ток или изменяющиеся (создаваемые) переменные токи от переключающей электроники. Если обнаружены несколько несущих частот, их различают путем идентификации комбинационных составляющих относительно идентифицированных основных электрических частот.

Эту информацию затем можно использовать для:

i) приведения в действие защитного оборудования, чтобы разомкнуть цепь подачи электропитания, если токи утечки электрической частоты или гармоник превышают установленные уровни и продолжительности;

ii) приведения в действие защитного оборудования, чтобы разомкнуть цепь подачи электропитания, если токи утечки высокой частоты имеют чрезмерные уровни;

iii) предостережения о том, что токи высокой частоты существуют с амплитудой, которая является причиной озабоченности с учетом их местонахождения, и предоставления диагностической информации для помощи в обнаружении места источника (например, причиной сигнала является привод с переменной скоростью, работающий на основной частоте 40 Гц, при переключении на 3,4 кГц), чтобы указать, что заметное изменение, которое только что произошло на уровне обнаруженных составляющих частоты сигнала, может указывать на повреждение узла или детали или неприемлемое изменение в кабельной инфраструктуре.

Согласно способу из данных сигнала можно сделать вывод о том, что что-то не так (существует потенциал, если не реальное повреждение), например присутствуют токи, которые не должны присутствовать. Путем предложения реле с расширенной полосой частот для включения частотных составляющих, которые обычно не принимаются во внимание защитным оборудованием, и используя обработку сигналов для определения характеристик обнаруживаемых сигналов, такое реле способно обеспечивать превосходную защиту и, поэтому, повышенную безопасность, которая необходима в связи с расширяющимся применением современной переключающей силовой электроники в опасных зонах.

Кроме того, специалистам в данной области техники будет понятно, что в изобретение могут быть внесены многие изменения и модификации без нарушения общей идеи и объема изобретения, описанного в настоящем документе в широком смысле.

1. Способ цифровой дискретизации тока или группы токов в электрической системе, включающий использование достаточной полосы частот в упомянутой дискретизации для реконструкции амплитуды и фазы созданной электрической частоты и ее гармоник и основной несущей частоты переключающей электроники и боковых полос частот модуляции.

2. Способ цифровой дискретизации по п. 1, отличающийся тем, что полоса частот для дискретизации включает постоянный ток.

3. Способ цифровой дискретизации по п. 2, отличающийся тем, что дискретизацию выполняют в одной или нескольких точках наблюдения в электрической системе.

4. Способ цифровой дискретизации по п. 3, отличающийся тем, что точки наблюдения включают один проводник или группу проводников.

5. Способ цифровой дискретизации по п. 4, отличающийся тем, что один проводник выбирают из проводника заземления, нейтрали или отдельной фазы.

6. Способ цифровой дискретизации по п. 4, кроме того включающий этап одновременной дискретизации трех проводников отдельных фаз, чтобы непосредственно измерить остаточный ток или ток утечки на жгуте трех фаз.

7. Способ цифровой дискретизации по п. 4, включающий этап прямого измерения одного тока в параллельной ветви, чтобы сделать вывод о токе, протекающем во второй параллельной ветви.

8. Способ цифровой дискретизации по п. 4, кроме того включающий этап измерения относительных импедансов ветвей в кабельном токе заземления в сочетании с остаточным током трех фаз, чтобы сделать вывод о токе, протекающем в физическом заземлении.

9. Способ цифровой дискретизации по п. 8, кроме того включающий этап преобразования сигналов в частотную область.

10. Способ цифровой дискретизации по п. 9, отличающийся тем, что в частотной области используют метод обработки сигнала, выбираемый из дискретных преобразований Фурье или быстрых преобразований Фурье.

11. Способ цифровой дискретизации по п. 10, кроме того включающий этап преобразования сигнала для получения магнитуды и фазы каждой частотной составляющей в дискретизированных данных в частотной области.

12. Способ цифровой дискретизации по п. 11, отличающийся тем, что спектр данных частотной области, полученных дискретным или быстрым преобразованием Фурье, ограничен, чтобы не принимать во внимание широкополосный собственный шум.

13. Способ цифровой дискретизации по п. 12, кроме того включающий этап оставления только значащих спектральных линий, связанных с конкретными представляющими интерес частотами составляющих.

14. Способ цифровой дискретизации по п. 13, кроме того включающий этап анализа данных в частотной области для определения основной электрической частоты.

15. Способ цифровой дискретизации по п. 14, отличающийся тем, что анализ в частотной области идентифицирует спектры в анализах сигналов и идентифицирует присутствие электрической дуги в электрической системе.

16. Способ цифровой дискретизации по п. 15, отличающийся тем, что идентифицируется составляющая постоянного тока, если она существует.

17. Способ цифровой дискретизации по п. 16, отличающийся тем, что в зависимости от того, идентифицируется ли основная электрическая частота, по магнитуде и частоте идентифицируются гармоники электрической частоты, которые являются целочисленными кратными основной электрической частоты.

18. Способ цифровой дискретизации по п. 17, кроме того включающий этап, на котором, если в системе существуют несколько переключающих электронных модулей, могут быть обнаружены несколько электрических частот и гармоник такой частоты.

19. Способ цифровой дискретизации по п. 18, отличающийся тем, что основная (или несущая) частота переключения идентифицируется для нагрузок, которые включают или постоянный ток, или изменяющиеся созданной электрической частотой переменные токи от переключающей электроники.

20. Способ цифровой дискретизации по п. 19, отличающийся тем, что, если обнаружены несколько несущих частот, их различают путем идентификации комбинационных составляющих относительно основных электрических частот.

21. Способ цифровой дискретизации по п. 20, кроме того включающий этап использования информации измерений для:
приведения в действие защитного оборудования для размыкания цепи подачи электропитания, если токи утечки электрической частоты или гармоник электрической частоты превышают установленные уровни и продолжительности.

22. Способ цифровой дискретизации по п. 21, кроме того включающий этап использования информации измерений для:
приведения в действие защитного оборудования для размыкания цепи подачи электропитания, если токи утечки высокой частоты имеют чрезмерные уровни.

23. Способ цифровой дискретизации по п. 22, кроме того включающий этап использования информации измерений для:
убеждения в том, что токи высокой частоты существуют в некотором месте, и для получения диагностической информации для помощи в определении места источника нежелательного тока.

24. Способ цифровой дискретизации по п. 1, включающий этапы:
a) обнаружения и интерпретации сигналов постоянного тока и тока более высокой частоты для того, чтобы позволить получить диагностическую информацию для помощи в идентификации, выделении или ремонте оборудования, создающего ток утечки;
b) дискретизации электрического сигнала, естественным путем созданного электроникой переключения питания, подключенными к электрической системе нагрузками;
c) анализа данных дискретизированного естественным путем созданного сигнала для получения характеристик данных, которые могут уникально идентифицировать источник этого сигнала;
d) сравнения характеристик данных с характеристиками данных известного оборудования, с эквивалентными данными, полученными от того же оборудования в другое время;
e) интерпретации дискретизированного сигнала для того, чтобы убедиться, указывают ли данные на электрическую опасность.

25. Способ цифровой дискретизации по п. 5, включающий этап считывания и интерпретации дискретизированных сигналов для идентификации:
f) утечки постоянного тока или токов повреждений;
g) основной и гармонических составляющих токов сетевой частоты;
h) основной и гармонических составляющих токов переключающего преобразователя.

26. Способ обнаружения и интерпретации электрических сигналов, естественным путем созданных током или группой токов, протекающих в переключающей силовой электронике, являющейся подключенной нагрузкой в электрической системе, чтобы позволить путем анализа этих сигналов определить утечку на землю или повреждение, причем способ включает этапы:
a) дискретизации сигнала, созданного в электрической системе током или группой токов в электрическом устройстве;
b) измерения в одной или нескольких точках в электрической системе, подающей электропитание на это устройство, и цифровой дискретизации тока или группы токов в электрической системе с использованием достаточной полосы частот в упомянутой дискретизации для реконструкции амплитуды и фазы созданной электрической частоты и ее гармоник и основной несущей частоты переключающей электроники и боковых полос частот модуляции;
c) дискретизации тока или группы токов, протекающих в электрической системе;
d) преобразования дискретизированных сигналов в форму данных, подходящую для анализа;
e) анализа данных для определения, указывают ли они на повреждения или потенциальные повреждения в подсоединенном силовом электронном оборудовании;
f) интерпретации данных, чтобы убедиться, указывают ли они на электрическую опасность.

27. Способ по п. 26, кроме того включающий этапы:
a) приведения в действие защитного оборудования для размыкания цепи подачи электропитания, если токи утечки электрической частоты или гармоник электрической частоты превышают установленные уровни и продолжительности;
b) приведения в действие защитного оборудования для размыкания цепи подачи электропитания, если токи утечки постоянного тока или тока более высокой частоты имеют чрезмерные уровни;
c) получения диагностической информации относительно характеристик оборудования, которое возможно является причиной обнаруженных сигналов утечки.

28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что измерение выполняют по меньшей мере в одной точке наблюдения в электрической системе.

29. Способ по п. 28, отличающийся тем, что точкой наблюдения является один проводник.

30. Способ по п. 28, отличающийся тем, что точкой наблюдения является группа проводников.

31. Способ по п. 29 или 30, отличающийся тем, что точкой наблюдения является точка прямого измерения одного тока в параллельной ветви.

32. Способ по п. 31, отличающийся тем, что наблюдение прямого измерения одного тока в параллельной ветви позволяет сделать вывод о токе, протекающем во второй параллельной ветви.

33. Способ по п. 32, отличающийся тем, что дискретизированные данные во временной области преобразуют в частотную область, используя дискретные преобразования Фурье.

34. Способ по п. 33, отличающийся тем, что упомянутые дискретизированные данные во временной области преобразуют в частотную область, используя быстрые преобразования Фурье.

35. Способ по п. 34, отличающийся тем, что дискретизированные данные во временной области преобразуют в частотную область, используя способ обработки сигнала.

36. Способ по п. 35, отличающийся тем, что интерпретация идентифицированных токов в какой-то предполагаемой эксплуатационной топологии и состоянии позволяет сделать вывод об одном или нескольких следующих событиях и/или параметрах:
(i) утечка постоянного тока в физическое или проводное заземления;
(ii) утечка основной и гармонических составляющих токов сетевой частоты в физическое или проводное заземления;
(iii) относительные амплитуды соответствующих гармоник электрической частоты;
(iv) утечка токов переключающего преобразователя основной частоты и гармоник в физическое или проводное заземления;
(v) номинальная частота переключения электрического преобразователя;
(vi) неэффективные или поврежденные синфазные фильтры на переключающих преобразователях или оборудовании, которое запитано от переключающих преобразователей.

37. Защитное устройство, способное обнаруживать сигналы постоянного тока и более высокой частоты, которые относятся к нормальной и анормальной эксплуатации переключающей силовой электроники, подключенной в качестве нагрузки к электрической системе, для цели анализа токов утечки на землю, чтобы включить защитное оборудование, причем защитное устройство выполнено с возможностью цифровой дискретизации тока или группы токов в электрической системе с использованием достаточной полосы частот в упомянутой дискретизации для реконструкции амплитуды и фазы созданной электрической частоты и ее гармоник и основной несущей частоты переключающей электроники и боковых полос частот модуляции.

38. Защитное устройство по п. 37, кроме того имеющее расширенную полосу частот для включения частотных составляющих, которые обычно не принимаются во внимание защитным оборудованием.

39. Защитное устройство по п. 38, кроме того имеющее средство для обработки сигнала, чтобы определять характеристики обнаруженных сигналов, причем защитное устройство способно обеспечивать превосходную защиту и, поэтому, повышенную безопасность, которая необходима из-за увеличивающегося применения современной переключающей силовой электроники в опасных зонах.

ГОСТ P 50326-92(МЭК 513-76)

Группа Р07

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМОГО В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

Basic aspects of the safety philosophy of electrical equipment used in medical practice

Дата введения 1993-01-01

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. ПОДГОТОВЛЕН И ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации медицинских приборов и аппаратов (ТК 11)

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Госстандарта России от 07.10.92 N 1321

Настоящий стандарт подготовлен методом прямого применения стандарта МЭК 513-76 "Основные принципы безопасности электрического оборудования, применяемого в медицинской практике" и полностью ему соответствует

3. Срок проверки - 1997 г., периодичность проверки - 5 лет

4. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

1. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

1. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Настоящий стандарт рассматривает меры обеспечения безопасности пациента и оператора при эксплуатации медицинского электрического оборудования (далее - оборудование).

Все требования стандарта являются обязательными.

Причинами, вследствие которых оборудование в медицине может вызвать серьезные опасности, являются:

Энергии, вырабатываемые при нормальном функционировании оборудования;

Энергии, вырабатываемые в результате ошибочных начальных условий;

Прекращение функционирования оборудования, если состояние пациента зависит от его работоспособности (оборудование для жизнеобеспечения) или метод диагностики (лечения) не позволяет прервать процесс.

Указанные опасности могут угрожать пациенту, оператору, обслуживающему персоналу, а также оборудованию или установкам.

Данные опасности могут быть вызваны:

1) различными видами электрической энергии, например, постоянным электрическим током, проходящим через тело пациента, или преобразованиями электрической энергии в такие формы, как радиация, ультразвуковая или высокочастотная энергия, или ускоренные частицы атома;

2) механическими силами, возникшими вследствие неправильной эксплуатации оборудования, нарушений его функционирования в результате электрических или механических повреждений, отсутствия предохранительных приспособлений, наличия опасных поверхностей, углов или острых краев, неоднородностей, выступов или т.п.;

3) высокочастотными помехами, которые могут нарушать автоматические процессы, регистрацию диагностических данных или лечение;

4) избыточной температурой поверхностей, могущей привести к ожогу или стрессу;

5) пожаром, если повреждение оборудования приводит к осаждению расплавленного материала, горению электропроводки и других окружающих объектов;

6) опасностями химических поражений в результате эмиссии химически агрессивных, ядовитых или горючих жидкостей или газов, или контакта с биологически опасными материалами;

7) ошибками при замене отдельных частей оборудования, неправильной последовательностью операций, нежелательным появлением выходного сигнала и т.п.;

8) повреждением компонентов оборудования, предназначенного для жизнеобеспечения пациента;

9) повреждением источника питания или другими нарушениями в окружающей обстановке.

2. БЕЗОПАСНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ

Требования безопасности оборудования рассматривались во многих национальных, региональных и международных стандартах. Однако оборудование, применяемое в медицине, требует рассмотрения некоторых специфически важных аспектов:

пациент может быть исключительно чувствителен к опасностям из-за того, что не знает о них, неспособен защититься от них, а также из-за чувствительности к внешним воздействиям вследствие метода лечения, например, путем нарушения его природных защитных барьеров.

Жизнь пациента может зависеть от работы оборудования; в таких случаях функциональная надежность оборудования и установок являются факторами безопасности.

В некоторых случаях неоднократное облучение врача, который ставит диагноз или лечит больных, может стать причиной опасности.

Человек способен поглотить ограниченное количество энергии различных видов. Превышение пределов, установленных экспериментально, может привести к ущербу для здоровья или смерти. В последнее время распространено мнение, что человека следует защищать даже от безвредных, но неприятных ощущений, которых можно избежать, не влияя на процесс лечения.

Количество энергии, подаваемой пациенту, определяет врач. Однако калибровка и точность индикации количества энергии должны быть гарантированы работой оборудования, а номинальная мощность не должна намного превышать максимальной величины, необходимой для лечения, на которую рассчитано оборудование.

Врач или персонал, работающий с оборудованием, должен иметь определенные навыки управления оборудованием и представлять себе возможные опасности при его эксплуатации.

В особых случаях необходимо повесить предупреждающие надписи или напечатать их в инструкции по эксплуатации оборудования. Цель предупреждающих надписей - исключить неправильное использование и серьезные ошибки при эксплуатации оборудования. Некоторых невольных и типичных ошибок можно избежать, используя соответствующие приспособления для контроля связи или соединения.

Рассмотрение перечисленных факторов и внимательное изучение действующих стандартов и соответствующей литературы позволяют прийти к заключению, что безопасность эксплуатации оборудования в общем случае должна включать не только вопросы, связанные непосредственно с самим оборудованием, но и предусматривать сочетание мер по обеспечению безопасности оборудования электрических установок зданий, включая эксплуатацию и применение. Безопасность - понятие относительное, и абсолютная безопасность, хотя и является конечной целью, но никогда не может быть достигнута. Правильно применяемые меры безопасности не должны ограничивать функциональные возможности оборудования. Более того, используемые технические решения должны обеспечить соответствующую защиту пациента, оператора и обслуживающего персонала.

Электрическая безопасность может быть обеспечена:

Средствами, объединенными с оборудованием (безусловная электробезопасность);

Дополнительными мерами защиты (условная электробезопасность).

Если перечисленные выше меры не обеспечиваются, то безопасность оборудования может быть предусмотрена правилами его размещения и применения.

Оборудование характеризуется сроком эксплуатации, который определяется его индивидуальными качествами, воздействиями условий внешней среды, частотой его применения и контролем за эксплуатацией. Некоторые неисправности можно предотвратить при помощи периодических осмотров и соответствующего обслуживания. Возникновение неисправностей, причина которых может остаться невыявленной, можно предотвратить, используя оборудование соответствующей конструкции с достаточно высоким коэффициентом безопасности или защитные устройства. Понятие коэффициента безопасности включает в себя не только механические и электрические факторы, но также эффект использования и износа оборудования, знание способов его производства и условий транспортирования и хранения.

Полагают, что вероятность возникновения в одно и то же время двух независимых друг от друга неисправностей очень мала. Таким образом, возможно существование защитной системы, в которой любая первая неисправность может быть обнаружена до второй неисправности. Применение этих принципов к различным типам опасностей сводится к следующему анализу.

2.1. Опасность поражения электрическим током

Меры безопасности от поражения электрическим током при работе с оборудованием рассмотрены во всех существующих стандартах на электрическое оборудование. Известно, что источником данного вида опасности служит разность потенциалов, обычно возникающая между землей и одним или более проводниками электрической системы.

Условия, при которых пациент или оператор заземлены или соединены с землей через низкое сопротивление, или контакт пациента или оператора с проводником источника электропитания (или с любым другим проводником, соединенным с ним) могут привести к опасности поражения электрическим током (рис.1).

Рис.1. Опасность, вызванная контактом с сетью

Размеры опасности зависят от напряжения, сопротивления тела пациента и пути электрического тока через него. Величину опасности данного вида можно снизить, удовлетворяя основному требованию: все живое должно быть защищено от случайного контакта.

Обычно такая защита достигается основной предохранительной изоляцией, которую рассматривают как единственную меру защиты. Однако в целях исключения возможности возникновения опасности после первой же аварии единственную меру защиты нельзя считать достаточной (даже в случае, когда ток утечки в нормальных условиях не превышает допустимую величину).

Стандартные методы, используемые во всем электрическом оборудовании для защиты при повреждении первичной изоляции, можно применять к медицинскому оборудованию:

класс I - заземление доступных проводящих частей, которые могут быть оголены при повреждении изоляции;

класс II - двойная изоляция;

класс III - сочетание разделения цепей и сверхнизкого напряжения.

Принцип двойной защиты исключает оборудование только с основной изоляцией (класс 0). Этот принцип применяют не только к части источника питания, но также ко всем другим частям оборудования. Допустимый уровень тока утечки снижен, и это означает, что проводящая часть, несущая напряжение, считается "находящейся под напряжением", если можно получить ток утечки, превышающий допустимый.

На частях, доступ к которым возможен без использования инструмента, должно быть напряжение на землю, не превышающее 4 В переменного среднего квадратического значения или 30 В постоянного тока, в случае неисправности основной предохранительной изоляции на доступной проводящей части. Однако существует ограничение для случаев, когда проводящее соединение между такой частью и пациентом нежелательно.

Для оборудования актуальной проблемой является сочетание следующих факторов:

Повышенная чувствительность, вызванная соединением низкого сопротивления с сердцем пациента или непосредственным окружением;

Уровень плотности тока, который может вызывать фибрилляцию желудочка или значительное ослабление пульсации;

Продолжительный период, в течение которого пациенты могут находиться в тесном контакте с оборудованием;

Предотвращение случайных ожогов при хирургических операциях с применением токов высокой частоты.

Существуют два пути для токов утечки:

От сети по сопротивлению и емкости изоляции через цепь, соединенную с пациентом, и через пациента на землю (рис.2).

Рис.2. Ток утечки на пациента

Рис.2. Ток утечки на пациента

1 - накладываемая часть или цепь пациента, 2 - ток утечки Специалисты для детей и взрослых, детский офтальмолог

Данный ток называется "током утечки на пациента", и, если пациент заземлен, ток данного вида протекает постоянно;

От основной цепи по сопротивлению и емкости изоляции к доступным частям оборудования. В нормальных условиях данный вид тока почти полностью будет протекать по защитному заземленному проводнику на землю, если оборудование заземлено. Однако часть тока может идти через пациента, который прикасается к доступным частям, заземленным прямо или косвенно. Такой ток называют "током утечки на корпус". В обычных условиях ток рассматриваемого вида очень мал и протекает он только в том случае, когда одновременно выполнены следующие необходимые условия (рис.3):

Рис.3. Ток утечки на корпус

Рис.3. Ток утечки на корпус

1 - врач, 2 - пациент, 3 - ток утечки

Пациент заземлен (первое условие);

Происходит случайное электрическое соединение между доступными частями оборудования с цепью пациента, в которой пациент заземлен, либо с пациентом, цепь которого заземлена (второе условие);

Ток, возникающий в обычных условиях, может превысить допустимое значение только в случае повреждения одного из защитных средств (третье условие).

Заземление пациента часто происходит случайно посредством людей или предметов.

Ток, протекающий через защитный заземленный проводник оборудования класса I, называют током утечки на землю (рис.4). В аварийном режиме ток утечки на корпус в оборудовании рассматриваемого класса может полностью или частично состоять из тока утечки на землю.

Необходимо иметь в виду, что оборудование класса I может иметь корпус полностью или частично проводящий; по определению АКОС (консультативный комитет по безопасности) - корпус полностью изолированный или устройство из проводящих внутренних частей, полностью отделяющее основную часть от всех других частей и соединенное с защитным заземлением. При указании возможных аварийных условий необходимо учитывать конструкцию и качество различных защитных средств. Так усиленную или двойную изоляцию можно считать защитной от пробоя всей изоляции, непрерывность защитного заземленного соединения - надежной мерой предосторожности, если оно фиксировано или постоянно смонтировано, а также если защитное заземленное соединение удвоено или контролируется.

Рис.4. Ток утечки на землю

Рис.4. Ток утечки на землю

EQ1-EQ2 - оборудование; R1, R2 - сопротивления защитных заземленных соединений; IE1, IE2 - токи утечки на землю; Е - напряжение, вызванное разностями в сопротивлении защитных заземленных соединений или токами утечки на землю; РСЕР - центральная эквипотенциальная точка пациента

Для пациента и оператора степень опасности, вызванная токами утечки, зависит от рода контакта с оборудованием. Здоровый человек может перенести токи в несколько миллиампер, протекающие через его кожу, тогда как больной человек, через кожу которого постоянно или временно протекает электрический ток, равный долям миллиампера, может испытать неприятное ощущение. Ток, протекающий через сердце по внутрисердечным электродам или катетерам, порядка 100 мкА переменного тока и частотой до 1 кГц, может вызвать фибрилляцию желудочка сердца.

Примечание. Возбудимость сердечных тканей постоянным током намного ниже, чем переменным. Полагают, что критическая величина постоянного тока в пять раз превышает величину переменного.

Допускают, что при увеличении частоты св. 1 кГц чувствительность сердца линейно уменьшается. В связи с низким значением допустимого тока, проходящего через сердце, и окружающими условиями в госпиталях (влажность, наличие жидкостей) приходится переоценивать достоинства электрического оборудования классов I и II. Меры электробезопасности для оборудования класса II (двойная изоляция, отсутствие защитного заземления), успешно применяемые в домашнем хозяйстве, а также для портативных станков, неприемлемы для медицинского оборудования в связи с трудностью получения низких токов утечки в нормальных условиях.

Оборудование класса III тоже находит ограниченное применение. В отдельных случаях могут потребоваться низкие напряжения, и разделение цепей тоже играет положительную роль, но часто более высокий уровень электробезопасности может быть достигнут при помощи дополнительного заземления (класс I), через которое ток утечки можно отвести с помощью экранов и других приспособлений.

В зависимости от степени и качества защитных средств необходимо ввести классификацию оборудования:

Тип Н, классы I, II или III - обладает определенной степенью защиты от электрического тока по сравнению с электрическим оборудованием для домашнего хозяйства или подобным оборудованием данных классов. Однако, в связи с дополнительными требованиями, общий уровень безопасности повышается;

Тип В, классы I, II или III - обладает повышенной степенью защиты от электрического тока, например, в результате требований низкого тока утечки на корпус и предела тока утечки на пациента от 100 до 500 мкА для частот менее 1 кГц или эквивалентных величин при более высоких частотах;

Тип BF - оборудование типа В, но с изолированной (плавающей) накладываемой частью;

Тип CF, классы I или II - имеет высокую степень защиты от электрического тока в результате, например, требования низкого тока утечки на корпус и тока утечки на пациента от 10 до 50 мкА для частот менее 1 кГц или эквивалентных величин на более высоких частотах; оборудование типа CF снабжено изолированной (плавающей) накладываемой частью и предназначено для внутрисердечного применения.

Приблизительные пределы, указанные выше, должны быть установлены как для нормальных условий, так и для условий первого повреждения.

Известно, что на возможность появления фибрилляции желудочка зависит не только от электрических параметров, но и от способности живого организма выдерживать приложенную энергию.

Пределы тока, разрешенные в условии первого повреждения, должны соответствовать принятой степени безопасности, тогда как пределы в нормальных условиях должны увеличивать фактор безопасности настолько, чтобы можно было учесть любое изменение уровня тока утечки, которое может проходить в течение срока службы оборудования, включая, например, изменение условий окружающей среды.

Примечание. Указанные величины следует использовать как руководство только до получения достаточных научных данных.

Вышеупомянутая классификация дает возможность формировать требования к оборудованию, которые устанавливают качество одного из типов Н, В, BF или CF, в соответствии с указанным использованием, в зависимости от типа контакта с пациентом (например, случайный контакт, намеренный внешний контакт, намеренный внутренний контакт или намеренный прямой контакт с сердцем).

Опасность пациента, чье сердце находится в контакте с какой-либо частью оборудования, может также исходить от другой части оборудования, помещенной возле пациента, хотя, возможно, даже не соединенной с ним. Для предусмотрения данной ситуации необходимо использовать требование так называемого правила применения (см. п.4).

Классификация оборудования дает возможность ответственным органам указывать, что в определенных местах больницы, например, в операционных помещениях для катетеризации и подобных им, все используемое оборудование должно быть типа CF или обладать той же степенью защиты (с помощью дополнительных средств, таких как второе защитное заземленное соединение).

В данном случае необходимы:

1) обязательная маркировка в соответствии с типом CF (она должна быть указана в сопроводительных документах);

2) оборудование, используемое в установке, которая соответствует конструктивным требованиям;

3) правила применения, включающие в себя нормы для избытка заземленных соединений или процедур испытания и контроля.

Если используется портативное оборудование типа CF, требуемые значения для допустимых токов утечки на пациента и корпус в условиях первого повреждения предполагают использование проводников с двойным защитным заземлением или принятие специальных мер предосторожности в конструкции оборудования (особые методы испытания и хранения, периодический осмотр, или, возможно, соединение с источником питания, изолированным от земли, например, с помощью изолирующего трансформатора).

Заземление пациента (в функциональных целях) через защитный заземленный проводник оборудования может быть связано с большим риском, если такое соединение может быть прервано и суммированный ток утечки на пациента и землю пройдет через пациента, участки его тела, где возможен второй путь утечки тока на землю (даже со значительным сопротивлением). Данную опасность можно снизить, применяя двойное защитное заземление или изолированный от земли источник питания.

Анализ состояний чувствительных пациентов приводит к заключению, что непосредственно к пациенту должно быть присоединено как можно меньше оборудования. Необходимо использовать изолированные цепи пациента, где это возможно; в оборудовании с питанием от батарей или оборудовании класса II к цепи пациента нельзя присоединять проводящий корпус.

Важное преимущество изоляции пациента становится ощутимым, когда к нему присоединено более одного электрического прибора или прибор, соединенный с пациентом, в свою очередь, присоединен к регистратору, индикаторному устройству или устройству для обработки данных. Напряжение, приложенное к пациенту, не определяется электрическим оборудованием. Таким образом, можно избежать уравновешивающих токов. Проблема измерения токов утечки рассмотрена в большинстве существующих стандартов. Однако требования, предъявляемые к приборам и электрическим схемам, обычно не учитывают низких пределов измеряемых токов, необходимых для некоторых типов оборудования, а также тот факт, что чувствительность сердца человека зависит от частоты тока утечки. Более того последовательность испытаний, как правило, не основана на принципе "первого повреждения", упомянутого выше. Предлагаемые методы испытаний основаны на применении схем, в которых при нормальных условиях воспроизведен действительный ток, возможно текущий к пациенту, и последовательно вызван ряд одиночных повреждений защитных средств. Измерительные приборы должны иметь достаточно широкий частотный диапазон. Желательно иметь также снятую частотную характеристику, воспроизводящую чувствительность сердца человека. Это устраняет возможные помехи в процессе измерения, вызываемые высокочастотными компонентами напряжения сети.

2.2. Опасность механических повреждений

Оборудование для операционных проектируют таким образом, чтобы его удобно было использовать около операционного стола, поскольку площадь операционной ограничена. Устойчивость данного вида оборудования может быть определена с помощью определенных правил. Некоторое оборудование используют для поддержки пациента или тяжелых частей оборудования, окружающего пациента. В таких случаях безопасность пациента зависит не только от статических и динамических механических сил и мер защиты от механических разрушений, вызванных старением оборудования, под воздействием избыточной нагрузки или действием предохранительных защелок, но также от мер предосторожности против травм от движущихся частей оборудования. Следует учесть эффект прекращения подачи электроэнергии и последующего ее восстановления в связи с нежелательными передвижениями, устранением сил сжатия и освобождения пациента из неудобного положения. Части электрического оборудования, предназначенные для размещения на кровати или держания в руке, должны быть достаточно прочными, чтобы не разрушаться при падении. Приборы должны быть вибро- и ударостойкими не только при транспортировании, но и при использовании их в транспортных средствах. Это предусматривается испытаниями в окружающих условиях (см. п.2.8).

2.3. Взрывоопасность

Помещения для анестезии можно считать опасными зонами, так как некоторые средства для обезболивания и дезинфекции образуют взрывоопасную атмосферу с воздухом или взрывоопасные смеси с кислородом или азотом. Регуляторы безопасности, используемые в промышленности, неприменимы в медицинской практике, поскольку в ряде случаев они ограничивают возможность применения оборудования вследствие увеличения габаритных размеров, массы, а также, например, невозможности стерилизации. Однако за последнее время применение средств анестезии и техника безопасности при работе с ними подвергались значительными изменениями:

Снизилось применение самовоспламеняющихся средств для анестезии;

Уменьшилось количество газообразных или очищающих и дезинфицирующих веществ;

Снижено применение эфира для дезинфекции или удаления жиров;

Применяют системы с полностью замкнутыми циклами, в которых испаряемые смеси выводятся из помещения.

Измерения показали, что даже в случае некоторой утечки взрывоопасных смесей, концентрации, способные вызвать самовоспламенение, снижаются в зоне радиусом около 25 см вокруг места анестезии (включая дыхательный тракт). Полагают также, что при наличии внешнего электрического оборудования самовоспламеняющаяся атмосфера существует только временно, после чего ее можно удалить с помощью вентиляции.

Систему обезболивания, содержащую газовую смесь, состоящую из кислорода или окиси азота, характеризуют как "закрытую медицинскую газовую систему". Для такой системы недопустимы вспышки, энергия которых превышает определенные пределы воспламенения для смеси эфир-кислород и высокие температуры. Предполагают, что "закрытая медицинская газовая система" распространяется за пределы объема, где возможно происходит авария или утечка. Для некоторых устройств требуется избыток защитных компонентов, потому что электрическое оборудование подчинено условию первого повреждения. Оборудование должно быть маркировано: "стойкое к действию анестезирующих веществ, категория G", сокращенно APG. Требования к защитным средствам будут рассмотрены в "частных рекомендациях" в тесной связи с документами, подготовленными ИСО/ТК 121.

В пространстве, ограниченном радиусом 25 см за пределами "закрытой медицинской газовой системы", оборудование рассматривают и обозначают как "стойкое к действию анестезирующих веществ" (сокращенно АР). Недопустимы вспышки, создающие энергию выше допустимых пределов для атмосферы эфир-воздух, а также высокие температуры. При более высоких энергиях или температурах можно использовать баллоны со сжатым и инертным газом или с чистым воздухом, а также баллоны с ограниченным выпуском газов.

Электрические схемы медицинского оборудования с низкими энергиями характеризуются одновременными ограничениями напряжения, тока, емкости и индуктивности. Все требования относятся к нормальным условиям и не допускают превышения этих величин. Данные требования должны также относиться к пространству под операционным столом, если используются воспламеняющиеся очищающиеся вещества.

2.4. Опасность пожаров

С точки зрения противопожарной безопасности оборудование, за исключением оборудования для анестезии и некоторых видов лабораторного оборудования, не подчинено специальным требованиям.

Для оборудования установлены обычные пределы рабочих температур и требования к защите от перегрузок. Днища корпусов, расположенных под частями, соединенными с сетью, должны быть сконструированы так, чтобы расплавленный металл, горящая изоляция и другие частицы не могли упасть сквозь них.

2.5. Излучение

Оборудование излучает энергию всех известных видов. Требования безопасности относятся к побочному потоку излучения. Меры защиты необходимы для оборудования и окружающей среды, для которой необходимо стандартизовать методы расчетов. Пределы энергии излучения, установленные для оборудования, могут быть превышены при использовании оборудования специального назначения под наблюдением медицинского работника. Требования к ионизирующему излучению, выработанные МЭК, соответствуют рекомендациям (Международная комиссия по рентгенологической защите - МКРЗ), цель которых - получение данных, служить непосредственно изготовителям и потребителю.

Оценка мер защиты возможна только при помощи соответствующего изучения методов функционирования и режимов работы оборудования, а также местонахождения оператора и ассистентов, так как использование наихудших условий работы может препятствовать правильной постановке диагноза или процессу лечения. Последняя публикация МКРЗ содержит инструкцию для потребителя по методам снижения побочного потока излучения. Нейтронная терапия изучается с точки зрения медицинского применения и требования защиты.

Высокочастотное излучение св. 0,15 МГц, создаваемое, например, диатермическим или хирургическим электрическим оборудованием в значительных количествах, обычно приносит вред только при непосредственном воздействии на организм. Однако даже при низких уровнях энергии высокочастотное излучение может оказывать влияние на работу высокочувствительных электронных устройств и вызывать помехи во время радио- и телевизионных приемов. Электромагнитное излучение в значительных количествах испускается только при частотах, превышающих 30 МГц.

Нет необходимости определять конструктивные требования, но граничные пределы и методы измерения изложены в публикациях Международного специального комитета по радиопомехам (СИСПР) (см. каталог Публикаций МЭК).

Чувствительность оборудования к внешним помехам (электромагнитным полям, колебаниям напряжения питания) находится на рассмотрении.

На заводах или в цехах чрезмерный шум может вызвать утомление или даже повреждение слуха. Допустимые пределы шумов определены в стандартах ИСО. В медицинских помещениях необходимы гораздо более низкие пределы шумов, чтобы не нарушать покой пациентов и не отвлекать внимание врача. Разработка таких пределов для оборудования в настоящее время находится на рассмотрении. Она может оказаться очень затруднительной в связи с тем, что действительный шумовой эффект в значительной степени зависит от акустических свойств помещения, изоляции между комнатами и внутреннего взаимодействия частей оборудования.

2.7. Температура

Температурные пределы необходимы почти для оборудования всех типов в целях предотвращения быстрого старения изоляции и неприятных ощущений во время прикосновения к оборудованию или манипулирования им. Пациенты могут быть вынуждены невольно соприкасаться с частями оборудования в течение длительного времени, или части оборудования могут быть вставлены в полости тела человека обычно временно, но иногда постоянно. Для таких случаев установлены специальные температурные пределы.

2.8. Окружающая среда

Медицинское оборудование часто работает в очень неблагоприятных условиях. В экстренных случаях оборудование переносят или перевозят на тележках по ступенькам или в подъемниках и подвергают толчкам и вибрации. В операционных, где приборы сгруппированы вокруг операционного стола, иногда в экстренных случаях оборудование подвергается ударам. Вследствие трудности определения механической прочности, ее выражают как способность оборудования выдерживать комбинированные климатические и механические испытания и условия нагрузки с учетом того, где и каким образом будет использовано оборудование (например, портативное или передвижное оборудование, оборудование для использования вне помещения, в амбулаториях или вагонах, в операционных и т.д.).

3. БЕЗОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Понятие "электроустановка" включает в себя все провода, выключатели, трансформаторы и другие части, предназначенные для подачи электрической энергии к медицинскому оборудованию. Некоторые части электрической установки могут быть расположены вблизи пациента, где следует избегать напряжения, способного вызвать избыточный ток, проходящий через него.

В рассматриваемом случае наилучшей мерой защиты считают сочетание заземления оборудования и выравнивания потенциалов в электроустановке. Предложенная система имеет серьезный недостаток. При повреждении изоляции аварийный ток, протекающий в цепи, непосредственно соединенной с источником питания, может вызвать значительное падение напряжения на защитном заземленном проводнике соответствующей цепи (см. рис.4). Снижение такого напряжения с помощью увеличения площади поперечного сечения защитного проводника, как правило, невозможно. Поэтому сокращают время протекания аварийного тока на землю с помощью специальных устройств или применения источника питания, изолированного от земли (что может быть полезно, когда из-за интерференции невозможно осуществить жесткое заземление замкнутой цепи телевизионного оборудования). Биомедицинское воздействие и пределы для токов, проходящих через пациента, находятся на рассмотрении.

Для спецификации требований к электрической установке в медицинских помещениях и зданиях комнаты или группы комнат классифицированы в соответствии с необходимыми мерами предосторожности.

В медицинской практике, в основном, необходимы системы электрической установки, состоящие из пяти проводников с изолированным разделенным нейтральным и разделенным защитным заземленным проводником. В зависимости от проводимых осмотров пациентов и циклов лечения дополнительно требуются следующие меры предосторожности относительно защитных заземлений и защитных устройств для снижения постоянного напряжения:

Снижения напряжения с помощью дополнительного выравнивания потенциалов. Во всяком случае, во время работы оборудования, непосредственно контактирующего с пациентом, должна быть создана эквипотенциальная зона вокруг пациента с заземленным центром в точке нахождения пациента, к которой должны быть присоединены защитные и функциональные заземленные проводники. Все доступные проводящие части и поверхности в зоне необходимо также соединить с эквипотенциальным центром;

Эквипотенциальный центр необходимо по возможности ограничивать зоной вокруг пациента (практически вокруг операционного стола или кровати в палате интенсивного наблюдения);

Если в зоне находится более одного пациента, различные эквипотенциальные центры должны быть соединены с центральной эквипотенциальной шиной, которую, в свою очередь, предпочтительно соединить с защитной системой источника питания для данной зоны. Завершенная эквипотенциальная сеть может частично состоять из фиксированных и постоянно смонтированных соединений и частично из некоторого количества отдельных соединений, которые необходимы, если оборудование размещено вблизи пациента. Необходимо, чтобы узлы соединений для этих проводников были обеспечены с помощью электрического оборудования или электрической установки;

Ограничение продолжительности переходных напряжений с помощью использования остаточного тока, управляемого защитными устройствами (прерывателями цепи тока утечки на землю);

Непрерывная подача электропитания к оборудованию в случае первого пробоя изоляции на землю, и ограничение переходных напряжений с помощью изолирующих трансформаторов;

Контролирование первого пробоя изоляции на землю в цепи изолированного источника питания (вторичной цепи изолирующего трансформатора) с достаточно высоким импульсом на землю;

Предотвращение взрывов и пожаров в помещениях, в которых находятся обезболивающие взрывоопасные и им подобные смеси, с помощью вентиляции, антистатических мер предосторожности и тщательным расположениям электрической установки;

Применение основного аварийного источника питания для основных отделений госпиталя (обычно дизель-генератор), наличие рекомендации для подсоединения к схеме;

Применение специального аварийного источника питания для критического оборудования, например, систем жизнеобеспечения, осветителей для операционных, компьютеров, лабораторного оборудования. Время подключения источника питания к перечисленным устройствам очень мало или связь этих устройств с источником питания не прерывается совсем. Данное устройство может состоять из аккумуляторов, возможно комбинированных с конвертерами или специальными генераторными установками;

Подавление интерференции электромагнитных волн с помощью соответствующих расположений зданий, электропроводки и установки экранирующих сооружений. Для проведения чувствительных измерений необходимо установить ограничения магнитных полей частоты сети.

Электрическая установка в транспортных средствах, где может быть использовано медицинское электрическое оборудование, должна отвечать специальным требованиям.

Для рентгеновских отделений необходим специальный независимый источник питания.

4. ПРИМЕНЕНИЕ

4.1. Правила применения

Правила применения необходимы, чтобы помочь потребителю безопасно и надежно эксплуатировать оборудование.

За безопасность эксплуатации оборудования, в первую очередь, отвечает сам потребитель. Прежде всего следует подчеркнуть, что потребители должны тщательно соблюдать инструкции по эксплуатации оборудования.

Правила применения должны содержать информацию о технических вопросах, связанных с эксплуатацией оборудования, окружающими условиями работающего оборудования, его комбинациями, а также подобных вопросах, включая следующее:

Определение режима проверки токов утечки;

Измерение выравнивания потенциалов;

Измерение токов утечки на пациента от частей электрического оборудования, соединенных с пациентом;

Определение классов I, II, III с точки зрения потребителя;

Предотвращение высокочастотных ожогов при высокочастотной диатермии;

Порядок использования электрического оборудования типов Н, BF или CF;

График планово-предупредительного ремонта;

Правила использования взрывоопасных газов для обезболивания в сочетании с оборудованием;

Описание соединения составных частей или блоков оборудования;

Правила избежания фоновых наводок, интерференции и т.п.;

Возможность размещения оборудования на солнце;

Порядок проведения измерения с помощью рентгеновских дозиметров;

Определение размера поля магнитной интерференции в цепи питания;

Предотвращение высокочастотной интерференции;

Контрольный перечень мер электробезопасности для ряда типовых процедур;

Меры безопасности в аварийных условиях во время типовых процедур;

Требования электробезопасности, которые следует проверять при получении нового оборудования;

Предотвращение возникновения опасности при переходных процессах в сети электропитания;

Перечень оборудования, которое следует подсоединить к непрерываемому аварийному источнику питания;

Порядок пользования дефибриллятором.

4.2. Организационные меры

Из приведенного выше перечня ясно, что безопасное использование оборудования требует хорошей организации, глубинных знаний правил безопасности и определенной дисциплины в отношении его систематического осмотра.

В связи с этим правила применения должны дополнительно дать ответственным органам информацию по организационным мероприятиям, программам инструктирования и осмотра.

4.2.1. Организационные мероприятия

При размещении оборудования необходимо:

Установить ответственных по технике безопасности при эксплуатации оборудования,

Организовать зоны по "степеням электрической безопасности" в госпиталях и размещение электрического оборудования в них,

Организовать центральную диспетчерскую в случае повреждения оборудования и электрической установки,

Разработать программы периодических осмотров электрического оборудования и электрических установок,

Организовать обучение медицинского и технического штата и персонала,

Создать систему архива технических данных (инструкцию по сборке, руководство по обслуживанию, инструкции по эксплуатации, журнал).

4.2.2. Обучение и инструктаж

а) Обучение медицинского персонала (общее и специальное) проводят по темам:

Основные понятия электротехники и медицинской физики,

Опасности, возникающие при использовании оборудования,

Управление оборудованием,

Опасности, связанные с сочетанием различных типов оборудования.

б) Обучение технического персонала проводят по темам:

Основные понятия физиологии и медицинской физики;

Электрические медицинские инструменты;

Конструирование измерительных систем в медицинских целях;

Устранение неисправностей, осмотр оборудования в соответствии со спецификацией и для проведения калибровки;

Обслуживание оборудования;

Инструктирование медицинского персонала относительно техники безопасности и управления оборудованием.

в) Инструктирование пациента, находящегося дома, или его семьи, если применяемое оборудование пациент носит в медицинских целях временно или постоянно.

4.2.3. Осмотры

Программа осмотров содержит:

Проверку поступающего нового, исправленного, отремонтированного или переделанного оборудования;

Периодический осмотр оборудования и электрической установки;

Периодическую проверку соблюдения инструкции по технике безопасности и управления оборудованием.

Центр электромагнитной безопасности
Петухов В.С.
к.т.н., член IEEE
Соколов В.А.
Меркулов А.В.
Красилов И.А.

Неоднократные заявления о возможном кризисе значительной части технической инфраструктуры в коммунальном хозяйстве, а также в промышленности, как об одном из основных факторов "проблемы 2003 года", похоже, стали воплощаться в жизнь

Введение

Неоднократные заявления о возможном кризисе значительной части технической инфраструктуры в коммунальном хозяйстве, а также в промышленности, как об одном из основных факторов "проблемы 2003 года", похоже, стали воплощаться в жизнь. Россия столкнулась с резким ухудшением состояния инженерных систем зданий и сооружений жилого и офисного типов. На фоне этого происходит увеличение энергопотребления, внедрение современных технических систем, работающих в автоматических режимах (вентиляции, кондиционирования, пожаротушения, дымоудаления и т.д.), постоянно возрастает количество компьютерной и другой цифровой офисной и бытовой техники. Центр электромагнитной безопасности уже более 7 лет выполняет экспертные и технические работы в жилых и офисных зданиях г. Москвы. Собственные данные, анализ материалов, опубликованных в отечественной и зарубежной научно-технической литературе, а также предоставленных Международным обществом инженеров электротехники и электроники (IEEE), позволили выделить особенности состояния систем электроснабжения современных офисных зданий г. Москвы, прямо влияющие на техническую инфраструктуру здания, включая компьютерное и коммуникационное оборудование, систему трубопроводов здания, а также непосредственно на состояние здоровья людей.

Постановка проблемы

При проектировании и монтаже новых систем электроснабжения зданий, а также при реконструкции старых внедряется трех- и пятипроводная схема подключения электрооборудования, то есть фактически к фазным и нулевому рабочему проводникам добавляется нулевой защитный проводник. Практически любая неочевидная ошибка в подключении электрооборудования в этих схемах (наиболее часто встречается подключение нулевого рабочего проводника к клемме нулевого защитного, и наоборот, либо подключение под один контактный зажим обоих проводников) приводит к появлению неконтролируемого растекания токов по металлоконструкциям и трубопроводам систем водоснабжения и отопления зданий (рис.1, 2). Таким образом, ошибки монтажа электроустановок зданий можно считать основной причиной возникновения токов утечки.

Помимо ошибок монтажа существует ряд других причин, приводящих к возникновению токов утечки:

• повреждение изоляции нулевых рабочих проводников, которое может происходить либо из-за перегрева последних, либо в результате механических повреждений;
• ухудшение состояния контактных соединений в цепях нулевых рабочих проводников;
• повреждение изоляции электропотребителей.

Рис.1. Правильное подключение нулевого рабочего и нулевого защитного проводников

Рис.2.Неправильное подключение нулевого рабочего и нулевого защитного проводников

Последствия наличия токов утечки в электроустановках здания

Магнитные поля промышленной частоты

Рис. 3. Распределение источников по типам от общего числа обследованных помещений

Влияние электромагнитных полей на здоровье людей

"Предполагается, что медицинские последствия, такие как заболевания раком, изменения в поведении, потеря памяти, и многие другие состояния, включая рост числа самоубийств, являются результатом воздействия электромагнитных полей" (из обоснования Международной научной программы (1996 2005 гг.) Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по биологическому действию ЭМП). По результатам исследований, выполненных нашими специалистами в помещениях офисного типа, оснащенных ПЭВМ, на рабочих местах персонала в 70 % случаев наблюдалось превышение нормативных уровней по электрическому полю в 1,5 10 раз, а по магнитному полю в 2 40 раз. Учитывая потенциальную опасность ЭМП для здоровья населения, в нашей стране разработаны и введены в действие Санитарные нормы, по ряду параметров являющиеся самыми жесткими в мире.

Влияние ЭМП на компьютерное оборудование

Если персональный компьютер находится в помещении, по стенам, за потолком или под полом которого проходят кабельные линии с токами утечки, вызывающие повышенный уровень магнитного поля, то изображение на видеомониторе может заметно искажаться ("плыть" или "дрожать"). Известны случаи, когда растр покрывается цветными пятнами различных оттенков, а иногда изображение полностью или частично пропадает на несколько секунд, и появляется вновь. Очевидно, что работать за таким монитором невозможно и вредно. Следует заметить, что в соответствии с требованиями СанПиН 2.2.2.542-96 "Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы" предельно допустимое значение плотности магнитного потока, создаваемого компьютером, на рабочем месте пользователя не должно превышать 0,25 мкТл в диапазоне частот 5-2000 Гц, т.е. наличие "дрожания" изображения видеомонитора свидетельствует о как минимум 2-4-х кратном превышении данных требований.

Помимо "дрожания" изображения, магнитное поле, вызванное токами утечки по кабельным линиям, а также протеканием токов по металлоконструкциям и трубопроводам здания, при определенных условиях может индуцировать в проводниках информационных кабелей переменные токи промышленной частоты. Таким образом, даже при правильно выполненной системе заземления информационного оборудования, в пределах какого-либо, отдельно взятого участка локальной вычислительной сети, наличие вышеописанных проблем в других частях здания с большой долей вероятностью может привести к сбоям в работе информационных и компьютерных систем по всему зданию.

Протекание токов по системе заземления здания, а значит и по основной системе уравнивания потенциалов также приводит к ряду негативных последствий, как для компьютерных систем, так и для систем электроснабжения в целом. Поскольку в основную систему уравнивания потенциалов входят нулевые защитные (РЕ) проводники, металлические трубы всех инженерных коммуникаций, металлические части каркаса здания, заземляющее устройство молниезащиты, металлические оболочки телекоммуникационных кабелей, то протекание по ним переменных токов может вызывать сбои и "зависания" компьютерных сетей, появления токов помех по интерфейсным, информационным и сигнальным кабелям, а также невозможность нормальной работы другого офисного и электронного оборудования (рис.4.)

Рис.4. Ток по интерфейсному принтерному кабелю параллельного (LPT) порта

Влияние токов утечки на выполнение современных требований по обеспечению пожаро- и электробезопасности в зданиях

Наличие токов утечки по кабельным линиям не позволяет использовать современные средства обеспечения пожарной и электробезопасности - устройства защитного отключения, предписанные Государственными стандартами Российской Федерации, инструктивными письмами Главгосэнергонадзора РФ и Главного управления государственной противопожарной службы МЧС России.

С 1 июля 2000 г. введено в действие новое (7 издание) раздела 6 и глав 7.1 и 7.2 раздела 7 "Правил устройства электроустановок (ПУЭ)". В частности, в нем указывается на необходимость установки устройств защитного отключения, обеспечивающих требуемый в настоящее время уровень обеспечения электро- и пожаробезопасности, и, как следствие этого, недопустимость наличия токов утечки в системах электроснабжения зданий.

Коррозионное действие токов утечки

Действие токов утечки на трубопроводные системы приводит к тем же последствиям, что и коррозионное действие постоянных и переменных блуждающих токов. В период с 1996 по 2002 год были выполнены прямые осциллографические измерения токов, протекающих по внутренним трубопроводам систем отопления и водоснабжения зданий на более чем 200 объектах г. Москвы. В ходе работ было зафиксировано, что по трубопроводам протекают переменные токи промышленной частоты с от 0,1 до 18,2 А, распределение токов приведено на рис. 5.

Рис. 5. Гистограмма распределения зарегистрированных токов по внутренним трубопроводам зданий (всего 2095 измерений).

На основании собственных данных, а также экспертных заключений Всероссийского НИИ Коррозии и Ассоциации разработчиков и производителей средств противокоррозионной защиты для топливно-энергетического комплекса (КАРТЭК) , можно сделать вывод о прямой корреляции между скоростью коррозии внутренних трубопроводов зданий и величиной протекающих по ним переменных и постоянных токов.

В последнее время с целью исключения коррозионного повреждения внутренних трубопроводов зданий наметилась тенденция по замене металлических водопроводных труб на пластиковые. По этому поводу необходимо высказать следующие соображения:

1. Причиной ускоренной точечной (питтинговой) коррозии труб в 98 % случаев является протекание по ним тока, то есть трубы де-факто являются элементами системы электроснабжения.
2. При замене металлических труб на пластиковые решается вопрос об устранении их электрохимической коррозии, но одновременно может существенно возрасти нагрузка на нулевые рабочие проводники и в значительной степени увеличиться сопротивление петли "фаза-ноль", что приводит к уменьшению величины токов короткого замыкания.
3. Вышеуказанные обстоятельства могут привести к недопустимому увеличению сопротивления и/или отгоранию нулевых рабочих проводников, вследствие чего напряжение у потребителей наименее нагруженных фаз резко возрастает, что зачастую приводит к выходу из строя электрооборудования и пожарам.
4. При увеличении сопротивления петли "фаза-ноль" возможно несрабатывание устройств защиты от коротких замыканий (автоматических выключателей) вследствие возникшего после замены труб несоответствия уставок автоматических выключателей и уменьшившихся величин токов короткого замыкания.

ПУЭ допускает использование водопроводных труб в качестве защитного заземляющего проводника. Поэтому в целях обеспечения электробезопасности при замене металлических труб на пластиковые требуется особенно тщательная проверка наличия заземления и зануления и измерения величины сопротивления в этих цепях.

Технические и экономические аспекты решения проблемы

Мы видим, что вопрос возникновения токов утечки затрагивает целый комплекс как инженерно-технических проблем, так и проблем, связанных со здоровьем людей. Именно поэтому необходимо профессионально подходить к их рассмотрению, сопоставляя все возможные варианты решения в техническом плане и с точки зрения экономической целесообразности.

Рассмотрим наглядный пример. Как правило, при выявлении источника повышенного уровня магнитного поля первой реакцией является желание "заэкранировать" источник. Однако на практике магнитное экранирование представляет достаточно сложную инженерно-техническую задачу, но принципиально решаемую. Для реализации этого способа необходимо выполнить длительный мониторинг величин плотности магнитного потока в помещениях. Затем по полученным данным рассчитать параметры магнитного экрана. К сожалению, в настоящее время в России материалы для экранирования магнитного поля не выпускаются. Для того, чтобы выполнить магнитное экранирование участка кабельной линии длиной 50 м с током утечки до 10 А и снизить величины плотности магнитного потока, необходимо изготовить экран площадью 550 кв. м. Только закупочная стоимость материала для экрана составит 203500,00 долларов США. Дополнительно надо учесть затраты на предпроектное обследование помещения и проектирование экрана, его доставку, таможенную очистку и монтаж, который займет порядка 1-2 месяцев при полной остановке работы в рассматриваемом помещении. Таким образом, экранирование магнитных полей, в условиях нашей страны, является экономически невыгодным мероприятием.
Для решения проблемы в вышеописанной ситуации наиболее рациональным методом является уменьшение создающего магнитное поле тока, т.е. устранение самой первопричины. Этот способ требует диагностики системы электроснабжения здания, а именно обследование систем защитного заземления и зануления и последующих работ по обнаружению и устранению токов утечки на металлоконструкции и трубопроводы.

В соответствии с отечественной и международной нормативной документацией, а также основываясь на большом практическом опыте работы по устранению токов утечки, можно предложить следующие технические мероприятия:

1. Определить наиболее вероятные источники токов и возможности их попадания на металлоконструкции и трубопроводы здания.
2. Выполнить комплекс работ по выявлению и устранению токов утечки.
3. Провести полный комплекс стандартных проверок электроустановки здания.
4. Выполнить проверку наличия, правильности выбора сечений и монтажа нулевых защитных проводников.
5. В целях недопущения возникновения токов утечки и обеспечения современных требований по пожаро - и электробезопасности разработать проект установки устройств защитного отключения (УЗО).

Термины и определения (ГОСТ Р 50571.1-93)

• Ток утечки - ток, который протекает в землю или на сторонние проводящие части в электрически неповрежденной цепи.
• Сторонняя проводящая часть - проводящая часть, которая не является частью электроустановки, в том числе металлоконструкции зданий, металлические газовые сети, водопровод, трубы отопления и т.п. и неэлектрические аппараты, электрически присоединенные к ним (радиаторы, неэлектрические плиты для приготовления пищи, раковины и т.п.), полы, стены из неизоляционного материала.
• Защитное заземление - заземление, выполняемое в целях электробезопасности.
• Нулевой защитный (РЕ) проводник - защитный проводник в электроустановках до 1 кВ, предназначенный для присоединения открытых проводящих частей к глухозаземленной нейтрали источника питания.
• Рабочее заземление - заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности).
• Нулевой рабочий (N) проводник - проводник в электроустановках до 1 кВ, предназначенный для питания электроприемников и соединенный с глухозаземленной нейтралью трансформатора или генератора в сетях трехфазного тока.

Литература

1. 1. Ю.Г. Григорьев, В.С. Степанов, О.А. Григорьев, А.В. Меркулов //Электромагнитная безопасность человека. Российский Национальный комитет по защите от неионизирующего излучения, 1999 год.
2. О.А. Григорьев, В.С. Петухов, В.А. Соколов //Влияние неисправностей системы электроснабжения зданий на ускоренную коррозию трубопроводов. Новости теплоснабжения, 2002, № 7, стр.44-46.
3. О.А. Григорьев, В.С. Петухов, В.А. Соколов //Об ускоренной "точечной" коррозии внутренних трубопроводов зданий. Практика противокоррозионной защиты, 2002, № 3, стр. 15-19.
4. Правила устройства электроустановок. Издание 7. Раздел 6, Раздел 7, Главы 7.1, 7.2 М., Издательство НЦ ЭНАС 1999 год.
5. Правила устройства электроустановок. Издание 7. Раздел 1, Раздел 7, Главы 1.1, 1.2, 1.7, 1.9, 7.5, 7.6, 7.10 М., Издательство НЦ ЭНАС 2002 год.
6. Письмо Всероссийского НИИ коррозии № 87 от 06.11.2001 г.
7. Письмо Ассоциации разработчиков и производителей средств противокоррозионной защиты для топливно-энергетического комплекса (КАРТЭК) № 01/2007 от 04.12.2000 г.
8. Петухов В.С. и др. Коррозионные повреждения трубопроводов зданий, вызванные протеканием по ним токов. Практика противокоррозионной защиты, №4 (10), 1998 год.
9. Правила устройства электроустановок. Издание 6. М., ГЛАВГОСЭНЕРГОНАДЗОР РОССИИ, 1998 год.