Wstęp
Zgodnie z badaniem przeprowadzonym przez Publiczną Bibliotekę Naukową awarie zasilania w szpitalach mają wpływ na zdrowie na różnych poziomach, od utrudniania dostępu do opieki do kwestii utrzymania dostępnych zasobów. Najczęstszą przyczyną awarii zasilania w szpitalach są ekstremalne zdarzenia pogodowe, takie jak burze śnieżne i ulewne opady deszczu, tornada, susze i huragany. W ostatnich latach liczba katastrof naturalnych tego typu zwiększa się na całym świecie i nie wykazuje oznak, aby miało być inaczej – twierdzi The New England Journal of Medicine.

Otwiera to przed szpitalami i innymi placówkami medycznymi, od których oczekuje się pełnej sprawności w ekstremalnych warunkach, duże wyzwanie co do rozwiązań. Biorąc pod uwagę zależność działalności szpitali i klinik od energii elektrycznej, potrzeba zapewnienia niezawodnych rozwiązań nigdy wcześniej nie była większa. W momencie utraty zasilania – czy to z powodu burzy, uderzenia gorąca, tornada, czy innych zjawisk – życie tysięcy pacjentów jest narażone na szwank.

Zasilanie awaryjne
Nikt sobie nie wyobraża sali operacyjnej lub zabiegowej, w której nagle gaśnie światło, a urządzenia podłączone do sieci energetycznej milkną. W tym celu „wymyślono” zasilanie awaryjne które przejmuje rolę zasilania głównego, które to przestało nagle działać z różnych przyczyn. Zasilanie awaryjne pomimo uwarunkowań normatywnych i przepisów, powinno być „szyte na miarę” dla danej instytucji, placówki czy też budynku. Zdroworozsądkowo zasilanie placówek medycznych powinno posiadać zasilanie główne oraz zasilanie rezerwowe. Zasilanie główne dla danej placówki jest określane w ten sposób wtedy, gdy dana instytucja posiada zasilane jednostronne. W przypadku zasilania dwu – lub wielostronnego nie ma podziału, które to jest zasilanie główne. Operator, który dostarcza energię nie wyróżnia żadnego z ciągów zasilania jako podstawowe czy rezerwowe. Komfort posiadania takiego zasilana jest nadal marzeniem wielu placówek medycznych. Dlatego też bardzo istotne jest posiadanie wydajnego i sprawnego zasilana rezerwowego. Najczęściej wykonuje się je jako:

• zespoły prądotwórcze (agregaty)
• baterie akumulatorów
  systemy zasilania bezprzerwowego UPS

Dobór systemów jako źródła rezerwowego jest podyktowany wymaganiami co do zasilanych instytucji, zapotrzebowaniem na moc oraz rozporządzeniami. W literaturze od lat można spotkać skategoryzowane wymagania co do sposobu zasilania budynków, w zależności od rodzaju odbiorcy. Prezentuje to tabela 1.
Na przestrzeni ostatniej dekady na wskutek wzbogacania placówek medycznych w nowoczesny sprzęt oraz jego czułe elementy elektroniczne, wzrosło również zapotrzebowanie na energie elektryczną spełniającą wysokie normy co do jakości. Normy te dotyczą w również zasilania awaryjnego. Na szczęście, ta coraz wyższa niezawodność jest spełniana dla wymagań:

• parametry napięcia zasilającego powinny odpowiadać wymaganiom zasilanych odbiorników,
• źródło powinno mieć wystarczającą moc do pokrycia obciążenia odbiorników wymagających rezerwowania zasilania,
• uruchamianie i obciążanie źródła powinno się odbywać w czasie krótszym od czasu dopuszczalnej przerwy lub bezprzerwowo,
  źródło powinno być zainstalowane możliwie blisko zasilanych urządzeń.

Źródła zasilania rezerwowego można podzielić na zapewniające zasilanie:

• do czasu powrotu zasilania rezerwowego lub pozwalające na bezpieczne zakończenie wykonywanych czynności lub zakończenie przebiegających procesów bez strat, przy czym czas automatycznego przełączenia zasilania trwający do kilku minut nie ma znaczenia, a czas zasilania jest praktycznie nieograniczony, np. zasilanie z niezależnej linii energetycznej, zespoły prądotwórcze;
• na czas wykonania określonych czynności lub funkcjonowania systemów, przy czym wymagany jest czas automatycznego przełączenia zasilania od bezprzerwowego do pojedynczych sekund, np. baterie akumulatorów dla oświetlenia awaryjnego czy systemów bezpieczeństwa, a także baterie akumulatorów do rozruchu zespołu prądotwórczego;
  bezprzerwowe na czas zakończenia przebiegających procesów lub na czas przełączenia na inne źródło zasilania rezerwowego, np. zespół prądotwórczy, tj. czas od kilku do kilkudziesięciu minut, np. zasilacze UPS.

Zespoły prądotwórcze
Zespół prądotwórczy (agregat prądotwórczy) to urządzenie, które przetwarza energię mechaniczną na energię elektryczną (fot. 1). Jest przystosowany do stosunkowo długiego czasu pracy, zwykle od kilku godzin do kilku dni, a w niektórych przypadkach nawet do pracy ciągłej. Zespoły prądotwórcze są dostępne w zakresie mocy znamionowych przeciętnie od kilku kW do 10 MW Zwykle jako generator stosowana jest prądnica synchroniczna. Właściwy dobór jej parametrów, głównie mocy i impedancji wewnętrznej, ma istotny wpływ na jakość dostarczanej energii elektrycznej. Do napędu prądnicy najczęściej wykorzystywane są tłokowe silniki spalinowe o zapłonie iskrowym lub wysokoprężnym napędzane: benzyną, olejem napędowym, gazem LPG. Do uruchomienia silnika używany jest rozrusznik zasilany z baterii akumulatorów. W celu skrócenia czasu rozruchu korpusy silników większych jednostek w okresie bezczynności są podgrzewane elektrycznie. Dlatego tak ważne dla zadziałania zespołu prądotwórczego jest zapewnienie zasilania grzałek i układu ładowania akumulatorów również wtedy, gdy zespół nie pracuje. 

Baterie akumulatorów
Baterie akumulatorów jako źródło zasilania rezerwowego stosowane są najczęściej w zasilaniu:

• systemów bezpieczeństwa takich jak system sygnalizacji pożaru, dźwiękowy system ostrzegania, system sygnalizacji włamania i napadu, systemy oddymiania;
• oświetlenia awaryjnego, przeszkodowego, podświetlanych znaków bezpieczeństwa, oznakowania przeszkód lotniczych;
  urządzeń elektronicznych;
• układów telekomunikacyjnych. Używane są do zasilania odbiorników prądu stałego lub odbiorników, które mogą być zasilane zarówno prądem stałym, jak i przemiennym. Po wyposażeniu układu w falownik mogą zasilać odbiorniki prądu przemiennego. Wykorzystywane są również jako magazyny energii w omawianych w dalszej części zasilaczach bezprzerwowych UPS.

Stosowany jest zwykle jeden z dwóch układów zasilania. Pierwszy z nich to układ przełączalny, w którym podczas pracy normalnej urządzenie zasilane jest z sieci przez zasilacz prostownikowy, a bateria jest ciągle doładowywana przez oddzielny prostownik.

Statyczne zasilacze bezprzerwowe UPS
Uruchomienie zespołu prądotwórczego i osiągnięcie przez niego gotowości do przejęcia pełnego obciążenia wymaga czasu od kilkunastu sekund do kilku minut i jako źródło zasilania nie zapewnia on wystarczającej ochrony przed zakłóceniami elektrycznymi. Nowoczesne elementy elektroniczne używane obecnie są bardziej wrażliwe na zakłócenie zasilania, co sprawia, że mają one większe wymagania w tym zakresie niż bardziej odporne, lecz mniej wydajne urządzenia stosowane wcześniej. Zasilacze bezprzerwowe UPS (uninterruptible power supply lub uninterruptible power source) są urządzeniami zapewniającymi w chwili zaniku lub wahnięcia napięcia w sieci, praktycznie bezprzerwowe zasilanie energią zmagazynowaną w czasie niezbędnym do bezpiecznego zakończenia pracy odbiorów krytycznych urządzeń lub do uruchomienia zespołów prądotwórczych i osiągnięcia przez nie gotowości do przejęcia pełnego obciążenia. W przekształtnikach stosowanych w tego rodzaju zasilaczach wykorzystywane są elementy energoelektroniczne. Czas podtrzymania od kilku do kilkudziesięciu minut jest najczęściej wystarczający. W sytuacji kiedy wymagany jest dłuższy czas, stosowane są większe baterie akumulatorów zapewniające zasilanie rezerwowe do kilku godzin. Najczęściej stosowanymi magazynami energii są baterie akumulatorów kwasowo-ołowiowych zamkniętych, żelowych VRLA lub zalewanych VLA. Ich wadą jest to, że są duże i ciężkie, a ich utylizacja ze względu na zastosowane toksyczne związki chemiczne jest droga.

Dynamiczne zasilacze bezprzerwowe RUPS
Dynamiczne zasilacze bezprzerwowe RUPS (Rotary UPS) to takie zasilacze UPS, w których sinusoidalne napięcie na wyjściu jest wytwarzane przez maszynę elektryczną wirującą – prądnicę. Dlatego zasilacz UPS o podwójnej konwersji z zasobnikiem energii kinetycznej mimo wirującego koła zamachowego jest uznawany za statyczny. Istotnym elementem zasilaczy dynamicznych RUPS jest prądnica synchroniczna. W niektórych rozwiązaniach jest to kompaktowa synchroniczna maszyna wirująca stanowiąca silnik-prądnicę w jednym, z dwoma niezależnymi uzwojeniami silnika i prądnicy nawiniętymi wspólnie w naprzemiennych szczelinach wirnika i wspólnym stojanie. Jej konstrukcja pozwala na dwukierunkowy przepływ energii między siecią a magazynem energii, a także na pracę jako prądnicy napędzanej silnikiem spalinowym.

Zasilanie awaryjnego oświetlenia ewakuacyjnego i podświetlanych znaków bezpieczeństwa
Baterie akumulatorów wyposażone w doładowujący układ prostownikowy są jednym ze źródeł zasilania opraw do awaryjnego oświetlenia ewakuacyjnego i podświetlanych znaków bezpieczeństwa. Występują jako:

• centralne – wspólne dla wszystkich opraw,
• grupowe – dla grupy opraw (w obiekcie instaluje się ich wówczas kilka),
• indywidualne dla zasilania pojedynczych lub kilku opraw (wbudowywane w oprawy lub stanowiące oddzielne urządzenie, instalowane w pobliżu oprawy lub opraw).

Oprawy do awaryjnego oświetlenia ewakuacyjnego i podświetlanych znaków bezpieczeństwa pracują w instalacji w jednym z dwóch trybów pracy:

• źródła światła w oprawie są zasilane przez cały czas, zarówno gdy wymagane jest stosowanie oświetlenia podstawowego, jak i awaryjnego – oprawa awaryjna zasilana ciągle (tryb nazywany potocznie oprawą lub pracą „na jasno”),
• źródła światła są zasilane tylko podczas awarii zasilania oświetlenia podstawowego – oprawa awaryjna zasilana nieciągle (tryb nazywany potocznie pracą „na ciemno”).

W pierwszym przypadku można uznać, że zasilaniem podstawowym jest zasilanie sieciowe, a rezerwowym zasilanie z akumulatorów, natomiast w drugim zasilaniem podstawowym są akumulatory, a napięcie sieciowe służy wyłącznie do ich doładowania.

Automatyka załączania rezerwy
W automatyce załączania rezerwy zasilanie rezerwowe zazwyczaj stanowi agregat prądotwórczy lub akumulatory z włączeniem w układ zasilający podczas awarii zasilania podstawowego. Istotną rolę odgrywają systemy mające za zadanie załączenie rezerw zasilania. Tradycyjne, ręczne uruchamianie zastępują w pełni zautomatyzowane systemy załączania rezerwy zasilania, wykrywające brak lub spadek napięcia zasilania głównego. W następnej kolejności załączane jest zasilanie rezerwowe, po to, aby zapewnić ciągłość dostarczania energii elektrycznej. Poszczególne elementy systemu muszą wyeliminować wpływ zakłóceń, które mogą wystąpić przy zwarciach. Systemy załączania rezerwy niejednokrotnie pracują w inteligentnych systemach bezpieczeństwa i oświetlenia budynków, a także w sieciach komputerowych i szpitalach. Montaż najczęściej odbywa się w rozdzielniach niskiego i średniego napięcia.
System zasilania awaryjnego bazujący na zasilaczu UPS oraz agregacie prądotwórczym zastosowanie znajduje najczęściej w przypadku długotrwałych przerw w zasilaniu. Decydując się na takie rozwiązanie warto zwrócić uwagę na kilka aspektów. Przede wszystkim ważny jest odpowiedni dobór zasilacza UPS, który powinien być wykonany w technologii true on-line. Podobnie jak przy samodzielnej pracy UPS-ów, tak i w przypadku ich współpracy z agregatami należy uwzględnić odpowiednie przewymiarowanie zasilacza. Tym sposobem zyskuje się rezerwę przy wzroście obciążenia oraz zabezpieczenie w przypadku błędów, jakie mogą powstać przy obliczaniu mocy odbiorników. Nie mniej ważny

jest wybór odpowiedniego agregatu, najlepiej z elektronicznym regulatorem obrotów i napięcia. Przy dobieraniu mocy generatora pamiętać należy, aby pokrywała ona zapotrzebowanie zasilacza UPS, na które składa się wejściowa moc czynna, sprawność, a także dodatkowa moc wejściowa związana z ładowaniem baterii. Moc agregatu powinna przewyższać moc zastosowaną w zasilaczu UPS o wartość kształtującą się w zakresie od 50 do 100%.

Nowoczesne systemy załączania rezerwy wykorzystują zaawansowane sterowniki, które uwzględniają indywidualne właściwości obiektu. Ważne są mechaniczne blokady w elementach wykonawczych odpowiedzialne za zapobieganie jednoczesnemu podaniu napięcia z kilku źródeł. Kluczową kwestią pozostaje określenie opóźnienia czasowego odłączeń i załączeń. Należy mieć na uwadze możliwość ręcznego przełączenia blokującego sterowanie automatyczne. Funkcjonalność w tym zakresie jest bardzo istotna, szczególnie z punktu widzenia bezpieczeństwa prowadzenia prac serwisowych. Zadanie ręcznego sterowania to zapobieganie niedozwolonym uruchomieniom systemu. Sterownik wraz z odpowiednim oprogramowaniem jest dobierany w zależności od stopnia złożoności systemu. Parametry elementów wykonawczych, takich jak styczniki lub wyłączniki, są dobierane z uwzględnieniem mocy dołączanych urządzeń i maszyn elektrycznych.

Podsumowanie
Współczesna medycyna opiera się w olbrzymiej mierze na działaniu nowoczesnej aparatury elektromedycznej. Wykorzystywane sprzęty służą do diagnozowania stanu pacjenta, jego leczenia oraz, w razie konieczności, ratowania życia. Aparatura ta powinna być niezawodna i dokładna, a przede wszystkim działać w sposób ciągły. Jak zatem o to zadbać?

Zastosowanie inteligentnych budynków
Coraz więcej centrów opieki zdrowotnej polega na innowacjach technologicznych w zarządzaniu swoimi budynkami. Na przykład, inteligentne systemy zarządzania budynkami (Intelligent Building Management Systems, IBMS) mogą koordynować wszystko, co dzieje się w budynku, od jego eksploatacji po łączność, i umożliwić personelowi monitorowanie odpowiednich warunków klimatycznych i sterowanie nimi przy wykorzystaniu systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji. Ponadto, IBMS umożliwia administracji szpitala zwiększenie bezpieczeństwa (ochrona terenu, kontrola dostępu oraz cyfrowy nadzór wizyjny), a także stosowanie różnych rozwiązań ratujących życie.

Należy również pamiętać, że zakłady opieki zdrowotnej wymagają niezawodnych źródeł zasilania podtrzymujących aparaturę medyczną o krytycznym znaczeniu. Urządzenia do rezonansu magnetycznego (MRI), tomografii komputerowej (CT), aparaty rentgenowskie, analizatory gazów, ultrasonografy i wszystkie urządzenia do obrazowania to potencjalni kandydaci do podłączenia zasilacza awaryjnego UPS, zapewniającego niezawodne działanie. Co więcej, najnowocześniejsze, zaawansowane systemy diagnostyczne wymagają dużych zasilaczy UPS zapewniających odpowiednią moc.

Uwzględniając stopień powiązania wszystkich systemów, każda przerwa w zasilaniu szpitala, nawet trwająca kilka sekund, może spowodować zakłócenie tysięcy niezależnych działań. Poza irytacją pacjentów, przerwy w zasilaniu szpitala mogą prowadzić do awarii aparatury, uszkodzenia systemów, uszkodzeń sprzętu oraz utraty danych.

Zapotrzebowanie na systemy zasilania awaryjnego UPS w sektorze opieki zdrowotnej
Systemy ochrony zasilania w instytucjach medycznych muszą spełniać wyższe wymogi, niż te do użytku komercyjnego lub przemysłowego. Zasilacz awaryjny UPS to urządzenie elektryczne dostarczające zasilanie nawet wtedy, gdy inne źródła mocy ulegną awarii. Różni się ono od generatora awaryjnego lub pomocniczego/awaryjnego systemu zasilania tym, że nawet w przypadku wystąpienia zakłóceń na wejściu, zasilacz awaryjny UPS zapewni prawie natychmiastową ochronę dzięki energii zgromadzonej w bateriach.

W przypadku najgorszego scenariusza dla pacjentów, doktorów i rodzin, w szpitalu lub klinice – awarii zasilania – zasilacz awaryjny UPS ma krytyczne znaczenie. W większości sytuacji szpital, który utracił zasilanie, może przekroczyć linię pomiędzy życiem a śmiercią pacjentów zależnych od optymalnego funkcjonowania jego systemów.

Na przykład, problemy z zasilaniem mogą prowadzić do niewłaściwego działania lub utraty jakości obrazu urządzeń tomografii komputerowej (CT). Rezonans magnetyczny (MRI) to system medyczny o znaczeniu krytycznym, wymagający do działania zasilania wysokiej jakości, niezbędnego do niezawodnego i spójnego obrazowania. Ponadto, poważna awaria zasilania w szpitalu może narazić placówkę i jej partnerów na problemy natury prawnej. Oskarżenia o zaniedbanie i zawinioną śmierć mogą doprowadzić do spirali roszczeń pogrążających całą organizację.

Zasilacze awaryjne chronią przed wieloma potencjalnymi problemami z zasilaniem, w tym przed udarami i skokami napięcia, zapadami napięcia, całkowitą utratą zasilania, a także różnicą częstotliwości. Zapewniając systemom placówki opieki zdrowotnej dostęp do stabilnego źródła zasilania nawet w trakcie awarii, można znacząco zmniejszyć koszty przy jednoczesnym utrzymaniu niezakłóconej działalności.

Każde urządzenie medyczne posiada konkretną charakterystykę obciążeń dynamicznych i wymagania co do regulacji napięcia, które należy uwzględnić.

mgr inż. Sebastian Hładun
Absolwent Inżynierii Systemów Bezpieczeństwa Wojskowej
Akademii Technicznej. Pasjonat elektroniki, projektant
i wykonawca elektronicznych systemów bezpieczeństwa.
Wykładowca w ZSZ z BP w Piszu.

Bibligrafia:
1. H. Markiewicz, A. Klajn, Pewność zasilania. Układy rezerwowego zasilania odbiorców, Polskie Centrum Promocji Miedzi, 2003.
2. PN-HD 60364-5-56:2013 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa.
3. PN-EN 50172:2005 Systemy awaryjnego oświetlenia ewakuacyjnego
4. PNEN 620401:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania [UPS] – Część 1: Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS.
5. PN-EN 620402:2008 Systemy bezprzerwowego zasilania [UPS] – Część 2: Wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).
6. PN-HD 60364-7-710. Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 7-710: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji – Pomieszczenia medyczne.
7. https://www.fachowyelektryk.pl/technologie/zasilanie/1680-systemy-zasilania-awaryjnego.html
8. https://www.socomec.pl/wysokiej-jakosci-niezawodne-zasilanie-pomieszczen-opieki-zdrowotnej_pl.html 
9. https://welcome2poland.eu/artykul/zrodla-zasilania-w-pla cowkach-medycznych-jak-dbac-o-ciagloscdzialania-urzadzen-95515 
10. https://www.deltapowersolutions.com/pl-pl/mcis/white-paper-uninterruptible-power-supplier-forthe-healthcare-segment.php