一、工程概况
济南市历下区人民医院综合楼地上10层，地下2层，总建筑面积31484.95m2，建筑高度43m。功能分区为地下2层为车库、变配电室、中心供应室;地下1层为车库、餐厅、病房药库;1～4层为门诊、办公区，急诊、放射科设在1层，手术部设在3层;5至10层为标准病房护理单元，屋面设电梯机房、水箱间等;消防控制中心(兼监控中心)设于地下一层，通信网络、综合医疗管理、医疗信息管理系统及医院专用系统机房设于3层。
工程从立项到设计、施工直至竣工验收(2008年5月正式启用)仅一年多的时间，时间紧，任务重、要求高。以下仅就该工程医疗电子设备接地系统作介绍。
二、医院综合楼医疗电子设备接地系统
济南市历下区人民医院综合楼功能较多，应用了很多大规模集成电路和计算机技术的医疗电子设备，如MRI(核磁共振成像)、CT(计算机断层扫描)、ECT(同等素断层扫描)、DSA(数字减影血管造影)等，这些医疗电子设备接地系统的设计在整个工程设计当中占有很重要的份量。
(一)共用接地
《电子计算机房设计规范》(GB50174-93)规定：交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地四种接地宜共用一组接地装置。医疗电子设备应同时具有信号电路接地(信号地)、电源接地和保护接地等三种接地系统。
医院综合楼采用共用接地形式，医疗电子设备与防雷共用接地网。施工设计采用共用接地网的原因是如果两个接地系统在电气上要真正分开，在地下必须满足一定的距离，否则两接地系统形式上是分开了，而实际(指电气上)仍未分开。且由于两个电气系统，通过接地网的相互联系而产生强烈的干扰，严重时甚至造成两个接地系统都不能正常工作。这在实际中的例子是相当普遍的。
试验证明，在单根接地极情况下，距接地极20m远才可看成零电位。而医院院区内外建筑密度很高，要将两电气系统接地，在电气上真正分开，在地下要满足20m的距离是做不到的。而采用共用接地形式不但经济合算，而且在技术上也是合理的，因为采用共用接地后，各系统的参考电平将是相对稳定的。即使有外来干扰，其参考电平也会跟着浮动。许多工程实际情况已证明采用共用接地形式是解决多系统接地的最佳方案。
(二)等电位联结
《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB50343-2004)规定：需要保护的电子信息系统必须采取等电位连接与接地保护措施。
医院综合楼等电位联结主要由总等电位联结、楼层等电位联结、局部等电位联结、辅助等电位联结等组成。在地下一层做总等电位联结，MEB箱设于变配电室内，将高低压配电设置的PE母线、基础接地极的引线、公用设施的金属管道、建筑物金属结构体、电梯轨道等可导电部分相互连通;在弱电竖井内采用20X4的铜排设接地干线(引自MEB箱)且每层在距地平水平0.3m处敷设一圈20X4的铜排做楼层等电位联结，与本层墙面、地面钢筋网可靠焊接。施工设计在弱电竖井内没有利用建筑的柱内钢筋作为接地干线，其目的是使导体阻抗远远小于建筑物结构钢筋阻抗，为楼层、局部等电位接地端子板上可能出现的雷电流提供了一个快速泄放通道,这也符合《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB50343-2004)的规定。
综合楼在放射科各机房、手术室、ICU、抢救室、治疗室及病房等1类和2类场所内设局部等电位联结箱LEB，上属各场所内的所有医疗电子设备的可导电金属外壳、机柜、机架、金属管、槽、屏蔽线缆外层、防静电接地、保护接地、浪涌保护器(SPD)接地端及建筑物金属结构等均与之做可靠联结，LEB箱采用φ25多股铜芯线穿半硬质塑料管引自弱电竖井内接地干线。
综合楼对于病房、治疗室等数量比较多的医疗场所的局部等电位联结结构形式，从经济性考虑，采用单点也就是S型。从病房、治疗室配电箱PE母排放射引出的PE线兼作设备的信号接地线。这种接地方式适用于抗干扰能力较强且数量较少的医疗电子设备。这种能同时实现保护接地和信号接地的方式是最为简单易行的。
而对于放射科各机房、手术室、ICU、抢救室等医疗场所的局部等电位联结结构形式，从重要性考虑，采用多点也就是M型或SM型，这种结构形式适用于拥有复杂的医疗电子设备的医疗场所。在这类场所内，除用PE线作保护接地外，还将设备外壳尽量短直地联结到设备下方的局部水平等电位铜质网格上，网格的作用是为医疗电子设备抑制高频干扰提供一个低阻抗的参考平面，从而降低干扰水平。网格和房间内局部等电位联结LEB箱相联结，采用宽为60mm～80mm，厚约0.6mm的铜带，在地面上组成600mm×600mm的网格或者在现浇混凝土楼板施工时，将楼板钢筋焊接成网格，并为每台医疗电子设备至少预留两个与网格连接的端子。
为了防止从设备引至网格的导线产生谐振(当隔离绝缘导线的长度为干扰频率波长的1/4或其奇数倍时将产生谐振，这时导线的电抗将为无穷大，即成为一根天线，能接收磁场的干扰或发射出干扰磁场。)，每台医疗电子设备从基准平面引两根导线接于其底的对角处，两根导体一长一短，相差约20%，如一根为1.0m，则另一根为0.8m。这样，即便其中一根发生谐振，即阻抗无穷大时，另一根肯定不会。采用SM型局部等电位联结结构形式，还消除了在高频条件下导体因存在电容耦合而将高频干扰信号进行传播的现象。
三、设备供应商提出单独接地的要求及理由
在医院综合楼安装阶段，很多医疗电子设备供应商提出其设备应单独接地，且接地电阻要小于1Ω的要求，这个要求与我们采用共用接地方式的思路是不相符的。通过与设备供应商的沟通，他们认为要求单独接地的原因主要有两个：
第一，如果采用联合而非单独接地，局部出现故障后通过PE(PEN)线造成故障电压互窜，导致医疗电子设备外壳带电，造成人员触电事故;
第二，单独接地可以使医疗电子设备的电子线路避免受到干扰，且接地电阻值要求小于1Ω。
四、问题分析
从接地分类来讲，很明显以上两个理由分别属于医疗电子设备的保护性接地和功能性接地(信号地)。由于导体的阻抗(电阻+感抗)在不同的频率下是不同的，在直流或交流50HZ工频条件下，接地线的阻抗主要是电阻，其值很小，可忽略不计，而在300KHZ以上的高频条件下，接地线的阻抗主要是感抗，其值很大，将直接影响接地效果。保护性接地主要涉及配电系统问题，因此主要是在工频条件下进行讨论，而电子设备的工作频率和易受干扰的频率一般是在几十到几百MHZ范围内，因此医疗电子设备的功能性接地主要是在高频条件下进行讨论。
对于单台医疗电子设备，要求其单独接地是很合理的，一来保证了工作人员的生命安全，二来保证了医疗电子设备的正常工作。但认真分析后会发现，对于医疗电子设备所处的建筑来讲，或者是对整个接地系统来讲，“单独接地”存在很多不能解决的问题，如不采取其他措施，很难完全保证人员的生命安全和医疗电子设备的正常工作，下面就要求“单独接地”的两个原因分别进行分析。
(一)对第一个原因的分析
第一个原因是从人员生命安全的角度去考虑问题，采用单独接地是为了防止其他设备的故障电压影响到医疗电子设备，仔细分析起来，实际上和配电系统有关。对于TN-C配电系统，采用设备单独接地是有一定道理的。TN-C配电系统的护线与中性线是合二为一的，那就是“零线”或PEN线，用电设备的金属外壳是接在“零线”上的，称为接“零”保护。系统正常运行时，“零线”上是有电流和电压的，所以用电设备的外壳上也存在电压，这时如果将医疗电子设备的工作接地和保护接地接在“零线”上，将对设备产生干扰，造成设备不能正常工作。电压超过50V，还容易造成人员的触电危险。
但对于TN-S配电系统，采用单独接地就不合适了。TN-S配电系统的保护线(PE)与中性线(N)自变压器之后是严格分开的，用电设备的金属外壳接在PE线上，系统正常运行时PE线上是没有电流的，且建筑物内所有金属管道、金属桥架、金属构架、配电设备的金属外壳、电梯轨道均与PE线做等电位联结，整栋大楼形成一个法拉第笼、等电位体，不存在电位差，因此设备和人都是安全的，但如果建筑物内的医疗电子设备单独接地，则相当于将TN-S系统改为了TT系统。系统正常运行时设备的外露导电部分为地电位，电源侧和其他设备出现的接地故障电压不互窜，似乎达到了设备供应商要求的医疗电子设备单独接地的目的，但当实施了单独接地的医疗电子设备自身发生接地故障时或建筑物遭受雷击时，设备和人员安全保障上就会出现问题。
当采用单独接地或者说是采用TT配电系统运行的设备自身发生接地故障时，故障回路的阻抗比TN系统的阻抗要大的多，故障电流很小，作为保护用的电气装置不能及时动作切断电源，此时如有人员接触设备外壳，将造成触电事故。
解决上述问题的方法有两个，一是在电源回路中加装额定电流为30mA的剩余电流保护器RCD;二是大幅度降低接地电阻值，使R≤1Ω。这两种方法从理论上来讲都是可行的，但实际操作起来不太现实。在第一种方法中，由于医疗电子设备的电子线路一般装有滤波装置用于抑制干扰，而滤波装置中的电容器是跨接在相线和PE线之间的，设备工作时存在正常的泄漏电流，此泄漏电流值有可能大于RCD的动作电流值(或一路配电线路带几台设备，其泄漏电流的和大于RCD的动作电流值)，造成RCD动作切断电源，导致设备断电而无法工作。在第二种方法中，要实现单独接地，且接地电阻R≤1Ω在实际工程设计和施工中是很难达到的，更何况为了防止反击，单独接地的接地极要求远离建筑基础20m以外(建筑基础一般作为联合接地系统的接地极)，现场一般是没有这个条件的。
如果医疗电子设备采用单独接地，那么其接地与整个建筑物的接地系统是绝对公开的，在建筑物遭受雷击时，由于雷电泄放电流高达数十到数百千安，导致建筑物的整体电位瞬间抬高，而医疗电子设备由于是单独接地，其接地系统与建筑物的“地”是分开的，因而此时医疗电子设备仍保持低电位，在建筑物与医疗电子设备之间形成了一个很大的电位差，极易造成医疗电子设备被击穿放电，操作人员触电伤亡。根据国际电工委员会IEC的标准规定：每一建筑物(每一装置)的所有接地体都应等电位直接连接在一起。这种方法就是我们通常所说的“水涨船高”，医疗电子设备与建筑的电位永远保持一致，没有了电位差，设备与人员的安全就得到了保证。
(二)对第二个原因的分析
第二个原因是从避免医疗电子设备受干扰去考虑问题。我们知道医疗电子设备的核心是包括计算机在内的电子线路，计算机是靠“0”和“1”工作的，而“0”和“1”是相对于某一个基准电位而言的。在电子设备或电子系统中，各种电路均有其基准点，如果将这些基准点连接到一个导体平面上，则该平面就称为基准平面，所有信号都是以该平面作为零电位参考点。电子设备常以金属底座、外壳等作为基准平面，将这个基准平面接地，即构成设备的“信号地”。这个“地”是相对而言的，可以是大地，也可以是接地母线、总接地端子等。
总之，只要是一个等电位点或面即可(当然等电位点或面也可以不接地，形成悬浮地，即便是接地，也仅是为干扰信号提供一个泄放的通道)。信号地的作用就是为电子线路的工作提供一个统一的公共参考电位，不会因基准电位的经常漂移而造成信号值的误差，从而使电子设备稳定可靠地工作。在IEC标准中提出了接地基准点(ERP)的概念，即将建筑物本层的地板钢筋或敷设的金属网看成为基准点或面，设备的保护接地和功能接地直接接在基准点或面上，而不是采用每台设备单独接地的方式，其主要目的不仅为设备的操作人员提供安全保障，而且提高了设备的工作稳定性。
另外，导体的阻抗特性有一个特点：导体的阻抗不是一成不变的，它在不同的频率下会呈现出不同的阻抗值。我们通常所说的导体电阻，是在直流条件下测量的，而当导体处在交流条件下时，其阻抗将随频率的增加而加大。表1是截面积25mm2的铜导体和95mm2的铜导体在两种不同频率下的电阻和感抗(2πfL)值，从表中可以看出，在不同的高频频率下，感抗值都远远大于电阻值，因此，导体在高频环境下，其阻抗基本上等于感抗，电阻可忽略不计。将导体的截面从25mm2加大到95mm2，截面积虽加大约三倍，但感抗减小的比例却很小，例如，长度为30.5m的导体，在100MHZ下，感抗仅减小10%。
表1 25mm2和95mm2铜导体在空气中的电阻和感抗
| 导体 长度 | 频率1MHZ 频率100MHZ | |||||||
| | | | | |||||
| 电阻（Ω） | 感抗（Ω） | 电阻（Ω） | 感抗（Ω） | 电阻（Ω） | 感抗（Ω） | 电阻（Ω） | 感抗（Ω） | |
| 3 | 0.05 | 26 | 0.022 | 23 | 0.5 | 2600 | 0.22 | 2300 |
| 12.2 | 0.2 | 125 | 0.088 | 113 | 2.0 | 12500 | 0.88 | 11300 |
| 30.5 | 0.5 | 350 | 0.220 | 314 | 5.0 | 35000 | 2.20 | 31400 |
工作频率在几十到几百MHZ范围内的医疗电子设备信号地的作用无非有两个：一是为电子线路提供一个基准电位，二是为高频干扰信号提供一个泄放通路。在高频环境下，影响接地效果的主要因素是接地电感，而不是电阻，因此要求接地电阻值小于1Ω的意义不大，浪费了人力和财力。
通过以上分析，单独接地实际上是将抗干扰放在了第一位，人身安全和设备安全放在了第二位，这是不合理的，电子线路的工作需要的是一个相对稳定的基准平面;在高频环境下，接地电阻值已不是影响接地效果的主要因素。
五、结束语
济南市历下区人民医院综合楼开业一年多来，医疗电子设备运行良好。业内周知，接地问题在工程界已争论多年，这是一个看似容易，实际很难处理的问题。我结合济南市历下区人民医院综合楼医疗电子设备接地系统设计的介绍对该类设备是采用单独接地系统，还是采用共用接地系统，接地电阻值是否要求很低等问题进行了分析，实际上接地问题还涉及很多其他问题，值得进一步探讨，例如，对于一定要单独接地的设备，要处理好设备自身发生接地故障以及雷电“反击”问题。
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