Электробезопасность медицинской аппаратуры

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Читинская Государственная медицинская академия Кафедра физики

Курсовая работа

Тема: «Электробезопасность медицинской аппаратуры»

Чита, 2009г.

План

Введение

1. Действие электрического тока на организм человека

1.1 Порог ощутимого тока

1.2 Допустимая величина тока утечки

1.3 Действие тока, превышающего пороговую величину

1.4 Общее электрическое сопротивление тела

2. Защита от прикосновения к находящимся под напряжением частям

2.1 Основные требования, предъявляемые к электробезопасности аппаратуры

2.1.1 Недоступность для прикосновения находящихся под напряжением частей

2.1.2 Изоляция

2.1.3 Испытательный шарнирный палец

2.2 Особенность электромедицинской аппаратуры

3. Ток утечки

3.1 ЭДС источника

3.2 Ток утечки на пациента

3.3 Допустимые величины тока утечки на корпус

3.4 Измерение тока утечки

4. Пути тока утечки и воздушные зазоры

5. Возникновение напряжения прикосновения при пробое на незащищенный корпус

6. Аппараты классов OI-I

6.1 Защитное заземление

6.2 Защитное зануление

6.3 Отличие аппаратов классов OI и I

6.4 Недостатки аппаратов класса OI и I

7. Аппараты класса II

7.1 Защитная изоляция

7.2 Преимущество аппаратов классов II

7.3 Промежуточная изоляция

7.4 Усиленная изоляция

8. Аппараты класса III

8.1 Питание от источника низкого напряжение

8.2 Трансформатор для питания аппаратов класса III

8.3 Преимущества аппаратов класса III перед аппаратами других классов

Заключение

Литература

Введение

Современная больница, клиника, любое другое лечебно-профилактическое учреждение располагают большим количеством разнообразных медицинских приборов, аппаратов, вспомогательных устройств, в которых в том или ином виде используется электрическая энергия. Электромедицинская аппаратура, насчитывающая более 5000 наименований, находит применение для диагностики, лечения, обслуживания пациента, при лабораторных исследованиях, сборе и обработке информации, иначе говоря, на всех стадиях лечебного процесса.

Использованию электрической энергии сопутствует опасность поражения электрическим током. Эта опасность для современного человека имеется практически повсюду: и дома, и на работе, и при пользовании средствами транспорта.

Каковы же специфические условия, которые требуют особых мер по защите пациента и медицинского персонала от поражения электрическим током?

Прежде всего, следует учесть, что у больного защитные силы организма подорваны, поэтому случайное воздействие электрическим током может иметь для больного, особенно страдающего заболеванием сердца, более тяжелые последствия, чем для здорового человека.

Пациент во многих случаях не может нормально реагировать на действие электрического тока, чтобы уменьшить возникшую опасность. Он может быть парализован, находиться под наркозом, быть без сознания, наконец, он может быть привязан к операционному столу или кровати.

В повседневной жизни, на производстве - всюду принимаются все меры для того, чтобы отделить человека от возможных источников электрического тока, от любых электрических цепей. В противоположность этому пациента намеренно подвергают действию тока, его включают непосредственно в цепь постоянного низкочастотного или высокочастотного тока.

Кожный покров является естественной защитой человека от действия электрического тока. В медицинском учреждении кожу пациента обрабатывают обезжиривающими, дезинфицирующими и другими растворами. Увлажненная кожа полностью теряет свои достаточно высокие изолирующие свойства. В полости тела вводят различного рода электроды, датчики, осветительные устройства, во время операции кожный покров механически разрушается, обнажаются внутренние органы. Наиболее опасный случай вмешательства в организм человека - введение электродов, катетеров непосредственно в полость или мышцу сердца.

В процесс лечения или обследования к больному нередко подключаются не один, а несколько аппаратов. Так, например, на операционном столе к пациенту могут быть присоединены электроды высокочастотного электрохирургического аппарата, электроды электрокардиографа, наркозный аппарат, электроотсасыватель, датчики температуры, давления, аппарат сердце - легкие и другая аппаратура. Естественно, что, находясь в центре сплетения проводов, электродов, датчиков, пациент подвергается различным опасностям поражения током, предусмотреть которые заранее весьма сложно.

Немало возможностей и косвенного влияния электрической энергии на безопасность пациента. Различного происхождения электрические, магнитные и электромагнитные поля оказывают мешающее действие чувствительной измерительной аппаратуре, осложняя правильное диагностирование. Действие помех на электрокардиостимуляторы, устройства автоматики аппаратов для искусственного дыхания и другую аппаратуру для замещения либо поддержания функций органов организма может иметь катастрофические последствия. Так же чрезвычайно опасно прекращение подачи напряжения питания на замещающую аппаратуру либо на источник освещения при ответственных оперативных вмешательствах.

Используемая в медицинских учреждениях аппаратура находится в очень тяжелых условиях эксплуатации. Многие аппараты постоянно передвигают, переносят из палаты в палату, при этом возможны толчки, удары их. Сетевые шнуры и кабели подвергаются натяжению, закручиваясь вокруг окружающих предметов, они постоянно оказываются под ногами пациентов и персонала. Приходится считаться с возможностью воздействия на аппараты различных жидкостей (крови, мочи, медикаментов).

Тяжелые условия эксплуатации аппаратуры приводят к частым нарушениям ее, выходу из строя.

Разнообразие и сложность обстоятельств, в которых оказывается больной в медицинском учреждении, приводит к тому, что для обеспечения его электробезопасности недостаточно отдельных изолированных мер защиты в аппарате или в электрооборудовании здания. Только комплекс согласованных между собой защитных средств, принятых при создании аппарата, а также при оборудовании медицинского учреждения, может обеспечить необходимый уровень электробезопасности. При этом обязательным условием является достаточная квалификация специально обученного медицинского персонала, а также технических работников, обеспечивающих регулярный контроль и ремонт аппаратуры и электрооборудования здания.

электробезопасность аппаратура порог тока

1. Действие электрического тока на организм человека

1.1 Порог ощутимого тока

Минимальная величина тока, раздражающее действие которого ощущается человеком, называется порогом ощутимого тока. Величина его зависит от места прикосновения и площади контакта. Наибольшей чувствительностью обладает язык, ощущающий покалывание уже при токе около 40мкА. Практическое значение имеет определение порога ощутимого тока при прикосновении к находящемуся под напряжением предмету ладонью или кончиками пальцев. При переменном токе низкой частоты начальные ощущения в этом случае проявляются в виде дрожи, пульсирования, покалывания в месте контакта.

У отдельных лиц величина порога ощутимого тока различается, подчиняясь нормальному распределению. На частоте 60Гц средняя величина его составила 1,1мА.

Пороги ощутимого тока значительно различаются у лиц различного пола и возраста. Для женщин он уменьшается в среднем на 30%, для детей - примерно на 50%.

При изучении зависимости порога ощутимого тока от частоты установлено, что в диапазоне нескольких сотен герц величина порога изменяется мало, увеличиваясь в дальнейшем почти линейно с частотой.

На частотах 100кГц и выше ощущение тока переходит в чисто тепловое. При протекании постоянного тока порог ощутимого тока значительно выше (в 4-5 раз), чем на частоте 50Гц, и ощущения сводятся в основном к жжению.

С пороговой величиной ощутимого тока связано такое важное понятие техники электробезопасности как допустимый ток утечки аппаратуры. Величина тока утечки должна устанавливаться из расчета на практически полную безопасность для человека, через тело которого он может протекать длительное время. Между тем при неблагоприятных обстоятельствах даже начальное раздражение под действием электрического тока, неприятное само по себе, может вызвать в результате испуга неожиданной реакции вторичные эффекты, имеющие опасные последствия.

1.2 Допустимая величина тока утечки

С точки зрения максимальной безопасности при установлении допустимых величин тока утечки следовало бы ориентироваться на величины, полученные при касании концами пальцев, с учётом минимальных величин, полученных для 0,5% обследуемых, а также повышенной чувствительности детей. В результате такого подхода ток утечки не должен был бы превышать 0,1мА. Однако с учетом экономической и технической сторон вопроса в качестве допустимой величины тока утечки в стандартах большинства стран принят ток 0,5мА.

Пороговое ощущение - первая реакция организма на действие электрического тока. Что же происходит, если ток превышает эту пороговую величину?

1.3 Действие тока, превышающего пороговую величину

При токе 3-5мА, частотой 50Гц, проходящем через электрод, который держит в руке человек, раздражающее действие ощущается уже кистью руки, при токе 8-10мА мышцы всей руки непроизвольно сокращаются, возникает чувство сильной боли. Поскольку сгибательные мышцы руки мощнее разгибательных, то рука в суставах сгибается, и человек при дальнейшем увеличении тока не может ее разжать и самостоятельно освободиться от зажатого проводника. Соответствующая минимальная величина тока называется порогом не отпускающего тока. Этот параметр представляет большой интерес с точки зрения электробезопасности, так как является своего рода пределом, с превышением которого опасность тяжёлого исхода поражения резко возрастает.

Непроизвольные сокращения (судороги) могут возникать не только в мышцах руки. При токе 25-50мА. Частотой 50Гц, протекающем через туловище (рука - рука, рука - нога), возникает титаническое сокращение дыхательных мышц грудной клетки, в результате чего затрудняется или полностью прекращается дыхание. Если цепь тока в результате посторонней помощи или судорожных движений потерпевшего не разрывается, то примерно через 1 мин. он теряет сознание, а через 3 -4 мин. возможна смерть от удушья.

Наиболее опасно возникновение фибрилляции желудочков сердца, при которой отдельные мышечные волокна теряют централизованное управление и начинают хаотически сокращаться (фибриллировать). В результате нарушается строго координированная работа различных участков сердца, что сразу приводит к нарушению его насосной функции и прекращению кровообращения.

Особая опасность фибрилляции заключается в том, что, возникнув, она практически никогда не прекращается без внешнего воздействия. Оставленный без помощи, пораженный током погибает в течение нескольких минут в результате необратимых изменений, происходящих раньше всего в лишенном кислорода головном мозге.

Установление минимальных величин тока, не вызывающего фибрилляцию желудочков при различных длительностях его действия, имеет большое практическое значение. Исходя из этих данных, должны рассчитываться и проектироваться автоматические выключатели, отключающие устройства, реагирующие на величину тока утечки, и некоторые другие защитные устройства. Рассмотрев имеющиеся экспериментальные данные, секция электробезопасности центрального правления Научно-технического общества электротехнической промышленности приняла ток 65мА в качестве допустимой величины при односекундном воздействии тока частотой 50Гц. Величины тока при других длительностях составляют:

- Время воздействия, с 0,2 0,5 0,7 1,0 более 1 до 30.

- Ток, мА 250, 100, 75, 65, 6.

- Приведенные величины служат основой для расчетов различных защитных мероприятий.

При токах, значительно превышающих пороги фибрилляции желудочков сердца, возможны другие смертельно опасные нарушения в организме. К ним относятся остановка сердца, паралич дыхательного центра, глубокие повреждения нервной системы, ожоги. Указанные поражения, как правило, происходят, при напряжениях выше 1000В. Применительно к медицинской технике это означает, что источником такого поражающего тока могут быть только высоковольтные вторичные цепи аппаратуры.

При определении зависимости порога фибрилляционного тока от частоты в диапазоне 30-350Гц при непосредственном воздействии на сердце было показано, что на частотах выше 100Гц пороги резко возрастают. Минимальные величины, так же как и в случае ощутимых или не отпускающих токов, соответствуют промышленной частоте (50-60Гц).

1.4 Общее электрическое сопротивление тела

Общее электрическое сопротивление тела между двумя электродами можно представить в виде двух частей, существенно отличающихся по величине друг от друга. Это - сопротивление кожи под каждым из электродов и сопротивление внутренних тканей и органов.

Сопротивление кожи значительно превосходит сопротивление других тканей. Это объясняется наличием на поверхности ее внешнего слоя (эпидермиса) ороговевших клеток. Омертвевшие, обезвоженные клетки рогового слоя имеют удельное сопротивление 1МОм-10М. Ом. Сопротивление определенного участка кожи зависит от толщины рогового слоя, которая, например, на ладонях составляет от 0,1 до 1,5, а на спине не превышает 0,04мм. Соответственно сопротивление 1смІ кожи находится в пределах от десятков до сотен килом.

Кожа является естественной защитой организма от поражения электрическим током. Однако сопротивление наружного рогового слоя зависит от многих причин и зачастую падает значительно, нижеуказанных величин. Особенно сильно сказывается на изолирующих свойствах кожи влажность.

Для одного из наиболее распространенных при поражениях путей тока ладонь - ступня в результате многочисленных измерений на трупах и на добровольцах установлено, что величина сопротивления внутренних тканей незначительно отличается от 1000Ом. Эта величина и принята в большинстве случаев для расчетов.

2. Защита от прикосновения к находящимся под напряжением частям

2.1 Основные требования, предъявляемые к электробезопасности аппаратуры

2.1.1 Недоступность для прикосновения находящихся под напряжением частей

Основным требованием, предъявляемым к электробезопасности аппаратуры, является недоступность для прикосновения находящихся под напряжением частей. Это требование универсально, оно предъявляется ко всем видам электрических устройств и должно выполняться практически независимо от величины напряжения, под которым находится какая-либо часть аппарата.

Для электронных измерительных приборов (ГОСТ 9763-67) от прикосновения должны быть защищены части, находящиеся под напряжением выше 36В. Для электромедицинской аппаратуры, согласно отраслевой нормали на электробезопасность, а также стандарту ГДР (TGL 200-1703), предельная величина напряжения составляет 24В.

Основной способ защиты от прикосновения - применение корпусов, крышек, щитков и других конструктивных элементов, исключающих доступ к токоведущим частям.

2.1.2 Изоляция

Изоляция, отделяющая находящиеся под напряжением части друг от друга и от ограждающих металлических частей, называется основной, или рабочей.

К рабочей изоляции предъявляются достаточно высокие требования. Ее сопротивление после испытаний, на влагоустойчивость не должно быть менее 2 МОм.

Наиболее распространенным примером полной защиты с помощью рабочей изоляции являются изолированные провода, шнуры.

2.1.3 Испытательный шарнирный палец

В медицинских аппаратах полную защиту от прикосновения, как правило, обеспечить не удается, поэтому применяется защита от случайного прикосновения. Такую защиту обеспечивает корпус с крышками или стенками, которые могут быть сняты только с помощью инструмента, например, гаечного ключа, отвертки.

Опираясь на прибор, при проведении процедуры либо передвигая его с места на место, врач или медицинская сестра могут случайно вставить пальцы руки в отверстия корпуса аппарата. Не исключена такая вероятность и для пациента. При таком ненамеренном действии должна быть обеспечена электробезопасность, т.е. исключено касание токоведущих частей. Проверка выполнения этого требования производится с помощью специального испытательного шарнирного пальца.

Контроль касания пальца с частями, находящимися под напряжением, производится с помощью лампы накаливания, питаемой от источника постоянного или переменного тока напряжением не ниже 40В.

После того, как с аппарата сняты без помощи инструмента все крышки, щитки, сменные части, испытательный палец вводят во все отверстия в корпусе аппарата, во все наружные гнезда. Палец, который при этом изгибается в различных направлениях, не должен касаться открытых находящихся под напряжением частей, не имеющих изоляции, а также покрытых только лаком, краской, оксидной пленкой и т.п.

При испытаниях аппарат устанавливают во всех возможных положениях. Исключение делают для напольных аппаратов массой более 40кг, которые не переворачиваются, а также для настенной и потолочной аппаратуры, которую испытывают, закрепив на стене или потолке.

2.2 Особенность электромедицинской аппаратуры

Особенностью электромедицинской аппаратуры является наличие у отдельных ее видов, так называемой рабочей части - электродов, излучателей, датчиков и т.п. С помощью рабочей части низкочастотных электролечебных аппаратов осуществляется воздействие на пациента постоянным или низкочастотным токами. При этом рабочая часть - электроды находятся в непосредственном контакте с телом пациента и естественно не могут быть защищены от прикосновения, в то же время напряжение на них может превышать 24В. Безопасность пациента и медицинского персонала обеспечивается в этом случае строгим выполнением всех правил проведения процедуры, подробно указанных в инструкции по эксплуатации аппарата.

При конструировании рабочей части следует стремиться, чтобы кроме необходимых для проведения процедуры неизолированных электродов, не было других незащищенных находящихся под напряжением частей. Это относится, прежде всего, к выходным гнездам аппарата и к штепсельным разъемам в проводах, соединяющих электроды с аппаратом.

Часть разъема, расположенная ближе к аппарату, т.е. к источнику напряжения, должна быть выполнена в виде гнезд, а часть, относящаяся к электродам, - в виде штифтов.

Значительную опасность могут представлять находящиеся в аппарате заряженные конденсаторы. После отключения аппарата от сети конденсаторы. После отключения аппарата от сети конденсаторы обычно быстро разряжаются через элементы схемы, имеющие активную проводимость, - резисторы, обмотки трансформатора и др. В ряде случаев, однако, таких элементов может и не быть и разряд происходит только через изоляцию самого конденсатора и соединенных с ним проводов и деталей. При этом разряд может длиться достаточно долго. Так, например, бумажный конденсатор фильтра высоковольтного выпрямителя емкостью 1 мкФ после отключения от выпрямителя нагрузки и выключения аппарата будет разряжаться через сопротивление утечки конденсатора, составляющее не менее 500МОм. Постоянная времени разряда при этом будет равна 500с. Таким образом, если напряжение на конденсаторе в рабочем режиме составляло 1кВ, то через 500с оно уменьшится только до 370В и прикосновение к выводам конденсатора еще очень опасно. Только через 31 мин. напряжение на конденсаторе упадет до 24В.

В случаях подобных приведенному, необходимо шунтировать конденсатор резистором, обеспечивающим достаточную скорость разряда.

Для проверки правильности выбора шунтирующей цепи должно проводиться измерение остаточного напряжения на конденсаторах. С этой целью, находящийся в рабочем режиме аппарат отключают от сети и непосредственно после этого снимают крышки, стенки и другие части, защищающие от прикосновения заряженные конденсаторы. Напряжение на них, измеренное вольтметром с достаточно большим входным сопротивлением не должно превышать 24В.

При этих испытаниях необходимо выполнить следующие условия: дверцы, щитки и другие части, снимаемые без инструмента, следует предварительно снять или открыть; вольтметр, если его подключение требует значительного времени, подключают заранее; инструмент для снятия крышек, стенок должен быть стандартным, обычно применяемым для этой цели.

В аппаратах с частями, находящимися под напряжением более 1000В, делают две предупреждающие надписи: одну на корпусе (обычно на задней стенке) - «перед снятием корпуса отсоедините аппарат от сети», другую внутри аппарата около находящихся под высоким напряжением частей - знак высокого напряжения.

Одним из ответственных узлов электромедицинской аппаратуры является держатель предохранителя, выполняющий иногда и функции переключателя напряжения питания.

Чтобы исключить возможность случайного прикосновения к указанным частям, иногда закрывают держатель привинченной к корпусу аппарата крышкой. Применение инструмента для смены сетевого предохранителя затрудняет эксплуатацию аппаратуры, особенно переносной.

Для переносных аппаратов со съемным сетевым шнуром оправдала себя конструкция блокировочной шторки, закрывающей доступ к держателю предохранителя. Шторку можно сдвинуть только после отсоединения розетки сетевого шнура от приборной вилки на аппарате. После этого естественно опасности при смене предохранителя не возникает.

3. Ток утечки

3.1 ЭДС источника

Практически невозможно выполнить изоляцию таким образом, чтобы она представляла бесконечно большое сопротивление для переменного тока. Поэтому при прикосновении к доступным частям аппаратуры через тело человека пройдет небольшой ток, называемый током утечки.

Величина тока утечки определяется электродвижущей силой (ЭДС) источника (напряжение сети), его внутренним сопро тивлением (полное сопротивление изоляции сетевой цепи), а также сопротивлением нагрузки Rч (тело человека). Активная составляющая тока утечки зависит в основном от сопротивления изоляции Rут постоянному току, реактивная составляющая - от величины емкости Сут между токоведущими частями и корпусом.

Источник тока утечки имеет большое внутреннее сопротивление (единицы и десятки мегаом), т.е. является генератором тока. Нагрузки, обычно имеющиеся в цепи тока утечки, мало влияют на его величину, поскольку сопротивление тела человека (единицы килоом) много меньше внутреннего сопротивления источника. В тоже время напряжение между корпусом аппарата и землей в большей степени зависит от величины нагрузки. Покажем это на следующем примере. Неназемленный корпус аппарата надежно изолирован от сетевой цепи и прикосновение к нему совершенно безопасно. Однако если между корпусом и землей включить вольтметр с достаточно высокоомным входом, то его показания будут значительно превышать допустимую величину (24В). Так, приняв сопротивление утечки между сетевой цепью аппарата и корпусом равным 30МОм, а входное сопротивление лампового вольтметра 10Мом.

Это кажущееся противоречие объясняется соизмеримостью внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления вольтметра, в результате чего измеряется величина, близко к ЭКС источника, т.е. сетевому напряжению. Если в приведенном выше случае корпус аппарата соединить с землей через резистор сопротивлением 1000Ом, то напряжение на нем составит 7,3мВ. Это означает, что ток утечки аппарата на корпусе равен 7,3мкА, т.е. значительно меньше допустимой величины. Отсюда ясно, что опасность должна оцениваться измерением не на холостом ходу, а под реальной нагрузкой. В качестве усредненной величины эквивалентного сопротивления тела человека, через которое замыкается цепь тока утечки, принимается, как уже указывалось, 1000Ом.

3.2 Ток утечки на пациента

Ток утечки на пациента имеет место, если цепь пациента изолирована от корпуса. Величина тока утечки определяется сопротивлением изоляции и емкостью между сетевой цепью и цепью пациента. Если цепь пациента соединена с корпусом, то выделить ток утечки на пациента из общей величины тока не представляется возможным.

Величина тока утечки в значительной степени определяет уровень безопасности при эксплуатации аппаратуры, поэтому его нормирование и измерение являются одним из основных условий, обеспечивающих электробезопасность пациента и медицинского персонала. При установлении допустимых величин тока утечки, а также стандартных методов его измерения приходится учитывать много различных факторов и обстоятельств. Прежде всего, должен гарантироваться основной принцип обеспечения электробезопасности. Этот принцип заключается в том, что при отказе одного из средств защиты от поражения электрическим током либо при какой-нибудь другой первой неисправности в аппарате не должна возникать непосредственная опасность для человека.

3.3 Допустимые величины тока утечки на корпус

Допустимые величины тока утечки на корпус и, особенно на пациента должны зависеть и от условий применения аппарата, степени его связи с пациентом. У аппаратов, не предназначенных, для контакта с пациентом они могут быть больше, чем у аппаратов, непосредственно соединенных с телом пациента. Для того чтобы учесть эту разницу, в проект Рекомендация МЭК введено деление электромедицинской аппаратуры на три типа: Н, В, С. К типу Н относится аппаратура, не имеющая рабочей части и во время эксплуатации не приходящая в соприкосновение с больным. Аппаратура типа В имеет рабочую часть и контактирует (намеренно или случайно) с телом пациента. Аппаратура, относящаяся к типу С, применяется при внутрисердечных вмешательствах, т.е. ее рабочая часть может соединяться непосредственно с сердца пациента.

Каковы допустимые величины тока утечки на корпус? В соответствии с проектом Рекомендации МЭК для аппаратов типа Н и В при единичном нарушении ток утечки не должен превышать 0,5мА. Для аппаратов без защитного заземления (класс II) в нормальных условиях наибольшая величина тока утечки составляет 0,25мА для типа Н и 0,1мА для типа В.

Учитывая особую опасность тока утечки аппаратов типа С, его величина при единичном нарушении не должна превышать 0,1мА. В нормальных условиях (класс II) предельная величина равна 0,01мА.

У стационарных аппаратов с постоянным подключением к питающей сети провод защитного заземления защищен от механических воздействий и имеет поэтому, как уже указывалось, повышенную надежность. В связи с этим для стационарных аппаратов типа Н, т.е. не имеющих рабочей части может быть допущен ток утечки на корпус 5мА.

Измерение тока утечки на пациента возможно и при наличии провода защитного заземления, поэтому допустимая величина этого тока в нормальных условиях для аппаратов всех классов, а также аппаратов с автономным питанием составляет 0,1мА для типа В и 0,01мА для типа С. При единичном нарушении (обрыв заземляющего провода, однополюсное отключение сети) допустимая величина тока утечки на пациента увеличивается для аппаратов типа В до 0,5мА и для аппаратов типа С - до 0,05мА.

Если частота тока превышает 50Гц, то предельная величина тока утечки должна быть изменена в соответствии с зависимостью физиологического действия тока от частоты. При частоте более 1кГц предельная величина увеличивается во столько раз, сколько килогерц составляет частота действующего тока. При этом максимальная величина тока не должна превышать 500мА.

Действие на человека тока, имеющего форму, отличную от синусоидальной, изучена недостаточно. Однако с определенным приближением принято в качестве исходного параметра принимать амплитуду тока. При этом за допустимую берется величина, в 1,5 раза превышающая эффективное значение, принятое для синусоидального тока.

3.4 Измерение тока утечки

Измерение тока утечки - одно из наиболее сложных испытаний электробезопасности электромедицинской аппаратуры.

Вследствие несимметричного расположения относительно сердечника начала и конца сетевой обмотки силового трансформатора, а также различной длины и расположения в аппарате сетевых проводов эквивалентные емкости между этими проводами и корпусом могут существенно различаться. Поэтому измерения производятся при подключении прибора поочередно к каждому из сетевых проводов и за величину тока утечки принимают наибольшую измеренную величину.

Если измерительный прибор подключен к фазному проводу, то измеряемый ток:

I = I ут + Iс,

причем ток Iут через полное сопротивление утечки Zут и ток через емкость Iс могут иметь величину одного порядка. Погрешность измерений в этом случае велика.

Если же измерительный прибор подключен к проводу сети, находящемуся под потенциалом земли, то измеряемый ток:

I = Iут - Iс.

При этом погрешность измерений исчезающее мала, так как ток через емкость корпуса относительно земли Iо значительно меньше, чем Iут, поскольку потенциал корпуса, соединенного с землей через малое сопротивление прибора, близок к нулю.

Таким образом, чтобы исключить погрешность измерений, необходимо, чтобы измерительный прибор всегда был под нулевым потенциалом. Для выявления возможной разницы между емкостями утечки с каждого из проводов сетевой цепи измерения должны производиться при перемене полярности сетевых проводов аппарата относительно полюсов сетевой цепи.

Безопасность измеряющего ток утечки наиболее простым способом может быть обеспечена с помощью разделительного трансформатора с заземленной вторичной обмоткой.

Чтобы автоматически скомпенсировать при измерениях разницу в нормах на составляющие различных частот, параллельно измерительному прибору должен быть подключен конденсатор емкостью 0,15мкФ. Внутреннее сопротивление прибора должно составлять 1000Ом + 1%. Обеспечить с такой точностью эту величину трудно даже при условии применения добавочного резистора, поэтому рекомендуется применять милливольтметр с входным сопротивлением не менее 100кОм, шунтированным резистором 1000Ом + 1%

Таким образом, полная схема измерения тока утечки на корпус, в основном соответствующая проекту Рекомендаций МЭК.

4. Пути тока утечки и воздушные зазоры

Практика показывает, что загрязнение поверхности изоляции, покрытие ее пылью, грязью, влагой, обладающими хорошей проводимостью, является наиболее частой причиной пробоев либо недопустимого увеличения тока утечки и воздушных зазоров определяются в основном приложенным напряжением, материалом изоляции и защитой от загрязнения.

Расчетные величины воздушных зазоров и особенно путей тока утечки могут значительно отличаться от их геометрических размеров. Исходное соображение при этом заключается в том, что участки, подверженные загрязнению (узкие щели, канавки, углы около выступов и т.п.), исключаются из рассмотрения. Таким образом, обеспечивается необходимая гарантия того, что в результате скопления пыли, грязи пути тока утечки не станут в процессе длительной эксплуатации меньше допустимых величин. По этим же причинам при суммировании отдельных участков путей тока утечки или воздушных зазоров, разделенных не находящимися под напряжением металлическими частями, участки меньше 1 мм в расчет не принимаются.

5. Возникновение напряжения прикосновения при пробое на незащищенный корпус

В процессе эксплуатации под влиянием процессов старения, механических, тепловых и других воздействий изоляционные качества материалов, применяемых для выполнения рабочей изоляции, ухудшаются. Неправильная эксплуатация аппаратуры, проникновение в аппарат влаги, грязи, действие масла, кислорода, озона ускоряют износ изоляции.

В случае возникшего замыкания между сетевой цепью и корпусом аппарата говорят о «пробое на корпусе. При пробое на незащищенный корпус на нем возникает напряжение относительно земли, величина которого в сетях с заземленной нейтралью равна фазному. Человек, касающийся такого корпуса, оказывается включенным в цепь замыкания. Падение напряжения на сопротивлении тела человека Uнп, называемое напряжением прикосновения, зависит от многих причин, главным образом от изоляции человека от земли соединенных с ней предметов. Так, если человек стоит на полу с хорошими изолирующими свойствами или имеет сухую обувь с резиновой подошвой, то напряжение прикосновения составит только малую часть от напряжения на корпусе относительно земли. При расчете напряжения прикосновения основное значение имеет сопротивление пола Rп. Сопротивление обуви, которая может иметь сырую кожаную подошву либо гвозди в подошве, как правило, не учитывается.

Сопротивление пола как части электрической цепи определяется сопротивлением растеканию тока со ступней человека. Сопротивление растеканию тока зависит от удельного сопротивления пола и площади контакта, равного площади двух ступней (около 500кв. см). Расчетная величина сопротивления пола в цепи замыкания может быть приблизительно оценена как 1,5 раза, Ом, где р - удельное сопротивление верхнего слоя пола, Ом м. Как показывают измерения, величина сопротивления полов колеблется в весьма широких пределах. При этом большое значение имеет состояние поверхности пола, главным образом его увлажнение.

В зависимости от способа дополнительной защиты от поражения током питающей сети аппаратура делится на 4 класса: классы OI и I - защитное заземление (зануление); класс II - защитная изоляция; класс III - питание от источника низкого напряжения.

Использование в медицинских учреждениях аппаратуры класса О, т.е. не имеющей дополнительной защиты от поражения электрическим током, запрещено.

6. Аппараты классов OI-I

6.1 Защитное заземление

Защитное заземление - старейшая мера защиты от напряжений, возникающих на доступных металлических частях аппаратуры в случае соединения с ними сетевой цепи. Такое соединение может возникнуть в результате нарушения рабочей изоляции (пробой на корпус), при каких-либо поломках деталей, обрывах проводов и других аварийных обстоятельствах.

Идея защитного заземления чрезвычайно проста. В результате соединения с сетевым проводом доступные части оказываются под напряжением относительно земли, с которой источник сетевого напряжения соединен непосредственно либо через сопротивление изоляции и распределенную емкость сетевых проводов. Чтобы уменьшить напряжение, под действием которого может оказаться человек, коснувшись таких доступных металлических частей (корпус аппарата), они соединяются с помощью специального низкоомного заземляющего устройства с землей.

Недостаток защитного заземления заключается в том, что при замыкании на заземленный корпус одной из фаз в сети с изолированной нейтралью срабатывания предохранителей или автоматических выключателей, как правило, не происходит. Если своевременно не обнаружить дефект изоляции и не устранить его, то опасность поражения может резко возрасти при двойном пробое, т.е. при пробое другой фазы на корпус второго аппарата. В этом случае между корпусами аппаратов будет действовать линейное напряжение сети.

6.2 Защитное зануление

При защитном занулении корпуса защищаемых аппаратов соединяют зануляющими проводниками с нулевым проводом сети. При пробое на защищенный корпус в сети возникает однофазное короткое замыкание, ток которого превышает рабочий ток предохранительных устройств, что и обеспечивает их быстрое срабатывание.

Защитное зануление, несмотря на ряд недостатков, связанных, в частности, с возможностью обрыва нулевого провода, достаточно надежный способ защиты. В медицинских учреждениях и в жилых зданиях защитное зануление применяется в подавляющем большинстве случаев.

Один из существенных недостатков общепринятого способа защитного зануления связан с протеканием по нулевому проводу рабочего тока подключенных к нему нагрузок. Падение напряжения на сопротивлении нулевого провода за счет указанных токов может превышать 10В. Такое напряжение во многих случаях может быть опасным для больного. В связи с этим стандартами ряда стран предусмотрено применение пятого, защитного, провода, соединенного с нейтралью трансформатора либо с нулевым проводом у входа в здание. С помощью защитных проводников доступные металлические части аппаратов соединяются с этим проводом.

Через защитный провод протекают только токи утечки аппаратуры, не создающие заметного падения напряжения на его сопротивлении, а падение напряжения на нулевом проводе не сказывается на потенциале защищаемых частей. Применение отдельного защитного провода позволяет также исключить опасность появления напряжений на доступных частях при обрыве нулевого провода. Международная электротехническая комиссия в проекте Рекомендации предусматривает пяти проводную систему во всех помещениях медицинского учреждения.

6.3 Отличие аппаратов классов OI и I

Аппараты, защита от напряжений прикосновения, на доступных металлических частях которых осуществляется с помощью защитного заземления или зануления, относятся к классу OI и I. Различие между этими двумя классами защиты заключается в способе присоединения аппаратов, имеющих штепсельное соединение с питающей сетью, к системе защитного заземления или зануления.

Заземление (зануление) доступных для прикосновения металлических частей аппаратов класса OI производится независимо от подключения питающей сети. Клемма для подключения защитного провода, идущего от аппарата, не связана с сетевой розеткой, и защитный провод должен быть присоединен к ней до включения вилки сетевого шнура в розетку.

У аппаратов класса I заземление (зануление) доступных металлических частей осуществляется автоматически при включении вилки сетевого шнура в сетевую розетку.

6.4 Недостатки аппаратов класса OI и I

В отличие от аппаратов класса I безопасность при использовании аппаратов класса OI зависит от обученности, внимательности, наконец, добросовестности медицинского персонала. До включения аппарата в сеть заземляющий провод должен быть подключен, однако если это по каким-либо причинам не будет сделано, то ничто не помешает включить аппарат в сеть и провести лечебную, либо диагностическую процедуру. Таким образом, аппарат класса OI по небрежности медицинского персонала либо из-за отсутствия условий для его заземления или зануления может оказаться без дополнительной защиты и при первом нарушении изоляции - пробое на корпус - явиться причиной поражения электрическим током.

Указанный недостаток аппаратов класса OI настолько серьезен, что в стандартах многих промышленно развитых стран их применение в медицинских учреждениях запрещено.

Все аппараты с постоянным присоединением к сети относятся к классу I, поскольку присоединение производится однажды при их монтаже специально обученным техническим персоналом. Защитный провод может быть введен в такой аппарат вместе с фазными проводами, в этом случае он присоединяется к внутреннему зажиму, располагаемому около присоединительных сетевых клемм.

У аппаратов класса I, подключаемых к сети с помощью штепсельного соединения, защитный провод проходит в общей оболочке с токоведущими проводами в гибком сетевом шнуре или кабеле и присоединяется к внутреннему зажиму. Сетевая вилка имеет защитный контакт, соединенный с защитным проводом. Соответственно защитный контакт сетевой розетки соединен с нулевым проводом или шиной защитного заземления. Если сетевой шнур или кабель съемный, то приборная вилка также имеет защитный контакт, соединенный с внутренним зажимом. Сетевой шнур в этом случае оканчивается кабельной розеткой с защитным контактом.

Согласно международным правилам, а также ГОСТ 7399-71 на сетевые шнуры, цвет изоляции заземляющего провода, проходящего в общей оболочке с токоведущими проводами, должен быть желто-зеленым (чередующиеся полосы желтого и зеленого цвета).

Недостатки аппаратов класса OI или I связаны в основном с трудностями обеспечения надежного соединения доступных для прикосновения частей с контуром заземления или нулевым проводом. Особенно остро стоит эта проблема при использовании аппарата вне медицинского учреждения, например на дому у больного. Отсутствие в жилых домах розеток с заземляющими контактами ставит перед медицинским персоналом сложную задачу заземления аппарата. В этих условиях преимущества аппаратов класса II или III неоспоримы.

Весьма частой причиной поражения током при использовании аппаратов класса I являются неправильный монтаж сетевой вилки или розетки, а также их механические повреждения. Перепутывание в розетке заземляющего провода с токоведущим чрезвычайно опасно, так как корпус аппарата оказывается при этом под фазным напряжением. К появлению фазного напряжения на корпусе аппарата приводят также обрыв заземляющего провода в сетевом шнуре и касание его с токоведущими проводами. В этом случае опасность поражения током еще больше, так как аппарат функционирует нормально и нарушение сразу не обнаруживается.

Повреждение сетевого шнура, вилки и розетки - наиболее часто встречающиеся виды неисправности.

7. Аппараты класса II

7.1 Защитная изоляция

Защитная изоляция является одним из наиболее надежных и перспективных методов защиты от напряжения прикосновения. Сущность этого метода заключается в том, что дополнительно к рабочей изоляции в аппарате применяется в той или иной форме защитная изоляция, исключающая возможность появления напряжений прикосновения на доступных металлических частях. Защитная изоляция является дополнительной к рабочей изоляции и в случае ее нарушения защищает доступные для прикосновения, нормально не находящиеся под напряжением части от возникновения на них напряжения прикосновения. Защитная изоляция полностью исключает возможность появления напряжения прикосновения.

7.2 Преимущество аппаратов классов II

Аппараты, имеющие защитную изоляцию, наиболее удобны и просты в эксплуатации. С медицинского и технического персонала снимается ответственность и какая-либо забота о защитном заземлении аппарата. Сетевая вилка аппарата класса II может быть вставлена в любую по конструкции сетевую розетку и аппарат готов к работе.

Наиболее надежной формой выполнения защитной изоляции является изолирующая оболочка. Такая оболочка защищает как от прикосновения к находящимся под напряжениям частям, так и от прикосновения ко всем металлическим частям, которые могут оказаться под напряжением при нарушении рабочей изоляции. Обычно оболочка выполняется в виде закрытого корпуса из изоляционного материала, внутри которого металлическом шасси монтируется электрическая часть аппарата.

Основным условием правильного функционирования защитной изоляции в виде изолирующей оболочки является ее непрерывность. Под непрерывностью оболочки следует понимать, во-первых, невозможность случайного прикосновения через отверстия в оболочке к металлическим как токоведущим, так и нетоковедущим частям, а во-вторых, надежную изоляцию ручек, кнопок и других органов управления, имеющих проходящие через оболочку оси.

7.3 Промежуточная изоляция

Другой формой выполнения защитной изоляции является промежуточная изоляция. Она отделяет все доступные для прикосновения металлические части от частей, которые могут оказаться под напряжением при нарушении рабочей изоляции.

Всегда следует помнить, что аппарат класса II с металлическим корпусом не имеет других средств дополнительной защиты, кроме промежуточной изоляции. Случайное прикосновение оторвавшегося от паяного соединения конца сетевого провода к какой-либо детали, соединенной с корпусом, или к самому корпусу приведет к появлению на нем опасного для жизни напряжения прикосновения.

Электрическое сопротивление дополнительной изоляции после испытания на влагопрочность должно быть не менее 5МОм.

Во многих случаях, однако, невозможно так расположить рабочую и защитную изоляцию, чтобы между ними находилась какая-либо металлическая часть или чтобы эту металлическую часть при проведении испытаний можно было поместить между рабочей и защитной изоляциями. Совокупность рабочей и защитной изоляций, не отделенных друг от друга, образует так называемую усиленную изоляцию.

7.4 Усиленная изоляция

Усиленная изоляция может быть монолитной, т.е. изготавливаемой за один технологический цикл, например пластмассовый держатель предохранителя. Такую изоляцию, даже разрушив, нельзя разделить на ее составляющие.

Усиленная изоляция, может состоять из рабочей и дополнительной изоляций, не разделенных металлической частью. Такую конструкцию усиленной изоляции может иметь, например, изоляция сетевого шнура. Каждая из жил шнура имеет собственную рабочую изоляцию. Общая оболочка, плотно прилегающая к изоляции жил, является дополнительной изоляцией.

Электрическое сопротивление усиленной изоляции также должно быть равно сумме сопротивлений рабочей и защитной изоляции, т.е. должно составлять не менее 7МОм.

Одной из областей, где применение аппаратов класса II дает существенные преимущества по сравнению с аппаратами, использующими защитный провод, является комплексное наблюдение за больным в операционной или палате интенсивного ухода.

Отсутствие дополнительных средств (защитного провода), уменьшающих величину тока утечки в нормальных условиях, ограничивает возможность применения аппаратов класса II при проведении исследований и терапевтических (хирургических) процедур, связанных с непосредственным контактом с сердцем (катетеризация, электрокардиостимуляция сердца). Это объясняется опасностью использования в этих случаях аппаратуры с током утечки более 10мкА.

8. Аппараты класса III

8.1 Питание от источника низкого

Использование для питания аппаратуры низкого напряжения (не более 24В постоянного или переменного тока) - одно из наиболее эффективных средств защиты от напряжений прикосновения на доступных металлических частях. Хотя напряжение 24В при отягчающих обстоятельствах и может представить опасность для организма, как правило, если исключить возможность микро шока, его можно условно считать «безопасным». Если в аппарате, который питается напряжением 24В и не имеет других цепей с напряжением, превышающим 24В, произошло, нарушение рабочей изоляции и питающий провод оказался соединенным с доступными для прикосновения частями, то серьезной опасности не возникает. Помимо величины напряжения, большое значение имеет и то, что провода источника низкого напряжения в отличие от проводов обычной сети надежно изолированы от земли и сопротивление этой изоляции ограничивает ток в цепи замыкания.

Смысл понятия «низкое напряжение» с точки зрения электробезопасности не ограничивается величиной напряжения между питающими проводами. Если, например, с помощью автотрансформатора, подключенного к сети, получить 24В, то это не будет низким напряжением, обеспечивающим электробезопасность.

Если низкое напряжение получается путем преобразования сетевого напряжения, то это должно осуществляться с помощью понижающего трансформатора с разделенными обмотками. Электрическая прочность испытывается напряжением 4кВ, а сопротивление изоляции должно составлять не менее 7МОм. Наиболее надежна конструкция трансформатора с пространственным разделением обмоток, т.е. размещение их на двух каркасах либо на общем каркасе с перегородкой. Каркас с перегородкой должен быть литым либо прессованным.

Разнесение первичной и вторичной обмоток вызывает увеличение потоков рассеяния и как следствие большую разницу между напряжением вторичной обмотки на холостом ходу и под нагрузкой. Если эта разница превышает допустимую величину, то приходится применять обычное расположение обмоток (одна над другой) на общем каркасе. Трансформатор должен быть подвергнут вакуумной пропитке.

Серьезной проблемой при конструировании понижающего разделительного трансформатора является обеспечение минимально необходимых путей тока утечки и воздушных зазоров. Между первичной и вторичной обмотками путь тока утечки должен составлять не менее 8мм.

Потери полезного объема катушки могут быть значительно уменьшены, если ее пропитывают под вакуумом эпоксидным компаундом. В этом случае, компаунд заполняет все воздушные промежутки, прочно скрепляется с проводом и изоляцией, исключая тем самым пути утечки и воздушные зазоры.

8.2 Трансформатор для питания аппаратов класса III

Тщательно следует защищать трансформатор от перегрузок, которые могут привести к постепенному ухудшению его изоляции. Наиболее надежны трансформаторы, у которых сечение проводов и потоки рассеяния выбраны так, что при замыкании накоротко его выходных клемм ток в обмотках и соответственно температура их перегрева не превышают допустимых величин. Для такой аварийной ситуации допустимые величины перегрева обычно увеличиваются по сравнению с нормой в 1,7 раза.

Трансформатор для питания аппаратов класса III представляет собой самостоятельное изделие и как таковое должен удовлетворять всем требованиям электробезопасности, в частности, должен быть выполнен по классам OI, I или II.

Как правило, эти трансформаторы имеют малую мощность и выполняются в виде переносных конструкций. Поэтому наиболее целесообразно выполнять их по классу II в корпусе из изоляционного материала.

Питание аппарата класса III может производиться не только от разделительного понижающего трансформатора, но и другим способом, например, от внешних аккумуляторов или гальванических элементов. Возможно также использование мотор - генератора или умформера с разделенными обмотками. Во всех случаях вторичная электрическая цепь должна быть надежно изолирована от цепей с напряжениями более 24В двойной или усиленной изоляцией.

8.3 Преимущества аппаратов класса III перед аппаратами других классов

Аппараты класса III имеют некоторые преимущества перед аппаратами других классов. Они не требуют защитного заземления, что представляет удобства при эксплуатации вне медицинского учреждения.

Электрическая прочность изоляции между всеми цепями должна выдерживать испытание напряжением 500В, что значительно упрощает конструкцию аппаратов.

Экран между обмотками разделительного понижающего трансформатора уменьшает влияние высокочастотных помех, а также действие высокочастотных составляющих напряжения сети, что существенно для измерительной диагностической, а также низкочастотной лечебной аппаратуры.

Заключение

Электромедицинская аппаратура эксплуатируется, как правило, в течение многих лет до выхода ее из строя либо полного физического износа. Естественно, что со временем надежность отдельных узлов и деталей, в том числе влияющих на электробезопасность, снижается. Изоляционные материалы органического происхождения теряют свои первоначальные свойства, становятся хрупкими, ломкими, покрываются трещинами, их электрическое сопротивление и электрическая прочность снижаются. Стареют и могут постепенно выходить из строя элементы автоматики, схемы защиты, ослабевает крепление деталей и узлов; пыль и грязь, проникая в аппарат, уменьшает пути тока утечки и воздушные зазоры - иначе говоря, уровень электробезопасности аппаратуры снижается. Аналогичные процессы происходят и в электрооборудовании помещений, где аппаратура эксплуатируется.

Из сказанного ясно, что совершенно необходимы периодический контроль и проверка как аппаратуры, так и электрооборудования. За исключением физиотерапевтических, рентгеновских и радиологических аппаратов, проверка которых производится в соответствии с утвержденными правилами, остальные виды аппаратов контролируются и испытываются от случая к случаю, в основном в связи с возникающими нарушениями и отказами в работе. При этом теряется предупредительный смысл контроля и тем самым снижается его эффективность.